鋼管樁樁頭剪力鍵間距優化設計

馬 蓉,姚天寶

(1.包頭鐵道職業技術學院，內蒙古 包頭 014060；2.楚雄欣源水利電力勘察設計有限責任公司，云南 楚雄 675000)

鋼管樁廣泛應用于近岸和沿海碼頭工程、大型跨海大橋樁基和深水基礎中，鋼管樁與上部結構通常通過澆筑一段鋼筋混凝土連接在一起。為了提高鋼管樁與上部結構連接的整體性、鋼管與混凝土之間的黏結強度以及樁身承載力，工程中常在鋼管樁內壁沿環向焊接若干個有一定間距的剪力鍵(圖1)。這種結構在曹妃甸港、港珠澳大橋、杭州灣大橋等工程設計中均有應用。

圖1 鋼管樁樁頭剪力鍵構造

目前，國內外一些學者[1-5]通過對帶剪力鍵的鋼管樁進行試驗研究發現，剪力鍵能較大地提高鋼管的延性和整體性，混凝土剪力鍵溝槽處發生的剪切破壞是鋼管樁破壞的主要形式。Lotsberg[6]、郭銀[7]等初步推導出了軸力作用下鋼管樁樁頭混凝土的受力計算公式。喻宣瑞等[8-9]研究了鋼管樁中帶2對和帶3對剪力鍵的剪力鍵分配系數。剪力鍵作為鋼管樁與上部結構之間連接的重要構件，其尺寸構造、間距布置是影響鋼管樁受力性能的重要因素。大多學者對鋼管樁樁頭剪力鍵的破壞形式、受力特性等展開了深入的研究，但缺乏剪力鍵間距對鋼管樁受力性能影響方面的研究。同時，我國現行港口設計規范[10]、美國API規范[11]、挪威DNV規范[12]等均未對剪力鍵間距設計做出明確規定和指導性建議。對于帶多個剪力鍵的鋼管樁，合理布置剪力鍵間距對提高鋼管樁整體受力性能至關重要。

本文以樁頭帶兩個剪力鍵的鋼管樁為研究對象，利用ABAQUS建立三維鋼管樁軸向受力模型，探究剪力鍵間距對鋼管樁受力性能的影響，進而找出最優剪力鍵間距，為工程設計給予一定的參考依據。

1 數值模擬

1.1 模型尺寸及材料本構關系模型

為更好地探究剪力鍵間距對鋼管樁受力性能的影響，本文建立8組不同的模型，每組模型的樁長均為2.7 m，靠近底端的剪力鍵與樁底端固定距離為0.9 m。剪力鍵均采用矩形剪力鍵，其尺寸構造相同，厚度h=13.5 mm，寬度b=6.75 mm。編號S1～S4的模型樁徑D均為0.6 m，鋼管壁厚t=4.8 mm；編號S5～S6的模型樁徑D均為0.8 m，鋼管壁厚t=6.4 mm。剪力鍵間距分別為鋼管樁0.8D、1.0D、1.2D、1.4D。直徑D為0.6、0.8 m。模型見圖2，鋼管樁模型尺寸構造見表1。

圖2 鋼管樁模型構造(尺寸:mm)

表1 鋼管樁模型尺寸

選用C30混凝土，彈性模量Ec=33.5 GPa，泊松比ν=0.2，用塑性損傷模型來模擬混凝土塑性。鋼管和剪力鍵均用Q345鋼，彈性模量Es=206 GPa，泊松比ν=0.3，用Von Mises屈服準則等向彈塑性模型模擬鋼材的彈塑性。

1.2 單元類型與網格劃分

混凝土用八節點的三維實體C3D8R單元模擬，鋼管與混凝土用相同的四節點殼S4R單元模擬，縱筋與箍筋用兩節點線性桿T3D2單元模擬。為精確模擬出樁頭帶剪力鍵的鋼管樁在軸向壓力作用的受力變化情況，同時提高模擬計算的速度，模型網格采用不均勻劃分，剪力鍵附近的單元網格較密集，離剪力鍵越遠，單元網格越稀疏，網格最小尺寸為1.1 mm，最大尺寸為6.2 mm，共14 568個單元。

1.3 邊界條件設置

樁頂自由，樁底端采用固定約束。為了保證外部鋼管與內部混凝土兩者之間的變形協調(鋼管樁在未發生破壞之前，鋼管與混凝土在工程中通常不發生脫離)，混凝土環向受到約束，鋼管與混凝土采用殼-實體耦合的約束形式。鋼管與混凝土法向采用“硬”接觸模型模擬，切向黏結力采用庫侖摩擦模型模擬，摩擦參數取0.2。鋼筋混凝土內部的混凝土為主體區域，縱筋和箍筋為內置區域，這兩區域直接并合(merge)在一起，采用嵌入區(embedded region)定義混凝土、縱筋、箍筋三者之間的約束形式。

實際工程中，剪力鍵通常以焊接的形式固接在鋼管內壁，故采用Tie(綁定約束)單元將剪力鍵與鋼管、剪力鍵與混凝土連接在一起。

采用分步加載荷載的方式，在樁頂施加軸壓荷載，利用ABAQUS軟件采用增量迭代方式求解，并根據計算收斂結果自動確定加載步長。

2 模型驗證

Gebman[13]對21根不同構造的混凝土鋼管樁進行對比試驗，是迄今為止對帶剪力鍵的鋼管樁結構較為全面且系統的研究，本文采用Gebman試驗報告中的試驗數據與直徑為0.6、0.8 m的模型模擬值進行驗證，對比結果見圖3。

圖3 數模結果與試驗結果對比

由圖3可知，數值模擬值和Gebman試驗實測值基本吻合，且變化趨勢一致。當直徑為0.6 m時，實測值最大為3 567 kN，模擬值最大為3 485 kN，模擬值比實測值小2.3%；當直徑為0.8 m時，實測值最大為3 895 kN，模擬值最大為3 798 kN，模擬值比實測值小2.5%。說明有限元計算模型參數設置合理，可準確反映鋼管樁在軸壓作用下的實際狀況，可真實模擬荷載作用下鋼管樁的工作性能。

3 結果對比分析

由圖3可知，不同間距下，直徑為0.6、0.8 m的模型的模擬值大多小于實測值，出現這種現象的原因是建模過程中混凝土與鋼管之間摩擦系數取值偏小。通常情況下，混凝土與鋼管之間摩擦系數取值范圍為0.2～0.3，保守起見，本文在建模過程中取0.3。

隨著剪力鍵間距的增加，鋼管樁的承載力先增加后減少，當剪力鍵間距介于1.0D～1.2D時，鋼管樁承載力取得最大值。由圖3a)可知，當鋼管樁直徑為0.6 m時，鋼管樁承載力在剪力鍵間距為675 mm(即1.125D)附近取得最大值；由圖3b)可知，當鋼管樁直徑為0.8 m時，鋼管樁承載力在剪力鍵間距為840 mm(即1.05D)附近取得最大值。

綜上推測，隨著鋼管樁直徑的增大，剪力鍵最優間距逐漸減小。導致出現這種現象的原因是，軸向荷載作用下，混凝土與鋼管均會產生一定的環向變形，由于二者彈性模量不同，使其環向變形不同，混凝土與剪力鍵接觸位置產生較大的剪力，進而導致剪力鍵附近出現明顯的應力集中現象。同時，鋼管樁直徑越小，同尺寸的剪力鍵對鋼管樁樁芯混凝土的套箍作用越明顯，剪力鍵發揮作用的影響區域(即應力敏感區)越大，剪力鍵對鋼管樁剛度的影響越明顯。當剪力鍵間距較小，剪力鍵發揮作用的區域會發生重疊，剪力鍵附近的集中應力也會發生重疊，進而導致鋼管樁承載力下降；當間距較大時，剪力鍵處混凝土與鋼管之間變形差較大，剪力鍵間混凝土發生剪切破壞，進而鋼管樁承載力下降。

為了驗證上述推測，本文接下來將從剪力鍵對鋼管樁樁頭復合剛度、鋼管樁樁頭剪力鍵的受力兩方面的影響進行分析。

4 推理驗證

4.1 鋼管樁樁頭剪力鍵影響系數計算

依據鋼筋混凝土設計原理，作如下假定：1) 僅考慮鋼管樁樁頭樁芯混凝土和鋼管在彈性范圍內的變形，二者符合變形協調原理;2) 實際中鋼管壁所受的徑向應力遠遠小于其環向應力和軸向應力，故忽略鋼管壁的徑向應力;3) 軸向壓力作用下，鋼管和混凝土的橫截面形狀與截面面積不變;4) 僅考慮外部鋼管與樁芯混凝土之間存在摩擦力，忽略鋼管內部防腐涂層與泥皮對鋼管樁強度的影響。

基于變形協調原理，在軸向荷載作用下，鋼管樁樁頭剛度可視為鋼管剛度和核心混凝土的組合剛度，故鋼管樁樁頭復合剛度計算公式為：

EA=kysEsAs+kycEcAc

(1)

式中：EA為鋼管樁樁頭軸壓復合剛度；Es為鋼管彈性模量；As為鋼管橫截面面積；Ec為混凝土彈性模量；Ac為樁芯混凝土橫截面面積；kys為鋼管樁在使用期的剛度折減系數，因為建模未考慮使用期的剛度折減，故文中計算時kys=1；kyc為剪力鍵對鋼管樁剛度的影響系數。

依據材料力學和胡克定律，鋼管樁樁頭復合剛度和截面軸向應變之間的關系式為：

(2)

式中：N為軸向荷載；εz為樁頂的軸向應變。

聯立式(1)、(2)得：

(3)

依據圖3計算所得各個模型的承載力，對直徑為0.6 m的模型(即編號為S1～S4的模型)施加3 050 kN的軸向荷載，對直徑為0.8 m的模型(即編號為S5～S8的模型)施加3 250 kN的軸向荷載，模擬計算得到樁頂發生軸向應變值εz，在彈性范圍內計算剪力鍵對鋼管樁樁頭復合剛度的影響系數。圖4為不同剪力鍵間距li與剪力鍵對鋼管樁樁頭復合剛度影響系數之間的關系。

圖4 剪力鍵間距與鋼管樁樁頭復合剛度影響系數kyc關系

由圖4可知，剪力鍵對鋼管樁樁頭復合剛度的影響系數始終大于1.0，這表明了剪力鍵能夠提高鋼管樁的復合剛度，進而起到提高鋼管樁的承載力的作用。其原因為，當鋼管樁受到軸向壓力時，樁芯混凝土受壓，剪力鍵和外部鋼管剛度較大，鋼管約束了混凝土環形變形，剪力鍵的套箍作用不僅約束混凝土的軸向變形，而且提高了樁芯混凝土與鋼管之間的黏結強度。

當鋼管樁直徑、樁長、剪力鍵尺寸等一定時，剪力鍵對鋼管樁樁頭復合剛度的影響系數kyc隨著剪力鍵間距的增大先增加后減小，其變化趨勢與圖3類似。由圖4可知，剪力鍵影響系數kyc在剪力鍵間距為1.0D～1.2D時，取得最大值kycmax。當鋼管樁直徑為0.6 m時，剪力鍵對鋼管樁復合剛度的影響系數最大值在剪力鍵間距為720 mm(1.2D)附近取得最大值；當鋼管樁直徑為0.8 m時，剪力鍵對鋼管樁復合剛度的影響系數最大值在剪力鍵間距為720 mm(1.2D)附近取得最大值；鋼管樁承載力在剪力鍵間距為800 mm(1.0D)附近取得最大值。這一結果充分驗證了第3節中的分析推測。

當直徑為0.6 m時，剪力鍵間距li=0.8D、li=1.0D、 li=1.2D、li=1.4D所對應的鋼管樁復合剛度影響系數分別為1.09、1.19、1.34、1.16，即間距為1.0D的影響系數較間距為0.8D的增加了9.2%，間距為1.2D的影響系數較間距為1.0D的增加了12.6%，間距為1.4D的影響系數較間距為1.2D的降低了15.5%。當直徑為0.8 m時，剪力鍵間距li=0.8D、li=1.0D、 li=1.2D、li=1.4D時所對應的鋼管樁復合剛度影響系數分別為1.13、1.39、1.23、1.11，即間距為1.0D的影響系數較間距為0.8D的增加了23.0%，間距為1.2D的影響系數較間距為1.0D的增加了11.5%，間距為1.4D的影響系數較間距為1.2D的降低了9.8%。

由此分析得，剪力鍵間距對鋼管樁樁頭復合剛度影響效果明顯，樁徑較小時，剪力鍵間距為1.2D時對鋼管樁樁頭復合剛度影響較大；樁徑較大時，剪力鍵間距為1.0D時對鋼管樁樁頭復合剛度影響較大。由此推測，樁徑增大，剪力鍵間距可適當減小，這樣更有利于充分提高鋼管樁的整體剛度，進而達到提高樁身整體受力性能。

4.2 剪力鍵間距對鋼管樁樁頭剪力鍵的受力影響

剪力鍵間距對鋼管樁樁頭剪力鍵的受力影響存在區域性，為了探究剪力鍵的受力敏感區，進一步優化剪力鍵間距的設計，本文以剪力鍵間距li=0.6D為基準，依次遞增0.1D,模擬分析剪力鍵間距對各個剪力鍵承載力的影響。

圖5 剪力鍵間距與受力關系

圖5為樁徑為0.6、0.8 m的鋼管樁樁頭各個剪力鍵的受力情況。由圖5可知，鋼管樁樁頭上部的剪力鍵受力明顯高于下部的剪力鍵，當剪力鍵間距在0.9D～1.2D時，上部剪力鍵和下部剪力鍵的受力發生突變，剪力鍵間距對各鍵受力影響十分明顯。當剪力鍵間距小于0.9D或者大于1.2D時，各個鍵受力變化比較平緩，剪力鍵間距對各鍵受力影響較小。當直徑為0.6 m時，剪力鍵各鍵的受力在剪力鍵間距為1.0D處取得最大值；當直徑為0.8 m時，剪力鍵各鍵的受力在剪力鍵間距為1.1D處取得最大值。

綜上所述，當鋼管樁樁頭帶有2對剪力鍵時，剪力鍵的受力敏感區為0.9D～1.2D，隨著樁徑的增加，剪力鍵的最優間距變小，但最優間距始終在1.0D附近。

5 結論

1)樁徑較大時，剪力鍵發揮套箍作用的影響區域小，鋼管樁承載力在剪力鍵間距li=1.0D附近處取得最大值；樁徑較小時，剪力鍵發揮套箍作用的影響區域大，鋼管樁承載力在剪力鍵間距li=1.2D附近處取得最大值。

2)剪力鍵能夠提高鋼管樁樁頭復合剛度，剪力鍵對鋼管樁樁頭復合剛度的影響系數kyc隨著剪力鍵間距的增大先增加后減小，剪力鍵影響系數kyc在剪力鍵間距為1.0D～1.2D長度時，取得最大值kycmax。樁徑增大，剪力鍵最優間距可適當減小，這樣更有利于充分提高鋼管樁的整體剛度，進而達到提高樁身整體受力性能。

3)對于樁頭有2對剪力鍵的鋼管樁，鋼管樁樁頭上部的剪力鍵受力明顯高于下部的剪力鍵，在剪力鍵間距為0.9D～1.2D時，間距對剪力鍵的受力影響較大。