淺析公路橋梁深水高樁基礎水平抗撞擊力的非線性有限元

徐洪昌

（義烏市共濟交通有限公司，浙江 義烏 322000）

引言

最近幾年隨著船舶運輸的加大，橋梁收到船舶撞擊而倒塌的時間偶爾會產生，特別是在廣東省的過道上發生的船舶撞擊橋梁倒塌事件，引起了業界人士的重視，這對促進橋梁結構的設計水平和技術起到了一定的促進作用。這些撞船事故引起工程師在進行橋梁結構的設計時，尤其是在對橋梁下部結構和基礎設計過程中，要把豎向承載能力與水平承載能力放到同樣重要的位置來看待。由于我國公路橋梁很多都是有了樁基礎，在《公路橋涵地基與基礎設計規范(2007)》里面，對于樁基礎的豎向承載能力有著詳細的計算方法的規定，但樁基礎的水平抗力的計算并沒有進行詳細的描述，而且相關的研究成果也很少。因此為了解決橋梁基礎的撞船安全設計問題，在對國內外相關研究文獻分析的基礎上，對深水高樁基礎水平抗力的計算方法等做出了深入的分析，得出了基于非線性有限元分析的計算步驟和方法，并在工程實例的分析下雨當前使用的規范計算方法進行了認真的對比。

1 關于橋梁樁基礎水平抗力非線性有限元的計算

1.1 對材料本構關系的分析

(1)針對無約束混凝土，可使用H ognestad本構模型，它的表達式為：表達式中:fc是混凝土應力；ε是混凝土應變；ε0是混凝土峰值應變；f′c是混凝土28d的圓柱體抗壓強度，它與標準棱柱體(150mm×150mm×300mm)抗壓強度R0c的關系式是：

(2)對于受箍筋約束的混凝土,其本構關系可使用Mander模型，即

公式里面：

公式里面：fl′是約束混凝土的有效側向約束應力;ke是有效約束的核心混凝土面積與核心混凝土總面積之比；ρs為箍筋的體積配筋率，ρs=Asp/(D s′)；fyh、Asp分別是箍筋的屈服強度和截面積；D′、s分別是箍筋的環箍直徑和箍筋間距；εsu為箍筋拉斷時的應變；fcc′、εcc和εc分別為約束混凝土的峰值應力、峰值應變和約束混凝土應變。當εc=εcu時，表示約束混凝土由于橫向箍筋失效導致其應變達到極值；截面抗彎承載能力達到極限狀態的標志就是約束混凝土受壓區邊緣的壓應變達到極值。

1.2 對橋梁高深樁結構分析模型

1.2.1 計算模型

橋梁深水高樁基礎的計算模型如圖1所示，在計算模型中，采用梁單元模擬橋梁的上部結構、橋墩和樁，將承臺模擬為剛性塊，采用非線性彈簧描述土，計算模型中考慮了幾何非線性的影響。

圖1 計算模型示意圖

1.2 水平抗力計算的基本假定與流程

深水高樁基礎水平抗力的計算與流程 (圖2)采用了如下假定：(1)截面在彎矩作用下，變形滿足平截面假定；(2)鋼筋和混凝土之間的受力過程中始終保持牢固粘結；(3)單元兩端之間的截面內力按線性內插，取單元兩端面的平均剛度作為單元剛度；(4)立柱和樁基截面在偏心受壓狀態下，受壓混凝土區最外緣壓應變達到極限應變(按材料本構關系確定)，并認為截面達到極限抗彎能力。由于在計算中考慮了幾何與材料非線性，因此采用增量加載方式進行數值計算。水平荷載的增量為ΔP，設第1步的求解已經完成，則可以計算該步控制截面的軸力Ni和彎矩Mi。對軸力Ni和彎矩Mi作用下截面開裂情況的判斷需根據材料的本構關系，通過迭代確定ε和φ。在本研究中采用美國加州大學伯克利分校編寫的Cyber程序來實現這個過程。截面極限抗彎能力由受壓區混凝土的應變值控制。當截面接近極限彎矩后將導致非常大的變形，此時結構達到極限狀態，所對應的水平荷載之和即為基礎的水平抗力。上述計算過程如圖2所示。

圖2 樁基礎水平抗力的計算原理和流程

3 結語

本文將深水高樁基礎作為研究的對象，考慮土的非線性特性和結構的非線性特點，闡述了基于非線性有限元計算樁基礎水平抗力的方法，對某國道上大橋進行了實際計算，在按照我國現行規范設計思想而提出的計算方法做出了對比分析，計算結果顯示文中所研究的方法用于該類橋梁樁基礎的防撞設計更加科學。針對深水高樁基礎橋梁的防撞等研究設計，未來的研究空間還很大，本文研究的方法和結果，需要在實踐中進行更好的檢驗。

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