華蘭亞 李 強(qiáng) 段瑋瑋

(浙江海洋學(xué)院，浙江舟山 316022)

0 引言

橋梁建設(shè)工程中，由于水流流經(jīng)基樁時(shí)產(chǎn)生渦激振動(dòng)引發(fā)的破壞事故時(shí)有發(fā)生，例如江肇西江特大橋在施工期間遇到洪水，水流速度加快，水位急劇升高，南岸棧橋及橋墩平臺(tái)鋼管樁正在施工過(guò)程中，未加設(shè)橫聯(lián)均處于單根獨(dú)立樁狀態(tài)，在水流作用下出現(xiàn)大幅劇烈晃動(dòng)，幅度最大達(dá)50.7 cm，兩天后因長(zhǎng)時(shí)間的大幅度共振造成鋼管樁沿樁身焊縫產(chǎn)生裂縫，部分鋼管樁發(fā)生斷裂而沖毀［1］;蘇通大橋鋼管樁在施工過(guò)程中樁產(chǎn)生很大幅度的擺動(dòng)，產(chǎn)生斷樁情況，現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控錄像真實(shí)的反映了基樁的渦激振動(dòng)實(shí)況［2］。

橋梁樁基渦激振動(dòng)研究的焦點(diǎn)目前主要集中在結(jié)構(gòu)和流體上，很少考慮土體的作用。而在實(shí)際工程中，橋梁管樁常深入土體數(shù)十米，土體的力學(xué)性質(zhì)對(duì)管樁的渦激振動(dòng)起著不可忽視的作用。鑒于此，本文充分利用有限元軟件Abaqus的非線性分析優(yōu)勢(shì)，從樁土耦合的角度分析不同參數(shù)對(duì)管樁振動(dòng)的影響，得出一些重要結(jié)論供工程參考應(yīng)用。

1 模型受力簡(jiǎn)化

在一定雷諾數(shù)下，當(dāng)流體經(jīng)過(guò)管樁時(shí)，會(huì)在管樁后面產(chǎn)生尾流，并周期性泄放漩渦。根據(jù)文獻(xiàn)［3］可知，由漩渦泄放產(chǎn)生的單位長(zhǎng)度上的渦激升力近似處理為泄渦頻率的簡(jiǎn)諧函數(shù):

其中，ρ為流體密度;v為流體流速;CL為升力系數(shù);ws為泄渦頻率;D為管樁直徑。

2 有限元實(shí)例分析

以某橋梁鋼管樁為例，建立有限元模型如圖1所示。鋼管樁參數(shù):彈性模量E=200 GPa、樁長(zhǎng)60 m(置于流體中30 m，土中30 m)、直徑 D=2 m、壁厚0.02 m、泊松比為 0.3;流體參數(shù):密度ρ=1 025 kg/m3，當(dāng)雷諾數(shù)Re≥3.5×106時(shí)，渦街泄放處于超臨界階段，根據(jù)文獻(xiàn)［4］，CL=0.15。根據(jù)簡(jiǎn)化式(1)，計(jì)算出流體力載荷，施加于有限元模型上;土體參數(shù):為了簡(jiǎn)化計(jì)算，樁周土假定為均質(zhì)、各向同性體，土體密度為1 800 kg/m3，泊松比為0.3，為了降低邊界對(duì)分析區(qū)域的影響，分析范圍中樁底土層深取30 m，模型徑向范圍為20倍樁徑，即40 m，底部固定約束，模型的外側(cè)徑向的位移約束。樁體采用線彈性模型模擬，樁土間的摩擦系數(shù)為0.2，土體采用摩爾—庫(kù)侖模型模擬。有限元計(jì)算中土體和樁體均采用C3D8R單元模擬［5-7］。

圖1 有限元模型

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 流速對(duì)管樁振動(dòng)的影響

圖2 流速對(duì)管樁振動(dòng)的影響

由圖2a)可見，在相同土體剛度k=5×106N/m情況下，流速?gòu)?.8 m/s增加到2.5 m/s時(shí)，樁頂位移最大值從0.15 m增加到0.2 m，樁的振動(dòng)周期由2 s減小到1 s，振動(dòng)更加劇烈。這是由于當(dāng)流速增大后，流體對(duì)泄渦頻率增加，根據(jù)式(1)可知，作用在管樁上的流體力增加。但由于受管樁、土體等非線性因素的影響，管樁的振動(dòng)并不是簡(jiǎn)諧振動(dòng)，而表現(xiàn)出一定的非線性，振動(dòng)特征變化明顯，振動(dòng)圖像說(shuō)明了這一點(diǎn)。

圖2b)顯示了在相同土體剛度k=5×106N/m，不同流速情況下，沿樁高方向，樁身的側(cè)向位移。結(jié)果反映，樁身相對(duì)位移為0位置不在土體表面，而是在樁高14 m～18 m位置處。即樁可以被認(rèn)為是固定在6倍～8倍樁徑土體表面以下。

圖3 土剛度對(duì)管樁振動(dòng)的影響

3.2 土剛度對(duì)管樁振動(dòng)的影響

由圖3可見，在同一流速2.0 m/s下，土剛度對(duì)樁頂位移影響巨大，當(dāng)土剛度k由k=5×106N/m增大到15×106N/m時(shí)，樁頂位移由0.15 m 降到 0.04 m，并且振動(dòng)周期由 1.5 s增加到2.8 s，振動(dòng)形態(tài)更加有規(guī)律，接近簡(jiǎn)諧波。原因分析為:土剛度越大，土體對(duì)樁位移起到阻滯約束作用增強(qiáng)，樁的振動(dòng)主要受土體影響。

4 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用有限元軟件分析，主要得到以下結(jié)論:1)管樁振動(dòng)周期隨著流速的增加而減小，并且振動(dòng)更加劇烈。這對(duì)于跨海橋梁管樁的施工時(shí)合理的選擇施工時(shí)間具有一定的參考價(jià)值。2)管樁的不動(dòng)點(diǎn)位置可以被認(rèn)為是固定在6倍～8倍樁徑土壤表面以下。這對(duì)于跨海橋梁管樁的設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。3)當(dāng)考慮鋼管樁的渦激振動(dòng)時(shí)，土體的影響不可忽略。土剛度增大，在穩(wěn)定流速下，振幅減小，振動(dòng)迅速變緩。這對(duì)跨海橋梁管樁的建造地點(diǎn)具有一定的參考價(jià)值。

［1］戴祖生，牟 蕓.西江特大橋平臺(tái)鋼管樁渦激振動(dòng)簡(jiǎn)析及對(duì)策［J］.公路交通科技，2010(11):299-301.

［2］蘇 慧，龔維明，梁書亭.海洋獨(dú)立支撐鋼管樁的渦振研究［J］.特種結(jié)構(gòu)，2005，22(4):68-71.

［3］［美］布萊文斯RD.流體誘發(fā)振動(dòng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

［4］HUANG，RF.CHEN，JM，et al.Modulation of surface flow and vortex shedding of acircular cylinder in the sub-critical regime by a self-excited vibrating rod［J］.Journal of Engineering Mechanics，2006(555):321-352.

［5］莊 茁.ABAQUS非線性有限元分析與實(shí)例［M］.北京:科學(xué)出版社，2005.

［6］朱以文，蔡元奇，徐 晗.ABAQUS與巖土工程分析［M］.香港:中國(guó)圖書出版社，2005.

［7］費(fèi) 康，張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2009.