基于sap2000的鋼管樁基礎承載力分析

張文遠

（中交第三公路工程局有限公司，北京 100107）

0 引言

鋼管樁由于具有較強的抗沖擊性能和較高的承載力，以及施工工藝簡單、回收方便等優點，在建筑施工臨時設施的基礎設計中得到了廣泛的應用。

赤道幾內亞Mbini大橋臨時施工鋼棧橋基礎采用直徑為63cm的鋼管樁，在基礎設計中利用有限元分析軟件sap2000對鋼管樁進行結構分析，得出鋼管樁結構內力，按照m法進行樁基礎的設計，經過實踐檢驗計算方法安全可靠。

本論文對鋼管樁的受力分析計算的方法進行了詳細的論述，希望能夠對廣大工程技術人員的工作起到指導借鑒作用。

1 鋼管樁有限元計算

1.1 計算荷載

1.1.1 樁頂上部結構自重

按照Mbini大橋鋼棧橋結構設計，上部結構自重為51.368kN。

1.1.2 棧橋設計荷載

Mbini大橋臨時鋼樁橋設計荷載為50t履帶吊荷載+25t吊重荷載，合計75t。

1.1.3 風荷載

赤道幾內亞最大風速取V=14m/s[1]。風荷垂直作用于棧橋上，根據《港口工程荷載規范》（JTJ 215—98），風荷載標準為：

式中：wk——風荷載標準值，kPa；

μs——風荷載體型系數；

μz——風壓高度變化系數；

w0——基本風壓，kPa，w0＝v2/1600；

V——港口附近的空曠平坦地面距地面10m高、30年一遇10min平均最大風速，m/s。

wk=μsμzw0=1.0×1.17×0.1225=0.413kPa

1.1.4 作用在鋼管上的水流力

水流力標準值為：

Pw=Cw（ρ/2）V2B（擬以線荷載形式輸入）

式中：Pw——水流力標準值，kN/m；

V——水流設計流速，m/s，取斷面平均流速v=3m/s。

Cw——水流阻力系數；

ρ—水的密度，1.0t/m3；

B——鋼管樁寬度（即直徑），B=0.63。

考慮前后墩之間的水流遮擋效應產生的折減，則有：

查《港口工程荷載規范》（JTJ 215—98）表13.0.3-2得后樁m1=0.63，前墩為1。

查（JTJ 215—98）表13.0.3-5得后樁m2=1。

墩柱相對水深影響系數：

考慮以上所有修正后，迎水面管樁計算公式為：

后排管樁計算公式為：

前排Φ630×8：

轉換為集中力：

Fw=2.07×17.77=36.8kN，作用點高程H=18.41m后排Φ630×8：

轉換為集中力：

Fw=1.7×17.77=30.2kN，作用點高程H=18.41m

1.2 荷載組合

荷載組合公式為：1.2×結構自重+1.1×履帶吊工作荷載+水流荷載+風載[2]

1.3 鋼管樁計算模型及內力分析

采用sap2000建立模型（見圖1），施加荷載進行內力分析（見圖2）。

圖1 鋼管樁受力模型

圖2 鋼管樁位移圖

鋼管樁在地面線位置（河床頂面）所受最大內力如下：

最大彎矩M0=260kN·m；

最大剪力Q0=49kN；

最大軸力Nmax=898.96kN。

采用m法求Mmax，過程見表1。

表1 m法計算結果表

以Mmax=367.5kN·m、Nmax=899kN為復核內力求最大應力，進行強度復核。

鋼管樁Wx=0.0051m3， A=0.0158m2， Ix=404638 cm4，

強度復核：

強度驗算：

強度驗算：

驗算時主要構件取Q235鋼材允許強度。

2 摩擦樁承載力復核

對于按照此方法計算的摩擦樁需進行豎向承載力驗算，端承樁豎向承載力不予復核。

豎向承載力驗算公式為：

式中：Qd——單樁垂直極限承載力設計值，k N；

U——樁身截面周長，m；

qfi——單樁第i層土的極限側摩阻力標準值，kPa[4]；

Li——樁身穿過第i層土的長度，m；

qR——單樁極限端阻力標準值，kPa；

A——樁身截面面積，m2；

γR——單樁垂直承載力分項系數，根據工程具體情況分析確定，取1.6。

設計樁長取30m，經計算，得：

Qd=630kN＞Nmax=600kN，符合要求。

3 結語

筆者多年從事橋梁工程施工和建筑施工臨時設施設計工作，通過對諸多臨時工程的樁基設計和試驗，總結了基于sap2000的鋼管樁基礎設計計算方法，經過Mbini大橋臨時鋼棧橋的實踐檢驗和傳統計算方法的對比復核，計算方法值得在鋼管樁基礎的施工設計過程中借鑒和應用。

[1]中國路橋工程有限公司.赤道幾內亞Mbini大橋施工圖設計第三冊測量地勘[Z].北京：中國路橋工程有限公司，2010.

[2]JTJ 215—98，港口工程荷載規范[S].

[3]JTJ 248—2001，港口工程灌注樁設計與施工規程[S].