啞鈴型承臺群樁基礎在船撞作用下受力分析

郝 翠 曹新壘

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

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啞鈴型承臺群樁基礎在船撞作用下受力分析

郝 翠 曹新壘

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

以某斜拉橋啞鈴型群樁基礎為研究對象，運用Midas-civil及Ansys有限元計算軟件，分析了啞鈴型群樁基礎在船撞荷載工況作用下的水平向受力規律，計算結果表明數值模擬分析結果與傳統“m”法計算存在較大差別，有限元分析結果更符合實際情況。

群樁基礎，水平荷載，船撞力，有限元分析

1 概述

橋梁基礎承受豎向荷載和橫向荷載。豎向荷載主要是恒載自重，橫向荷載主要有活載的偏心產生的彎矩、汽車制動力產生的水平力和彎矩、支座摩阻力、風荷載、地震作用下產生的水平力和彎矩及通航河流中船舶的碰撞力等。對于中小跨徑的常規橋梁基礎計算分析時，其橫向荷載通常僅考慮活載偏心產生的彎矩、汽車制動力產生的水平力和彎矩及支座摩阻力等的作用。這其中汽車制動力、支座摩阻力等荷載在水平荷載驗算中多數能滿足要求，而對于由地震作用和船舶撞擊產生的水平荷載，則多數情況下成為大型群樁基礎的控制性荷載。本文針對某斜拉橋橋塔群樁基礎，應用有限元分析軟件，計算了在船撞作用下群樁基礎的水平承載力分配規律，研究了群樁基礎水平承載特性，對于群樁基礎橋梁設計具有一定的參考價值，并且對大型橋梁基礎的防撞研究具有一定指導意義。

2 工程背景

某斜拉橋為跨江大橋，橋位處水利情況比較復雜，水流流速較大，航運繁忙；可通航水域廣，主塔基礎布置不能回避深水區及船舶撞擊；該水域通航船舶的噸位大、密度高、撞擊力大，位于航道中的橋墩與船舶的碰撞問題突出。根據相關船舶撞擊專題研究資料，大橋南塔基礎橫橋向船舶撞擊力達39.61MN，順橋向船舶撞擊力達19.81MN。

該橋橋塔基礎采用啞鈴型承臺接群樁基礎，樁基礎按端承樁設計。承臺尺寸80.3m×29.8m，承臺厚8.0m，封底混凝土厚3.0m。承臺下設36根鉆孔灌注樁。基礎平面布置見圖1。承臺采用C35混凝土，樁基采用C30水下混凝土，樁基鋼護筒采用Q235C鋼材。

3 船撞力分析

3.1 荷載工況

橫橋向船撞力作用下，可認為承臺整體受力；在順橋向船撞力作用下，由于船舶撞擊點集中在單側塔柱上，需考慮啞鈴型承臺不同部位承受船撞力的比例情況。目前對于啞鈴型承臺的群樁基礎船撞作用下群樁承載力分配問題的研究還較少，本文對于船撞力分配準則的研究，主要通過擬靜力的方式，將船撞力等效簡化為靜力進行加載分析。計算時考慮橫橋向船舶撞擊(1wt)的工況：恒載+基礎變位+船舶撞擊(1wt橫向)+活載(豎向力最大)+制動力+有車風荷載+溫度作用，以下簡稱為“驗算工況”。

3.2 船撞力分配規律分析

1)Midas-civil計算模型見圖2。

建立全橋計算模型，對樁基及承臺進行了模擬。主梁、主塔、墩柱、承臺及樁基礎等均采用梁單元進行模擬，斜拉索采用拉索單位模擬。樁底按固結考慮，支座位置按照實際布置進行模擬自由度。

承臺采用分離式+系梁的方式，每個圓形承臺和其下面的樁基剛性連接，系梁和其對應的樁基礎剛接，系梁及承臺采用層模擬的方式，每層厚2m，共8m高。

從Midas-civil計算結果可以看出，“驗算工況”作用下，被撞擊一側承臺樁基承擔84.8%撞擊力；中間橫系梁和另一側承臺共承擔近15.2%。計算時順橋向船撞組合可偏安全考慮，按照一半承臺分配85%撞擊力進行計算。順橋向撞擊力單獨作用下順橋向樁基剪力圖見圖3。

2)Ansys分析軟件計算結論。

Ansys分析時，僅模擬承臺及樁基礎，邊界條件考慮樁底固結。計算模型中承臺及樁基礎均采用Beam188梁單元進行模擬(見圖4)。

為研究不同樁長對船撞力作用時分配情況的影響，本次計算時選取樁長為85m與20m的兩種情況。

從圖5可以得出：“驗算工況”作用下，被撞擊一側承臺樁基承擔近70%撞擊力；承臺中間橫系梁和另一側承臺共承擔30%，其中系梁范圍內的樁基承擔了14%，其余由另一側承臺樁承擔。

從圖6可以得出：“驗算工況”作用下，被撞擊一側承臺樁基承擔近85%撞擊力；中間橫系梁和另一側承臺共承擔15%，其中系梁范圍內樁基承擔了11%，其余由另一側承臺樁承擔。因此計算順橋向船撞組合偏安全考慮，按照單側一半承臺分配85%撞擊力進行計算。

從以上兩個軟件不同方式的模擬分析，Ansys和Midas-civil計算模型均可得出一半承臺分配85%撞擊力進行計算是較為合理的；對于樁長較長的情況，承臺分配的撞擊力有所降低。

3.3 樁基受力分析

基礎在承臺底荷載作用下，一般角樁的受力較大，最為不利。以下僅列出最不利角樁計算結果作為控制性計算結果。樁基整體規模除了結構本身以外受船撞作用組合控制，樁基結構強度能否滿足要求是對樁基規模驗算的主要指標。

本次計算按照該規范要求采用“m”法進行樁身內力計算。在取得樁身內力的基礎上，按照JTGD62—2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范中第5.3.9條驗算圓形截面鋼筋混凝土偏心受壓構件正截面抗壓承載能力。在橫橋向順橋向與船撞組合作用下，受力最不利樁基承載能力計算結果如表1所示。

表1 橫橋向樁身截面強度計算結果

4 結語

1)傳統樁基的計算方法“m”法，水平剪力按照樁基數量進行均勻分配，不適用于大型群樁計算，綜合本文對斜拉橋啞鈴型群樁基礎在船撞作用下水平受力分析可知，數值分析模擬與“m”法存在很大差異性，且數值模擬計算結果更加符合實際；

2)船撞作用下，啞鈴型承臺一半承臺按照分配85%撞擊力進行計算是較為合理的；對于樁長較長的情況，承臺分配的撞擊力有所降低；

3)在船舶撞擊力作用下，群樁基礎水平受力不均勻，角點位置處的樁基受力最為不利，設計計算時應以此樁基作為控制性因素。

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Thebearingcapacityofthedumbbellshapedpile-capandgrouppilesundershipimpactload

HaoCuiCaoXinlei

(Anhui Transport Consulting & Design Institute Co., Ltd， Hefei 230088， China)

Bytakingthedumbbellshapedcapsupportingofcable-stayedbridgeastheresearchobject,thistextanalyzedtheruleofhorizontalbearingforthepilegroupfoundationundershipimpactloadcase,usingfiniteelementanalysissoftwareMidas-civil&Ansys.Thecalculationresultsshowthattherehasobviousdifferencebetweenthenumericalcalculationandthetraditional“m”method,andthenumericalcalculationaremoretallywiththeactualsituationcomparedwiththe“m”method.

pilegroupfoundation，horizontalload，shipimpactload，finiteelementanalysis

1009-6825(2015)01-0157-03

2014-10-26

郝 翠(1985- )，女，碩士，工程師； 曹新壘(1986- )，男，碩士，助理工程師

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