基于Abaqus的采用p－y曲線法進行多種截面鋼管樁受力性能對比分析

文 | 劉莉媛，孫繼棟

基于Abaqus的采用p－y曲線法進行多種截面鋼管樁受力性能對比分析

文 | 劉莉媛，孫繼棟

背景

一、鋼管樁基礎概況

鋼管樁基礎具有承載力高、沉降小且均勻、抗震性能好等特點，能夠較好地同時承受豎向荷載、水平荷載以及風電機組運行產生的振動或動力作用，可打入較深的持力層。隨著我國鋼材產量的增加，鋼管樁防腐技術以及新材料的研發，特別是針對近海惡劣的環境條件和地質條件，鋼管樁以其較大的承載力、相對簡單的沉樁工藝、較小的排土量與良好的受力性能，在海上、陸上風電場及海港工程中得到了廣泛的應用。

隨著海上風電產業的迅速發展，單樁鋼管樁基礎呈現出直徑不斷增大、入土深度不斷加深的發展趨勢，樁基礎的設計重點也逐步由豎向承載力控制過渡到樁水平變位的有效控制。但受到施工運輸吊裝設備及鋼板Z向性能等的制約，鋼管樁的直徑和壁厚不能無限制的增大。為了使有限用鋼量下的鋼管樁發揮其最優的性能，降低鋼板厚度，本文提出了多種樁截面形式，并針對鋼管樁在泥面下一定深度內力最大的受力特點，將鋼管樁進行分段，每段截面采用不同的形式，對各種截面不同分段組合的鋼管樁的受力性能進行了對比分析。

二、鋼管樁承載力分析方法

風電機組基礎鋼管樁不僅承受自身和上部結構的自重等豎向荷載，還要承受環境荷載導致的水平荷載和彎矩，對于風電機組基礎而言，水平荷載和彎矩的影響要遠大于豎向荷載。樁基水平承載力的計算方法主要有彈性分析法、復合地基反力法和數值計算法。在較大水平荷載條件下，一般采用彈塑性分析模型，目前應用較為廣泛的是基于復合地基反力法的p－y曲線理論。該理論認為，當彈性樁樁頂受到水平荷載時，樁附近的土體從表面開始屈服，塑性區逐漸向下發展，p－y曲線法在土體塑性區采用極限地基反力法，在土體彈性區采用彈性地基反力法，能較好地模擬樁與土體的相互作用。p－y曲線法能如實地反映土的非線性屬性，是工程界和學術界普遍使用的一種計算方法。

對于p－y曲線的研究最早可追溯至Focht和McClelland（1956），兩位學者就試樁的實測反力－變位曲線與土的固接不排水室內三軸實驗應力－應變曲線進行對比研究。Matlock（1970）和Reese（1971）分別基于現場試驗和室內試驗給出了軟粘土和砂土的p－y曲線公式，Reese（1975）給出了硬粘土的計算公式。基于以上學者的研究，p－y曲線法在各國都得到了廣泛的應用和推廣，我國從上世紀80年代開始對p－y曲線進行研究。

目前國內外的研究和工程設計主要還是基于美國石油學會的API規范中對于p－y曲線的描述，挪威船級社DNV規范中也有類似的規定，中國海洋石油總公司等采用美國石油學會發布的API規范作為石油天然氣行業標準。

因此，本文基于Abaqus有限元軟件，對于土約束的模擬采用p－y曲線法（基于API規范），對多種截面形式以及分段組合的鋼管樁在設計荷載下的受力性能進行了對比分析。

有限元模型

有限元模型建模時，某一方向尺度（長度方向）明顯大于其它兩個方向的尺度，并且以縱向應力為主的結構，可以用梁單元進行模擬。但考慮到鋼管樁在水平荷載作用下，會受到土對樁側產生的反力，圓管截面自身形狀會因此發生改變，因此，當鋼管樁截面不再為純圓管時，殼單元模型便成了較好的選擇。因此，本節在用鋼量幾乎相同的前提下，針對不同截面形式和分段組合的鋼管樁，采用殼單元模型進行建模，對鋼管樁在相同荷載和相同土約束下的計算結果進行了對比分析。

一、基本參數

鋼管樁模型分為過渡段和樁身兩部分，過渡段高10m，直徑4.5m－6m由上至下漸變，壁厚60mm；樁身長70m，直徑6m，壁厚70mm，泥面以上樁長21m，泥面以下樁長49m，地基各土層參數見表1。依據API規范公式，推導出各土層的p－y曲線，作為Abaqus有限元軟件的參數，輸入樁身加載方向一側非線性彈簧約束中，來模擬土與鋼管樁的相互作用關系。通過分析，最大設計內力截面位于泥面下4.4m左右，因此樁身加強段定位泥面以上5m至泥面以下15m之間的部分（某些分段組合方式將加強段延伸至樁頂，以保證泥面以上樁身的水平剛度，控制水平位移），因此樁身被分為三段，樁上段長16m，中段長20m，下段長34m。

設計荷載的選取，應遵循樁基設計的首要原則，按照下列兩類極限狀態設計：承載能力極限狀態和正常使用極限狀態。承載能力極限狀態指樁基達到最大承載力、整體失穩或發生不適于繼續承載的變形。正常使用極限狀態指樁基達到建筑物正常使用所規定的變形限值或達到耐久性要求的某項限值。對于樁基的結構強度驗算，應采用極端荷載工況，對于結構變形的驗算，則應采用正常運行工況。將設計荷載等效至塔筒底部位置施加于有限元模型中，荷載取值如表2。

二、截面類型與組合

傳統的鋼管樁為純圓管截面，為保證其穩定性，規范對其最小壁厚作了明確的規定。API規范中規定樁的全場內的D/t比值應足夠小，以防止應力在達到樁材料的屈服強度前樁體發生局部屈曲，采用的最小樁壁厚度不應小于下面的兩個標準。

其中，t為壁厚，D為直徑。

根據國內《鋼結構設計規范GB50017－2003》，隨著鋼材厚度的加大，需要考慮Z向性能的影響，其設計強度有所降低，因此，為了提高鋼材的利用率，減小樁身鋼材厚度，在樁身受力較大的范圍內設置加勁肋，以保證降低壁厚不會導致局部屈曲發生。通過計算，增設加勁肋的確可以明顯降低鋼管樁壁厚，同時也應保證加勁肋自身的穩定性能。

通過對各種形式截面的鋼管樁對比分析發現，縱向加勁肋可以約束鋼管樁壁，但其自身穩定性不夠，因此需增設內環鋼管。另外，經過計算分析，縱向圓弧形加勁肋有著較好的穩定性，因此選擇了4圓弧肋和5圓弧肋兩種截面類型。考慮到水平荷載的作用方向，將4圓弧肋截面旋轉45度角后進行計算，各種截面形式如表3所示。

表1　地基土層參數表

表2　荷載工況及荷載取值

表3　截面類型

對于各種截面的組合，由于樁身較深處內力較小，可將其下段壁厚減薄。本文選用的進行計算分析的截面類型及其組合為表4所示的A－E共五種截面組合類型，表中括號中數值為鋼管樁外壁厚度，其余加勁肋厚度不再贅述。

三、模型的建立

模型采用Abaqus有限元軟件中的S4R殼單元，過渡段為圓臺形狀，各部分分別賦予鋼板壁厚即可。由于殼單元模型中鋼管樁側壁為殼面，施加非線性彈簧約束時，為保證不發生約束節點處的應力集中，劃分單元時單元應盡量小，而且需將彈簧施加至所有單元節點。樁頂施加荷載時，將頂端圓形邊界自由度耦合至圓心處定義的參考點，將荷載施加于此參考點上。各種截面組合的鋼管樁如圖1、圖2、圖3、圖4所示。

表4　截面組合類型

表5　各截面組合類型計算結果統計

圖1　A型鋼管樁模型示意

圖2　B型鋼管樁模型示意

圖3　C、D型鋼管樁模型示意

圖4　E型鋼管樁模型示意

圖5　A型鋼管樁應力云圖

圖6　B型鋼管樁應力云圖

圖7　C型鋼管樁應力云圖

圖8　D型鋼管樁應力云圖

圖9　E型鋼管樁應力云圖

圖10　分析結果統計

有限元分析結果

A－E五種組合形式的鋼管樁在設計荷載下的應力和位移計算結果如表5所示。設計荷載下的應力云圖如圖5、圖6、圖7、圖8、圖9所示，分析結果統計見圖10所示。

由圖10可以看出，A型（上段中段70mm壁厚，下段50mm壁厚）、C型（4圓弧肋）和D型（4圓弧肋－轉45°）三種鋼管樁截面組合類型的計算結果較為接近，其他三種截面組合類型應力和位移結果均較A型、C型和D型偏大。

對于4圓弧肋的截面形式，由于D型相對C型截面旋轉45度角，實際應用中應以應力和位移結果較大者作為此種截面形式的保守結果，因此以C型結果作為4圓弧肋截面形式的設計標準。

結論

通過p－y曲線法對多種截面和組合類型鋼管樁模型的承載性能進行分析，得到如下結論和建議：

（一）在用鋼量一定的前提下，增設加勁肋可提高鋼管樁穩定性能，從而可以減小壁厚，減少超厚鋼材的使用。

（二）A型、C型和D型兩種鋼管樁截面組合類型的計算結果較好，其他截面組合類型應力和位移結果均偏大；綜合考慮，C型截面組合類型在用鋼量相同的情況下，可有效減小圓鋼管的壁厚。

（三）由于A型鋼管樁上段和中段采用了70mm壁厚鋼管，此時鋼材的設計強度有所降低，但D型截面中采用的圓弧形加勁肋，使得鋼管樁加工難度增大，焊接等工作量增加，設計時可根據實際情況進行選用。

（作者單位：龍源（北京）風電工程設計咨詢有限公司）