浅析公路桥梁深水高桩基础水平抗撞击力的非线性有限元

徐洪昌

（义乌市共济交通有限公司，浙江 义乌 322000）

引言

最近几年随着船舶运输的加大，桥梁收到船舶撞击而倒塌的时间偶尔会产生，特别是在广东省的过道上发生的船舶撞击桥梁倒塌事件，引起了业界人士的重视，这对促进桥梁结构的设计水平和技术起到了一定的促进作用。这些撞船事故引起工程师在进行桥梁结构的设计时，尤其是在对桥梁下部结构和基础设计过程中，要把竖向承载能力与水平承载能力放到同样重要的位置来看待。由于我国公路桥梁很多都是有了桩基础，在《公路桥涵地基与基础设计规范(2007)》里面，对于桩基础的竖向承载能力有着详细的计算方法的规定，但桩基础的水平抗力的计算并没有进行详细的描述，而且相关的研究成果也很少。因此为了解决桥梁基础的撞船安全设计问题，在对国内外相关研究文献分析的基础上，对深水高桩基础水平抗力的计算方法等做出了深入的分析，得出了基于非线性有限元分析的计算步骤和方法，并在工程实例的分析下雨当前使用的规范计算方法进行了认真的对比。

1 关于桥梁桩基础水平抗力非线性有限元的计算

1.1 对材料本构关系的分析

(1)针对无约束混凝土，可使用H ognestad本构模型，它的表达式为：表达式中:fc是混凝土应力；ε是混凝土应变；ε0是混凝土峰值应变；f′c是混凝土28d的圆柱体抗压强度，它与标准棱柱体(150mm×150mm×300mm)抗压强度R0c的关系式是：

(2)对于受箍筋约束的混凝土,其本构关系可使用Mander模型，即

公式里面：

公式里面：fl′是约束混凝土的有效侧向约束应力;ke是有效约束的核心混凝土面积与核心混凝土总面积之比；ρs为箍筋的体积配筋率，ρs=Asp/(D s′)；fyh、Asp分别是箍筋的屈服强度和截面积；D′、s分别是箍筋的环箍直径和箍筋间距；εsu为箍筋拉断时的应变；fcc′、εcc和εc分别为约束混凝土的峰值应力、峰值应变和约束混凝土应变。当εc=εcu时，表示约束混凝土由于横向箍筋失效导致其应变达到极值；截面抗弯承载能力达到极限状态的标志就是约束混凝土受压区边缘的压应变达到极值。

1.2 对桥梁高深桩结构分析模型

1.2.1 计算模型

桥梁深水高桩基础的计算模型如图1所示，在计算模型中，采用梁单元模拟桥梁的上部结构、桥墩和桩，将承台模拟为刚性块，采用非线性弹簧描述土，计算模型中考虑了几何非线性的影响。

图1 计算模型示意图

1.2 水平抗力计算的基本假定与流程

深水高桩基础水平抗力的计算与流程 (图2)采用了如下假定：(1)截面在弯矩作用下，变形满足平截面假定；(2)钢筋和混凝土之间的受力过程中始终保持牢固粘结；(3)单元两端之间的截面内力按线性内插，取单元两端面的平均刚度作为单元刚度；(4)立柱和桩基截面在偏心受压状态下，受压混凝土区最外缘压应变达到极限应变(按材料本构关系确定)，并认为截面达到极限抗弯能力。由于在计算中考虑了几何与材料非线性，因此采用增量加载方式进行数值计算。水平荷载的增量为ΔP，设第1步的求解已经完成，则可以计算该步控制截面的轴力Ni和弯矩Mi。对轴力Ni和弯矩Mi作用下截面开裂情况的判断需根据材料的本构关系，通过迭代确定ε和φ。在本研究中采用美国加州大学伯克利分校编写的Cyber程序来实现这个过程。截面极限抗弯能力由受压区混凝土的应变值控制。当截面接近极限弯矩后将导致非常大的变形，此时结构达到极限状态，所对应的水平荷载之和即为基础的水平抗力。上述计算过程如图2所示。

图2 桩基础水平抗力的计算原理和流程

3 结语

本文将深水高桩基础作为研究的对象，考虑土的非线性特性和结构的非线性特点，阐述了基于非线性有限元计算桩基础水平抗力的方法，对某国道上大桥进行了实际计算，在按照我国现行规范设计思想而提出的计算方法做出了对比分析，计算结果显示文中所研究的方法用于该类桥梁桩基础的防撞设计更加科学。针对深水高桩基础桥梁的防撞等研究设计，未来的研究空间还很大，本文研究的方法和结果，需要在实践中进行更好的检验。

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