樁土耦合的橋梁管樁渦激振動數值模擬★

華蘭亞 李 強 段瑋瑋

(浙江海洋學院，浙江舟山 316022)

0 引言

橋梁建設工程中，由于水流流經基樁時產生渦激振動引發的破壞事故時有發生，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鋼管樁正在施工過程中，未加設橫聯均處于單根獨立樁狀態，在水流作用下出現大幅劇烈晃動，幅度最大達50.7 cm，兩天后因長時間的大幅度共振造成鋼管樁沿樁身焊縫產生裂縫，部分鋼管樁發生斷裂而沖毀［1］;蘇通大橋鋼管樁在施工過程中樁產生很大幅度的擺動，產生斷樁情況，現場的監控錄像真實的反映了基樁的渦激振動實況［2］。

橋梁樁基渦激振動研究的焦點目前主要集中在結構和流體上，很少考慮土體的作用。而在實際工程中，橋梁管樁常深入土體數十米，土體的力學性質對管樁的渦激振動起著不可忽視的作用。鑒于此，本文充分利用有限元軟件Abaqus的非線性分析優勢，從樁土耦合的角度分析不同參數對管樁振動的影響，得出一些重要結論供工程參考應用。

1 模型受力簡化

在一定雷諾數下，當流體經過管樁時，會在管樁后面產生尾流，并周期性泄放漩渦。根據文獻［3］可知，由漩渦泄放產生的單位長度上的渦激升力近似處理為泄渦頻率的簡諧函數:

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

2 有限元實例分析

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:彈性模量E=200 GPa、樁長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:密度ρ=1 025 kg/m3，當雷諾數Re≥3.5×106時，渦街泄放處于超臨界階段，根據文獻［4］，CL=0.15。根據簡化式(1)，計算出流體力載荷，施加于有限元模型上;土體參數:為了簡化計算，樁周土假定為均質、各向同性體，土體密度為1 800 kg/m3，泊松比為0.3，為了降低邊界對分析區域的影響，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，樁土間的摩擦系數為0.2，土體采用摩爾—庫侖模型模擬。有限元計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 計算結果分析

3.1 流速對管樁振動的影響

圖2 流速對管樁振動的影響

由圖2a)可見，在相同土體剛度k=5×106N/m情況下，流速從1.8 m/s增加到2.5 m/s時，樁頂位移最大值從0.15 m增加到0.2 m，樁的振動周期由2 s減小到1 s，振動更加劇烈。這是由于當流速增大后，流體對泄渦頻率增加，根據式(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，管樁的振動并不是簡諧振動，而表現出一定的非線性，振動特征變化明顯，振動圖像說明了這一點。

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，樁身的側向位移。結果反映，樁身相對位移為0位置不在土體表面，而是在樁高14 m～18 m位置處。即樁可以被認為是固定在6倍～8倍樁徑土體表面以下。

圖3 土剛度對管樁振動的影響

3.2 土剛度對管樁振動的影響

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

4 結語

本文運用有限元軟件分析，主要得到以下結論:1)管樁振動周期隨著流速的增加而減小，并且振動更加劇烈。這對于跨海橋梁管樁的施工時合理的選擇施工時間具有一定的參考價值。2)管樁的不動點位置可以被認為是固定在6倍～8倍樁徑土壤表面以下。這對于跨海橋梁管樁的設計有一定的參考價值。3)當考慮鋼管樁的渦激振動時，土體的影響不可忽略。土剛度增大，在穩定流速下，振幅減小，振動迅速變緩。這對跨海橋梁管樁的建造地點具有一定的參考價值。

［1］戴祖生，牟 蕓.西江特大橋平臺鋼管樁渦激振動簡析及對策［J］.公路交通科技，2010(11):299-301.

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

［3］［美］布萊文斯RD.流體誘發振動［M］.北京:機械工業出版社，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例［M］.北京:科學出版社，2005.

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

［7］費 康，張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應用［M］.北京:中國水利水電出版社，2009.