王 保 計(jì)

(中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營(yíng) 257026)

鋼管樁施工中的拒錘安全性分析

王 保 計(jì)

(中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營(yíng) 257026)

針對(duì)海洋導(dǎo)管架平臺(tái)鋼管樁施工中的拒錘現(xiàn)象，利用有限元軟件建立樁的分析模型，對(duì)拒錘時(shí)樁體動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析，得出樁體的應(yīng)力分布及變形曲線，結(jié)果表明利用ANSYS中的動(dòng)力分析模塊可以較好的模擬出鋼管樁拒錘時(shí)樁體的動(dòng)力響應(yīng)，該方法可為工程優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

鋼管樁，打樁，拒錘，應(yīng)力分布

海洋樁基平臺(tái)是利用開口鋼管樁作為支撐結(jié)構(gòu)的平臺(tái)，主要由下部基礎(chǔ)和上部組塊組成，而下部基礎(chǔ)主要由導(dǎo)管架和打入導(dǎo)管架腿內(nèi)的鋼樁組成。海洋樁基平臺(tái)鋼樁一般采用開口鋼樁，施工時(shí)利用樁錘的沖擊機(jī)械能克服土體對(duì)樁的側(cè)摩阻力和端阻力，使土體的靜力平衡破壞，樁體下沉達(dá)到設(shè)計(jì)深度。就勝利油田埕島海域而言，海洋平臺(tái)用鋼樁樁徑為1.0 m～1.8 m，入泥深度在50 m～90 m之間，采用沖擊錘打入的施工方式。鋼管樁的施工過程中，隨著樁體的打入，不同的土層土壤條件均在變化，當(dāng)樁端的土質(zhì)較硬(如遇鐵板砂土層)、停錘時(shí)間過長(zhǎng)、停錘接樁位于密實(shí)的砂層等不利條件時(shí)，易造成拒錘現(xiàn)象。施工中的拒錘必然會(huì)拖延海上安裝的工期，同時(shí)也將增加昂貴的船只租賃費(fèi)用、施工人員費(fèi)用、樁錘租賃費(fèi)等工程建設(shè)費(fèi)用。對(duì)于工程安全角度而言，開口鋼樁是采用沖擊法打樁，發(fā)生拒錘時(shí)沖擊錘的樁側(cè)土體已經(jīng)擾動(dòng)，樁端無法進(jìn)尺，沖擊能易使鋼管樁發(fā)生縱向壓曲而破損。本文利用ANSYS的動(dòng)力分析功能進(jìn)行模擬拒錘時(shí)樁端、樁身及樁頂部具體的動(dòng)力響應(yīng)情況。

1 邊界條件

開口鋼管樁施工時(shí)，如遇拒錘情況，樁端下沉基本停止，此時(shí)作用于樁頭的錘擊能量傳遞給樁身。由于打樁過程中樁體表面的土體有效應(yīng)力降低，樁端的阻力較大。對(duì)有限元分析模型的邊界條件簡(jiǎn)化如下：1)打樁時(shí)樁側(cè)土體的有效應(yīng)力較小，忽略樁側(cè)阻力；2)拒錘發(fā)生時(shí)，在樁錘的打擊下樁體無法下沉，樁端的土體模擬為剛體。其中對(duì)于邊界條件1)的解釋為在打樁過程中，由于拒錘樁沒有進(jìn)尺，樁側(cè)的土體發(fā)生擾動(dòng)，樁側(cè)阻力小的多，因此假設(shè)比較合理。在打樁過程中對(duì)樁體的最不利時(shí)刻發(fā)生拒錘情況下，計(jì)算中假設(shè)樁端的樁土作用為剛性接觸。該計(jì)算分析的條件是樁錘對(duì)樁管的沖擊作用，沖擊力即是樁錘的慣性力。計(jì)算方法采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析(亦稱時(shí)間歷程)法，對(duì)鋼管樁在樁錘打擊下的受力、應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，計(jì)算中考慮狀態(tài)非線性。

2 荷載組合

在打樁作業(yè)時(shí)，作用于樁體的外荷載主要由樁的自重、打樁錘重量以及打樁錘下落到樁頂?shù)膭?dòng)力沖擊力組成。樁體的自重與打樁錘的重量模擬成靜荷載，按照樁體的傾斜角度分解后施加到樁端相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。打樁錘的動(dòng)力作用主要是沖擊力，在ANSYS的動(dòng)力模塊中設(shè)置求解時(shí)間，并將打樁錘的實(shí)際能效輸入到軟件中，將軟件中關(guān)于求解選線的相關(guān)輸入能量選項(xiàng)的參數(shù)。根據(jù)相關(guān)打樁工程經(jīng)驗(yàn)，輸入打樁拒錘的時(shí)間參數(shù)，如打樁時(shí)間，錘擊頻率等施工相關(guān)參數(shù)，形成動(dòng)力分析的外加能量文件。施工中擬采用D128型的沖擊柴油錘，D128筒式柴油打樁錘為內(nèi)打擊能量較大的筒式柴油打樁錘，該錘的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 D128型樁錘參數(shù)表

3 數(shù)值分析

分析所選模型為勝利埕島油田某平臺(tái)預(yù)打加固樁，平臺(tái)作業(yè)水深13.0 m，樁長(zhǎng)74.3 m，壁厚為2.4 cm，2.8 cm，3.0 cm的變壁厚開口鋼管樁(見圖1)。根據(jù)樁體的外形參數(shù)在ANSYS中建立分析實(shí)體模型(見圖2)，對(duì)建立的實(shí)體模型劃分有限元單元網(wǎng)格，根據(jù)樁錘參數(shù)定義荷載隨時(shí)間變化的相關(guān)荷載參數(shù)。為模擬分析樁體在拒錘發(fā)生時(shí)樁體本身的應(yīng)力分布，將邊界條件簡(jiǎn)化為樁端固定邊界條件，樁頭為自由端，樁與導(dǎo)管之間為接觸關(guān)系，并將有限元模型的下部單元約束。

ANSYS動(dòng)力分析模塊應(yīng)用中心差分方法對(duì)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行顯示積分，應(yīng)用一個(gè)增量步的動(dòng)力學(xué)條件計(jì)算下一個(gè)增量步的動(dòng)力學(xué)條件。在增量步開始時(shí)，程序求解動(dòng)力學(xué)平衡方程，表示為用節(jié)點(diǎn)質(zhì)量矩陣M乘以節(jié)點(diǎn)加速度ü等于節(jié)點(diǎn)的合力(在所施加的外力P與單元內(nèi)力I之間的差值)：

Mü=P-I

(1)

在當(dāng)前增量步開始時(shí)(t時(shí)刻)，計(jì)算加速度為：

(2)

由于顯示算法總是采用一個(gè)對(duì)角的或者集中的質(zhì)量矩陣，所以求解加速度并不復(fù)雜，不必同時(shí)求解聯(lián)立方程。任何節(jié)點(diǎn)的加速度完全取決于節(jié)點(diǎn)質(zhì)量和作用在節(jié)點(diǎn)上的合力，使得節(jié)點(diǎn)計(jì)算的成本非常低。

對(duì)加速度在時(shí)間上進(jìn)行積分采用中心差分方法，在計(jì)算速度的變化時(shí)假定加速度為常數(shù)。應(yīng)用這個(gè)速度的變化值加上前一個(gè)增量步中點(diǎn)的速度來確定當(dāng)前增量步中點(diǎn)的速度：

(3)

速度對(duì)時(shí)間的積分加上在增量步開始時(shí)的位移以確定增量步結(jié)束時(shí)的位移：

(4)

4 結(jié)語

1)在海上鋼管樁的工程設(shè)計(jì)中可以利用ANSYS的動(dòng)力分析模塊對(duì)樁體進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)，模擬打樁發(fā)生拒錘時(shí)樁體的應(yīng)力、變形情況，為樁體設(shè)計(jì)提供參考，為優(yōu)化工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2)在樁端2 m和樁頭3 m的范圍內(nèi)為最危險(xiǎn)區(qū)域，該處樁端壁厚應(yīng)適當(dāng)加厚且與相鄰樁端壁厚的變化不應(yīng)較大。

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[2] 廖振鵬.工程波動(dòng)理論導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

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[5] API RP 2A. Recommended practice for planning, design and

constructing fixed offshore platforms-Working stress design[M].2002.

On safety analysis of hammer repelling in steel pipe piles

Wang Baoji

(SinopecPetroleumEngineeringCorporation,Dongying257026,China)

According to the hammer repelling on ocean jacket platform for steel pipe piles, the paper adopts the finite element software to establish the analysis model of the pole, undertakes the dynamic response analysis of the pile in the hammer repelling process, concludes the stress distribution and deformation curves, and reflects by the results that the dynamic analysis model in ANSYS can better simulate the dynamic response pf the piles in the repelling process, so as to provide some reference for optimizing design in projects by the method.

steel pipe pile, piling driving, hammering repelling, stress distribution

2014-12-15

王保計(jì)(1980- )，男，工程師

1009-6825(2015)06-0070-03

U655.544

A