徐洪昌

（義烏市共濟(jì)交通有限公司，浙江 義烏 322000）

引言

最近幾年隨著船舶運(yùn)輸?shù)募哟?，橋梁收到船舶撞擊而倒塌的時(shí)間偶爾會(huì)產(chǎn)生，特別是在廣東省的過(guò)道上發(fā)生的船舶撞擊橋梁倒塌事件，引起了業(yè)界人士的重視，這對(duì)促進(jìn)橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平和技術(shù)起到了一定的促進(jìn)作用。這些撞船事故引起工程師在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，尤其是在對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要把豎向承載能力與水平承載能力放到同樣重要的位置來(lái)看待。由于我國(guó)公路橋梁很多都是有了樁基礎(chǔ)，在《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(2007)》里面，對(duì)于樁基礎(chǔ)的豎向承載能力有著詳細(xì)的計(jì)算方法的規(guī)定，但樁基礎(chǔ)的水平抗力的計(jì)算并沒(méi)有進(jìn)行詳細(xì)的描述，而且相關(guān)的研究成果也很少。因此為了解決橋梁基礎(chǔ)的撞船安全設(shè)計(jì)問(wèn)題，在對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究文獻(xiàn)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)深水高樁基礎(chǔ)水平抗力的計(jì)算方法等做出了深入的分析，得出了基于非線(xiàn)性有限元分析的計(jì)算步驟和方法，并在工程實(shí)例的分析下雨當(dāng)前使用的規(guī)范計(jì)算方法進(jìn)行了認(rèn)真的對(duì)比。

1 關(guān)于橋梁樁基礎(chǔ)水平抗力非線(xiàn)性有限元的計(jì)算

1.1 對(duì)材料本構(gòu)關(guān)系的分析

(1)針對(duì)無(wú)約束混凝土，可使用H ognestad本構(gòu)模型，它的表達(dá)式為：表達(dá)式中:fc是混凝土應(yīng)力；ε是混凝土應(yīng)變；ε0是混凝土峰值應(yīng)變；f′c是混凝土28d的圓柱體抗壓強(qiáng)度，它與標(biāo)準(zhǔn)棱柱體(150mm×150mm×300mm)抗壓強(qiáng)度R0c的關(guān)系式是：

(2)對(duì)于受箍筋約束的混凝土,其本構(gòu)關(guān)系可使用Mander模型，即

公式里面：

公式里面：fl′是約束混凝土的有效側(cè)向約束應(yīng)力;ke是有效約束的核心混凝土面積與核心混凝土總面積之比；ρs為箍筋的體積配筋率，ρs=Asp/(D s′)；fyh、Asp分別是箍筋的屈服強(qiáng)度和截面積；D′、s分別是箍筋的環(huán)箍直徑和箍筋間距；εsu為箍筋拉斷時(shí)的應(yīng)變；fcc′、εcc和εc分別為約束混凝土的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變和約束混凝土應(yīng)變。當(dāng)εc=εcu時(shí)，表示約束混凝土由于橫向箍筋失效導(dǎo)致其應(yīng)變達(dá)到極值；截面抗彎承載能力達(dá)到極限狀態(tài)的標(biāo)志就是約束混凝土受壓區(qū)邊緣的壓應(yīng)變達(dá)到極值。

1.2 對(duì)橋梁高深樁結(jié)構(gòu)分析模型

1.2.1 計(jì)算模型

橋梁深水高樁基礎(chǔ)的計(jì)算模型如圖1所示，在計(jì)算模型中，采用梁?jiǎn)卧M橋梁的上部結(jié)構(gòu)、橋墩和樁，將承臺(tái)模擬為剛性塊，采用非線(xiàn)性彈簧描述土，計(jì)算模型中考慮了幾何非線(xiàn)性的影響。

圖1 計(jì)算模型示意圖

1.2 水平抗力計(jì)算的基本假定與流程

深水高樁基礎(chǔ)水平抗力的計(jì)算與流程 (圖2)采用了如下假定：(1)截面在彎矩作用下，變形滿(mǎn)足平截面假定；(2)鋼筋和混凝土之間的受力過(guò)程中始終保持牢固粘結(jié)；(3)單元兩端之間的截面內(nèi)力按線(xiàn)性?xún)?nèi)插，取單元兩端面的平均剛度作為單元?jiǎng)偠龋?4)立柱和樁基截面在偏心受壓狀態(tài)下，受壓混凝土區(qū)最外緣壓應(yīng)變達(dá)到極限應(yīng)變(按材料本構(gòu)關(guān)系確定)，并認(rèn)為截面達(dá)到極限抗彎能力。由于在計(jì)算中考慮了幾何與材料非線(xiàn)性，因此采用增量加載方式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。水平荷載的增量為ΔP，設(shè)第1步的求解已經(jīng)完成，則可以計(jì)算該步控制截面的軸力Ni和彎矩Mi。對(duì)軸力Ni和彎矩Mi作用下截面開(kāi)裂情況的判斷需根據(jù)材料的本構(gòu)關(guān)系，通過(guò)迭代確定ε和φ。在本研究中采用美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校編寫(xiě)的Cyber程序來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程。截面極限抗彎能力由受壓區(qū)混凝土的應(yīng)變值控制。當(dāng)截面接近極限彎矩后將導(dǎo)致非常大的變形，此時(shí)結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)，所對(duì)應(yīng)的水平荷載之和即為基礎(chǔ)的水平抗力。上述計(jì)算過(guò)程如圖2所示。

圖2 樁基礎(chǔ)水平抗力的計(jì)算原理和流程

3 結(jié)語(yǔ)

本文將深水高樁基礎(chǔ)作為研究的對(duì)象，考慮土的非線(xiàn)性特性和結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性特點(diǎn)，闡述了基于非線(xiàn)性有限元計(jì)算樁基礎(chǔ)水平抗力的方法，對(duì)某國(guó)道上大橋進(jìn)行了實(shí)際計(jì)算，在按照我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)思想而提出的計(jì)算方法做出了對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果顯示文中所研究的方法用于該類(lèi)橋梁樁基礎(chǔ)的防撞設(shè)計(jì)更加科學(xué)。針對(duì)深水高樁基礎(chǔ)橋梁的防撞等研究設(shè)計(jì)，未來(lái)的研究空間還很大，本文研究的方法和結(jié)果，需要在實(shí)踐中進(jìn)行更好的檢驗(yàn)。

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