形狀偏差對鋼管樁受力性能的影響

吳承華

(銅仁市公路勘察設計院)

1 數值計算參數

現有鋼管樁，其直徑為2 500 mm，壁厚為20 mm，材質為Q235，鋼管兩端開口。受沿管周并指向圓心的壓力。

用離心率e 描述橢圓環的扁度情況，則0 ＜e ＜1。e 越接近0，橢圓越圓，e =0 時即為圓形;反之，e 越接近1，橢圓越扁。

分析采用的橢圓尺寸如表1。

表1 橢圓離心率

鋼管樁的截面應力分析簡化為平面應變問題后，用ANSYS 軟件中的PLANE42 單元模擬。做彈性分析時，采用應力指標判斷鋼管樁截面是否屈服，即截面主應力S1、S3 與標準強度235 MPa 比較，判斷鋼管樁截面是否屈服。

2 扁度對受力性能的影響

根據ANSYS 數值分析結果，作不同扁度時鋼管樁截面的主應力－荷載圖及臨界荷載－離心率圖，以揭示扁度對鋼管樁受力性能的影響。

圖1 說明，隨著圓環漸變為橢圓環，截面的主應力S1、S3 急速增長。截面的主應力受橢圓環離心率的影響十分顯著。圖2 說明，隨著橢圓環離心率的增加，臨界屈服荷載急速下降;而且，主應力S3 的變化幅度大于主應力S1，橢圓環截面屈服受主應力S3 控制，表現為受壓屈服。

將半橢圓環的弧線長度拉直展開，作為X 軸，繪制應力沿弧線長度方向的分布圖，結果見圖3。內邊緣和外邊緣的徑向應力表現為方向相反、數值不等，受橢圓環離心率的影響增幅不等;環向應力則表現為方向相反、數值相等，受橢圓環離心率的影響增幅相等。

圖1 不同橢圓離心率時主應力的增長規律

圖3 沿弧長方向(環向)分布規律

為了對比分析，圖4 給出了不同橢圓離心率的計算結果，左側為變形圖，右側為主應力S3 應力云圖。

圖4 不同扁度鋼管樁在臨界荷載作用下的變形及主壓應力S3

3 結 論

數值分析表明，橢圓環扁度對鋼管樁截面受力影響很大。隨著圓環漸變為橢圓環時，離心率發生漸變，截面應力迅速增長，臨界屈服荷載急速降低。橢圓環的主應力S3 變化幅度大于主應力S1，初始破壞形態表現為局部受壓屈服。因此，鋼管樁的設計應留有較大的安全系數，以考慮這些因素的顯著影響。

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