對深水高樁基礎水平抗撞擊力的非線性有限元研究

劉清海

(河北省內丘縣公路管理站)

1 引言

隨著交通運輸的日益發展，許多公路等的橋梁建設需要跨海、跨河，而支撐橋梁結構的基礎都是浸泡在水中的，近年來船舶運輸的不斷增加，橋梁的支撐機構基礎不可避免的要受到船舶的頻繁撞擊，特別是在臨海城市，因船舶的撞擊而造成的橋梁的坍塌事故層出不窮，也因此引起了社會各界的重視，人們開始注重提高橋梁結構的設計水平和技術。在以前的橋梁結構設計中設計人員往往只考慮到了橋梁下部結構以及基礎結構的水平承載能力的加強而忽視了水平抗撞擊力加強，然而，隨著撞船事故的發生，橋梁設計人員逐漸意識到了必須同等考慮橋梁下部結構和基礎結構的水平承載力和豎向承載力。在我國大多數的公路橋梁都有樁基，但是相關規范中僅僅明確規定了樁基豎向承載力的計算方法，對于橋梁樁基的水平抗撞擊力的計算卻沒有明確的方法，與其相關的研究成果也比較少。為了解決橋梁水平抗撞擊力的設計問題，深入分析了深水高樁基礎水平抗撞擊力的設計與計算方法，對比了我國的規范設計思想下的計算方法，最終提出了非線性有限元分析的計算方法，并證明了此法的適用性。

2 深水高樁基礎水平抗撞擊力的非線性有限元的計算方法分析

2.1 橋梁高樁基礎水平抗撞擊力的非線性有限元的計算方法

(1)Hognestad本構模型主要適用于無約束混凝土，其計算公式可以表示為F=0.85R/0.7，E=2.0×0.85F'/E'，其中F表示混凝土的應力，E表示混凝土應變，E'表示混凝土峰值應變，F'指的是混凝土28d的圓柱體抗壓強度，R表示標準棱柱體(150mm×150mm×300mm)的抗壓強度。

(2)Mander模型適用于受箍筋約束的混凝土，其計算公式為F=F'(E1/E2)r/{r-1+(E1/E3)}，其中F'表示約束混凝土峰值應力，E1表示約束混凝土應變，E2表示峰值應變，并且F'和E2還有各自的換算公式，可以換算出約束混凝土因為橫向的箍筋失去約束效果而形成的峰值，經計算可知，當約束混凝土受壓區邊緣的壓應變達到極值時就表示截面抗彎承載能力已經達到極限狀態。

(3)理想彈塑性模型一般用來表示鋼筋的本構關系，可用公式表示為Q=ES(-a≤E≤a)，Q=b(a＜E≤c)，其中，a表示鋼筋的屈服應力，b表示鋼筋的屈服應變，E表示為彈性模量，S為混凝土應變，c是極限應變(c=0.1)。

2.2 橋梁高樁基礎結構分析模式

在橋梁高樁基礎計算模型中使用梁單元模擬橋梁的上部結構、橋墩和樁基，采用承臺模擬剛性快，通過非線性彈簧描述土，并將幾何非線性因素的影響考慮在計算模型中;在此基礎上，計算樁—土非線性相互作用，此為對于深水高樁基礎水平抗撞擊力計算的關鍵性步驟，在此步驟中要考慮樁身的邊界非線性，模擬樁與砂性土之間的相互作用。結構分析模式中涉及計算公式比較繁雜，這就要求設計人員更加仔細和耐心的完成此項工作。

2.3 深水高樁基礎水平抗力的計算假定與計算步驟

計算的基本假定總共包括以下四點:(1)在受力過程中保證鋼筋與混凝土之間的粘結足夠牢固;(2)彎矩作用下的截面其變形符合平截面假定的要求;(3)樁基與立柱截面受壓時，受壓混凝土邊緣壓力應該達到極限應變，認為截面的抗彎能力達到極限狀態;(4)單元兩端間的截面內力按線性內插，單元剛度用單元兩端的剛度平均值表示。結合集合與材料非線性的影響，采用增量加載法完成相關計算，假定二的求解完成后，可以算出控制截面的軸力以及彎矩，然后根據材料的本構關系來判斷在此軸力和彎矩的作用下的截面的開裂狀況，再通過相關的計算得到所需數據。此次研究使用的是Cyber程序，截面受壓區混凝土的應變值控制決定截面的極限抗彎能力，截面幾乎快達到極限彎矩后會產生極大的變形，結構在此時處于極限狀態，基礎水平抗力就等于與之對應的水平荷載的總和。

3 實例分析

在此次的實例分析中，獲取了七里河大橋的相關設計數據，分別應用非線性有限元計算方法和國家規范的計算方法進行相關數據的運算，以求證非線性有限元計算方法的實用性。

在此實例中，橋梁橋墩、承臺以及樁基等均使用的是79規范的250號混凝土，樁身的豎向鋼筋使用的是25mm的二級鋼筋，由上至下在長度為6、40以及7.4m得區段內分別配置鋼筋72、36、18根。略微有風化地花崗巖上的覆蓋層由下至上依次為弱風化花崗巖、軟石、粗砂，根據交通部的先關工程及施工技術規定，以及使用材料的情況獲得所需的抗壓強度、最大摩擦阻力等的標準數據，以應用于計算。

根據上述中關于非線性有限元的設計計算方法和國家規范設計思想下的計算方法，選擇連續的6個橋墩，分別計算，應用非線性有限元法算出的1～6個橋墩的最大沖刷抗力依次為2000、2100、2600、2900、8300、19500，應用基于國家規范的算法算得的數據對應的是2050、2350、3150、3600、11950、24500。從計算結果來看，不難發現非線性有限元的設計計算方法和國家規范設計思想下的計算方法的計算結果具有一定的差距，但是，相比之下，采用國家規范設計思想下的計算方法得到計算結果比較大，造成這種結果的原因可能是由于國家規范設計思想下的計算方法并沒有將土的非線性性質以及結構的非線性性質考慮在內。進分析可知，在設計計算方法的過程中如果沒有將土的非線性性質以及結構的非線性性質對受力情況的影響考慮在內，那么很可能因此而使深水高樁基礎的水平抗擊力的估算值整體偏高，若采用此計算結果來作為橋墩抗撞擊力的設計參數就一定會造成較大的安全隱患。而本文中提出的深水高樁基礎水平抗撞擊力的非線性有限元計算方法，全面的考慮了包括土的非線性性質和結構的非線性特性在內的各種影響深水高樁基礎的水平抗擊力估算值的因素，保證了橋梁深水高樁基礎水平抗撞擊力的估算值的準確性，是一種較為準確、合理、安全的橋梁防撞設計的計算方法，適用于橋梁深水高樁基礎水平抗撞擊力的計算。

4 總結

通過對深水高樁基礎的抗撞擊力的研究，并綜合考慮土的非線性性質以及結構的非線性特性等因素對于橋梁支撐結構的受力影響，樁基礎水平抗撞擊力的計算提出了有利于提高樁基礎水平抗撞擊力計算準確性的非線性有限元設計計算方法，并將其應用到實際橋梁工程的設計計算中，與國家規范思想下的計算方法算出的結果進行對比和分析，證明了非線性有限元計算方法對于深水高樁基礎水平抗撞擊力計算的切實可行性和合理性。

隨著交通運輸的日益發展，許多公路的橋梁建設需要跨海、跨河，而支撐橋梁結構的橋墩一般都是浸泡在水中的，再加上近年來船舶運輸的不斷增加，橋墩受到船舶的撞擊力不斷增加，嚴重影響到了橋梁支撐結構的安全性。非線性有限元設計計算方法雖說能夠跟好的計算樁基礎的水平抗撞擊力，但還需要不斷實踐，面對新的挑戰仍需要研發更加合理和科學的橋梁基礎防撞設計，拓展更大的研究空間，進一步優化深水高樁基礎橋梁的防撞設計，提高其安全性能。

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