吸力式桶體基礎結構鋼筋骨架失穩研究

李亞，程澤坤

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海200032）

吸力式桶體基礎結構鋼筋骨架失穩研究

李亞，程澤坤

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海200032）

連云港徐圩防波堤工程吸力式桶體基礎（SBF）為大尺寸混凝土薄壁結構，施工中鋼筋骨架容易發生失穩。基于特征值屈曲理論和有限單元法，研究鋼筋骨架高度、邊界約束條件、鋼筋直徑等因素對骨架穩定性的影響。計算發現，底部約束和側向支撐可以顯著提高穩定性；僅增加豎向鋼筋直徑不能保證穩定性提高；采用邊界類型IV得到的穩定系數滿足規范要求。提出鋼筋骨架防失穩施工方案，實際工程驗證了其可行性。

吸力式桶體基礎；鋼筋骨架；特征值屈曲；有限單元法；失穩

1 工程概況

吸力式桶體基礎（Suction Bucket Foundation，簡稱SBF）結構常應用于近海工程中[1]，這種結構主要利用桶體和地基土的相互作用提供基礎承載力。連云港徐圩防波提工程直立式防波堤即采用SBF結構形式，桶體為混凝土薄壁結構，結構平面近似橢圓形（30 m×20 m），桶體內部布置井字形格板以增加結構整體剛度和結構與土體之間的阻力，桶體高9 m，外壁厚400 mm，內格板厚300 mm（見圖1）。施工中利用負壓將結構安裝至泥面以下。

SBF結構處于海洋環境中，荷載作用復雜，并長期承受海水的化學侵蝕作用，設計中對可靠性和耐久性要求高；而SBF結構的工作機理要求其具備較大尺寸，加上本身為薄壁結構，導致預制施工中鋼筋骨架容易失穩，從而影響其制作質量和受力性能。目前，規范中尚沒有鋼筋骨架穩定計算與設計的相關要求，僅有施工制作方面的規定，但鋼筋骨架如同普通鋼結構一樣，存在失穩問題。本文基于特征值屈曲理論，采用有限單元法研究本工程SBF結構鋼筋骨架的穩定性，提出實際施工中鋼筋骨架防失穩方案。

2 結構特征值屈曲方程

特征值屈曲基于小變形彈性理論，是一種理想線性屈曲[2-3]。結構增量平衡方程為：

圖1 桶體基礎結構圖（單位：mm）Fig.1 Structure plan and section of SBF(mm)

式中：[Ke]為結構的彈性剛度矩陣；[Kσ（P0）]為初始荷載{P0}作用下結構的幾何剛度矩陣；λ為荷載因子；{ΔU}為結構位移增量；{ΔP}為結構外力增量。

特征值屈曲發生時滿足：{ΔP}→0，{ΔU}≠0；可得到特征值屈曲方程為[4-5]：

于是結構屈曲分析可以歸結為求解方程（2）的特征值問題，進一步可得臨界荷載{Pcr}=λmin{P0}（λmin為穩定系數）。本文屈曲方程求解方法采用有限單元法[6]。

3 SFB結構鋼筋骨架穩定性計算

3.1 計算前提條件

桶體外壁和格板的鋼筋骨架均由內外兩層鋼筋網構成，鋼筋交叉點采用綁扎連接。鋼筋網格周邊的兩行鋼筋的相交點全部扎牢，中間部分交叉點間隔交替扎牢。在有限元計算中，建立耦合約束方程保證交叉點處水平和豎直方向2根鋼筋上2個節點的平動自由度相同，轉動自由度各自獨立。鋼筋骨架底部結點無平動，但是可以根據實際約束情況考慮有轉動（鉸接）和無轉動（固接）兩種情況。另外，為了提高鋼筋骨架的穩定性，可通過設置定位支架提供沿高度分布的側向支撐點。本文主要考慮4種邊界條件：

邊界類型I：鋼筋骨架底部鉸接，在外壁和格板連接處設置側向支撐，如圖2（a），系列支撐點沿高度間距400 mm。

邊界類型II：鋼筋骨架底部鉸接，在外壁鋼筋網對稱面上設置側向支撐，如圖2（b），系列支撐點沿高度間距400 mm。

邊界類型III：鋼筋骨架底部固接，不使用定位支架。

邊界類型IV：鋼筋骨架底部固接，側向支撐設置同邊界類型I。

本工程中SBF結構主要配筋如表1。

圖2 鋼筋骨架側向支撐Fig.2 Lateralsupport of reinforcement skeleton

表1 SBF結構配筋統計表Table1 The reinforcement of SBF

3.2 結構穩定有限元計算

計算選用ANSYS 13.0軟件，采用BEAM188三維梁單元模擬鋼筋的力學行為。鋼筋骨架有限元模型（1/4模型）平面視圖如圖3，橫格板與外壁連接處鋼筋骨架局部詳圖見圖4。

經過有限元計算，可得到4種邊界類型情況鋼筋骨架失穩模態如圖5。

按照原設計條件，當綁扎高度分別為3.0 m、6.0 m、9.0 m時，鋼筋骨架穩定系數見表2。另外，考慮將豎向鋼筋直徑由16 mm增大到18 mm，重新計算穩定系數，結果見表2。

圖3 鋼筋骨架有限元模型（1/4模型）Fig.3 FEMmodelof SBF(1/4 model)

圖4 橫格板與外壁連接處局部詳圖Fig.4 Connection detailfor outer and inner wall

圖5 鋼筋骨架失穩模態圖Fig.5 Instability modes ofthe reinforcement skeleton

表2 穩定系數計算結果Table2 Results of stability coefficients

分析穩定系數計算結果可以發現：

1）隨著鋼筋骨架綁扎高度的增加，穩定系數變化趨勢與邊界類型密切相關。對于底部為剛接的邊界類型III和類型IV，穩定系數減小，無側向支撐的類型III減小幅度遠大于有側向支撐的類型IV。對于底部為鉸接的邊界類型I和類型II，穩定系數分別呈現先增加后減小和逐漸增加兩種趨勢，這與綁扎高度增加帶來的整體重量以及剛度變化有關。

2）對比發現，底部固接約束和側向支撐可顯著改善鋼筋骨架穩定性。側向支撐宜布置在縱橫鋼筋網交點處，此時失穩變形主要發生在縱格板鋼筋網，為局部失穩，穩定系數高；且失穩區域內外層鋼筋網呈現非同相變形，可通過增設拉結鋼筋進一步提高其穩定性。側向支撐點布置在骨架薄弱處或無側向支撐時，結構趨向整體失穩形式，且內外層鋼筋網呈現同相變形，兩者無法相

互“扶持”。

3）豎向鋼筋直徑增大到18 mm時，穩定系數變化趨勢與骨架底部約束類型、鋼筋綁扎高度相關。骨架底部為固接的類型III和類型IV，穩定系數增加；骨架底部為鉸接的類型I和類型II，穩定系數在綁扎高度為3 m和6 m時減小，綁扎高度為9 m時增加。可見，僅增加鋼筋直徑可以提高其單根鋼筋剛度，并不能保證骨架整體穩定性的增加。

4）依據網殼結構規范，采用彈性分析時，穩定安全系數Ks可取4.2[7]。根據計算，采用邊界類型III或類型IV且限制骨架高度3.0 m時，穩定系數大于Ks，能滿足規范要求。

根據計算分析，本工程在實際施工中鋼筋骨架邊界條件按照類型IV實施，采取分層綁扎澆注方法，并保證骨架自由高度3～6 m之間（由于鋼筋骨架為施工過程中的臨時結構形態，故穩定安全系數要求可適當降低），在結構預制過程中未發生鋼筋骨架失穩現象，保證了SBF結構制作質量。

4 結語

1）SBF結構鋼筋骨架的穩定性主要與骨架底部約束條件、側向支撐條件、鋼筋直徑、綁扎高度等因素有關系。底部約束條件和側向支撐條件對穩定性有顯著影響；僅增加豎向鋼筋直徑可以提高單根鋼筋剛度，整體穩定性能不一定得到改善，必須綜合考慮多個因素，著重改善底部和側向約束，遏制整體失穩形態的發生，才能提高鋼筋骨架穩定性。

2）根據計算分析結果，在施工中采取分層綁扎澆筑方法，邊界約束選用類型IV，并限制骨架自由高度，解決了SBF結構預制中鋼筋骨架失穩問題，驗證了計算分析結論的可靠性。

3）本文的研究主要建立在線性穩定理論基礎上，有限元模型中考慮了水平鋼筋相對于豎向鋼筋的形心位置偏移引起的附加力作用。由于鋼筋骨架的制作精度低于普通鋼結構，初始缺陷程度較高，本文的計算結果與實際情況有一定誤差，但是鋼筋骨架為臨時結構狀態，對穩定計算精度要求低于普通鋼結構，利用本文方法進行穩定預測基本滿足工程需要。

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[7]JGJ 7—2010，空間網格結構技術規程[S]. JGJ 7—2010,Technical specification for space frame structures [S].

Instability study on reinforcement skeleton of suction bucket foundation structure

LIYa,CHENG Ze-kun
（CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai200032,China）

Owing to large-size dimensions of the Suction Bucket Foundation(SBF)applied by Xuwei breakwater in Lianyungang,the reinforcement skeleton tends to lose stability during construction.Based on the eigenvalue buckling theory and finite element method,we studied the influence of the reinforcement skeleton'height,the boundary constraint,and the diameter of bar on the stability of reinforcement skeleton.It is found that,using the bottom boundary constraint and the lateral support can greatly improve stability;the increase of bar's diameter cannot guarantee more stable;the stability coefficient calculated according to boundary condition IV can meetrequirementof the nationalstandard.Additionally,construction method is presented to ensure the stability ofthe reinforcementskeleton,which has been proved effectively in practice.

suction bucket foundation;reinforcement skeleton;eigenvalue buckling;finite element method;instability

U652.74

A

2095-7874（2015）12-0033-04

10.7640/zggwjs201512008

2015-06-16

李亞（1983—），男，碩士，工程師，從事水工結構設計與數值分析工作。E-mail：ethanharvard@qq.com