橫豎向荷載共同作用對H 型鋼樁橫向承載力的影響分析

甘采華 吳冬蘭

摘要：由于H型鋼樁受力性能良好，常被用于整體橋樁基礎中。文章通過建立有限元模型，分析橫豎向荷載共同作用對H型鋼樁基橫向承載力的影響，得出了在橫豎向荷載作用下H型鋼樁基最大水平變形的理論計算式，其計算值與有限元計算值吻合良好。結果表明：考慮豎向荷載后，H型鋼樁的最大等效應力提高了4.89%，強軸水平受力的H型鋼樁的最大位移降低了23.6%，豎向荷載可能降低H型鋼樁的橫向承載力;橫豎向荷載作用下，H型鋼樁的最大變形均出現在樁頂位置處，強軸水平受力的樁基更易變形，樁基應力更大，但弱軸水平受力時，樁基屈服范圍更廣;強軸水平受荷時，最大變形為155.5 mm，相對弱軸水平受荷時的大44.79%;樁頂達到極限承載力時對應的樁頂位移相差不大，但強軸水平受荷時的承載力是弱軸水平受荷時的2.7倍。設計時應考慮將H型鋼樁的強軸向設為水平受力方向，并考慮豎向荷載對樁基橫向受力的影響。

關鍵詞：橫豎向荷載;H型鋼樁;整體橋樁基礎;強軸;弱軸

0 引言

隨著橋梁使用年限的增加，橋梁伸縮縫的病害越來越嚴重，而且伸縮縫破壞帶來的養護維修費用與養護時中斷交通引起的間接費用數額巨大[1]。針對伸縮縫的耐久性問題，有學者提出：“沒有伸縮縫就是最好的伸縮縫。”整體式橋臺橋梁取消了橋臺處的伸縮縫與支座，其上部結構主梁與下部結構橋臺、樁基形成整體[2]。

H型鋼樁由于具有截面形狀經濟合理，力學性能好等優點，被廣泛應用于國外整體橋樁基中[3]。目前，已有較多學者針對H型鋼樁的受力性能進行研究。SA Huntley等對一座帶H型鋼樁的整體橋進行了長期監測，發現溫度作用會對整體橋的受力造成影響，并對整體橋的溫度變形機制進行了分析[4]。齊朝陽對帶H型鋼樁的整體式橋臺節點抗震性能進行分析，得出了整體式橋臺-H型鋼樁節點的受力性能與破壞機理[5]。Dicleli等對帶H型鋼樁的剛性整體橋進行了水平往復擬靜力試驗，分析了H型鋼樁與橋臺的連接方式對橋臺的受力性能等的影響，結果表明，橋臺與H型鋼樁固結時能顯著提高H型鋼樁抗變形能力[6]。

對于整體橋，樁基除了需要承受豎向荷載作用，還需要承受溫度及地震下主梁產生的水平力作用，且在橫豎向荷載作用下，樁的受力情況不是二者的簡單疊加[7]。因此，本文采用有限元分析軟件對H型鋼樁在橫豎向荷載作用下的受力性能進行研究，相關結果可為同類結構的設計計算提供參考。[=XQS（]橫豎向荷載共同作用對H型鋼樁橫向承載力的影響分析/甘采華，吳冬蘭[=JP2]1 樁基在橫豎向荷載作用時彎曲理論分析

對于如圖1所示的一端固定、另一端自由的柔性樁基而言，當樁頂在橫向荷載與豎向荷載共同作用時，樁基任意截面的彎矩M（x）可按式（1）計算：

2 有限元數值模擬

2.1 幾何尺寸

某整體橋跨徑為（42.67+44.81） m，上部結構主梁采用梁高為1.63 m的工字鋼板梁，混凝土橋面板厚度為0.21 m;下部結構采用整體式橋臺，橋臺高度為2.87 m，厚度為0.91 m，樁基為H型鋼樁。主梁與H型鋼樁采用Q345鋼材。其中，H型鋼樁的尺寸為246 mm×256 mm×10 mm×10 mm，如圖2所示。為滿足柔性樁長的需求，本文采用的樁長為1.7 m。

2.2 有限元模型

本文中，鋼材的應力-應變關系采用簡單二折線模型。其中，鋼材彈性模量Es=2.0×105 MPa，泊松比為0.3，密度ρ=7 850 kg/m3。H型鋼樁的屈服強度fy=345 MPa，極限強度為fu=460 MPa。采用大型通用有限元軟件ABAQUS進行分析。模擬時，H型鋼樁采用實體單元進行建模分析，網格劃分尺寸為50 mm。H型鋼樁的底端采用固定邊界，在頂端中心施加一軸向力FN=800 kN，以模擬樁基受到的來自橋臺的壓力;在樁頂以下0.1 m處施加一位移荷載FH=100 mm，以模擬主梁受到的水平位移作用。此外，為分析H型鋼樁的強弱軸朝向對受力性能的影響，其有限元模型如圖3所示，并建立僅強軸受橫向荷載作用的H型鋼樁模型作比較。定義豎向荷載作用下，強軸受水平荷載的H型鋼樁編號為SH-1;不考慮豎向荷載作用的H型鋼樁編號為SH-2;豎向荷載作用下，弱軸受水平荷載的H型鋼樁編號為WH-1。

3 樁基力學性能分析

3.1 樁基應力分析

3.1.1 豎向荷載的影響

圖4（a）和圖4（b）分別為有無豎向荷載共同作用時，H型鋼樁SH-1與SH-2的等效應力分布云圖。從圖4（a）可以看出，考慮豎向荷載時，H型鋼樁的最大等效應力出現在固定端樁底的翼緣處，最大等效應力為338.6 MPa;而不考慮豎向荷載時，H型鋼樁的最大等效應力為322.9 MPa。由此可知，考慮豎向荷載后，H型鋼樁的最大等效應力提高了約4.89%。說明橫豎向荷載作用可能會降低H型鋼樁的橫向承載力，計算樁基橫向承載力時應考慮豎向荷載的影響。

3.1.2 H型鋼樁朝向的影響

圖5為橫豎向荷載共同作用下，弱軸水平受力的H型鋼樁WH-1的等效應力分布云圖。比較圖4（a）與圖5可知，弱軸水平受荷的H型鋼樁WH-1的最大等效應力為340.2 MPa，主要出現在固定端樁底的翼板與腹板連接處以及1.2～2.6倍樁徑的樁身高度處，比強軸水平受荷稍大。出現這種現象的原因是，H型鋼樁的弱軸截面更不易變形;相反的，強軸水平受荷時，H型鋼樁更易變形，且固定端對變形限制很大，使得樁基應力更大。

3.2.1 豎向荷載的影響

圖6（a）和圖6（b）為分別為有無豎向荷載共同作用時，H型鋼樁SH-1與SH-2的變形前后云圖。其中，黑色線框為H型鋼樁變形前的情況。從圖6（a）可知，橫豎向荷載作用下，樁的最大位移為0.127 m，與式（6）計算值0.11 m較為接近。不考慮豎向荷載后，H型鋼樁的最大位移為0.157 m，比考慮豎向荷載時的要大23.6%。說明考慮豎向力后，限制了H型鋼樁的橫向變形，但也造成樁身應力變大。圖7為有無豎向荷載影響的沿樁身方向的水平變形曲線對比圖。由圖7可知，SH-2的水平變形速率明顯緩于SH-1，但SH-1在樁底產生了明顯屈曲變形。

3.2.2 H型鋼樁朝向的影響

圖8為橫豎向荷載作用下，H型鋼樁WH-1的變形前后云圖。從圖8可知，弱軸水平受荷的H型鋼樁WH-1的沿FH作用方向的最大變形出現在樁頂位置處，其值為107.6 mm，相比強軸受荷樁降低了15%。圖9為沿樁身方向的水平變形曲線對比圖。由圖9可知，橫豎向荷載作用下H型鋼樁在樁底會產生屈曲變形，但強軸水平受荷時的H型鋼樁變形能力更強。

3.3 樁頂水平荷載-位移曲線

圖10為各H型鋼樁樁頂的水平荷載-位移曲線。由圖10可知，強軸水平受荷的H型鋼樁在橫豎向荷載作用時，其極限承載力為162.55 kN，對應的位移為19.91 mm;僅在橫向荷載作用時的極限承載力為165.5 kN，對應的位移為19.42 mm;弱軸水平受荷的H型鋼樁在橫豎向荷載作用時，其極限承載力為60.28 kN，對應的位移為23.71 mm。由此可知，達到橫向極限承載力時，SH-1與WH-1對應的樁頂位移區別不大，在20 mm左右;但極限承載力相差很大，強軸水平受荷時的承載力是弱軸水平受荷時的2.7倍。橫豎向荷載共同作用下，由于水平荷載FH的作用方向不同，對應的截面剛度不一樣，強軸水平受力時，H型鋼樁截面能有效抵抗彎曲。豎向荷載對樁基的橫向運動稍有限制，但對橫向承載力的影響較小，考慮豎向荷載后，橫向承載力降低了2%左右。

4 結語

本文進行橫豎向荷載共同作用對H型鋼樁基橫向承載力的影響分析，所得結論如下：

（1）對樁基在橫豎向荷載作用時彎曲理論進行分析，得出了樁基在橫豎向荷載作用下樁基的最大水平變形的理論計算式，其計算值與有限元計算值吻合良好。

（2）考慮豎向荷載后，H型鋼樁的最大等效應力提高了4.89%，表明豎向荷載可能降低H型鋼樁的橫向承載力，計算樁基橫向承載力時應考慮豎向荷載的影響。橫豎向荷載作用下，強軸水平受力的樁基更易變形，樁基應力更大，但弱軸水平受力時，樁基屈服范圍更廣。

（3）考慮豎向荷載后，強軸水平受力的H型鋼樁的最大位移降低了23.6%。橫豎向荷載作用下，H型鋼樁的最大變形均出現在樁頂位置處。弱軸水平受荷時，最大變形為107.4 mm，強軸水平受荷時，最大變形為155.5 mm，相對弱軸水平受荷時的大44.79%。

（4）由樁頂的水平荷載-位移曲線分析可得，樁頂達到極限承載力時對應的樁頂位移相差不大，但強軸水平受荷時的承載力是弱軸水平受荷時的2.7倍。豎向荷載對樁基的橫向運動稍有限制，但對橫向承載力的影響較小，考慮豎向荷載后，橫向承載力降低了2%左右。

參考文獻：

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[3]黃福云，林友煒，程俊峰，等.整體式橋臺-H形鋼樁-土相互作用低周往復擬靜力試驗[J].中國公路學報，2019（5）：104-118.

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[5]齊朝陽.整體式橋臺-樁節點抗震性能試驗研究[D].天津：天津大學，2017.

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