对深水高桩基础水平抗撞击力的非线性有限元研究

刘清海

(河北省内丘县公路管理站)

1 引言

随着交通运输的日益发展，许多公路等的桥梁建设需要跨海、跨河，而支撑桥梁结构的基础都是浸泡在水中的，近年来船舶运输的不断增加，桥梁的支撑机构基础不可避免的要受到船舶的频繁撞击，特别是在临海城市，因船舶的撞击而造成的桥梁的坍塌事故层出不穷，也因此引起了社会各界的重视，人们开始注重提高桥梁结构的设计水平和技术。在以前的桥梁结构设计中设计人员往往只考虑到了桥梁下部结构以及基础结构的水平承载能力的加强而忽视了水平抗撞击力加强，然而，随着撞船事故的发生，桥梁设计人员逐渐意识到了必须同等考虑桥梁下部结构和基础结构的水平承载力和竖向承载力。在我国大多数的公路桥梁都有桩基，但是相关规范中仅仅明确规定了桩基竖向承载力的计算方法，对于桥梁桩基的水平抗撞击力的计算却没有明确的方法，与其相关的研究成果也比较少。为了解决桥梁水平抗撞击力的设计问题，深入分析了深水高桩基础水平抗撞击力的设计与计算方法，对比了我国的规范设计思想下的计算方法，最终提出了非线性有限元分析的计算方法，并证明了此法的适用性。

2 深水高桩基础水平抗撞击力的非线性有限元的计算方法分析

2.1 桥梁高桩基础水平抗撞击力的非线性有限元的计算方法

(1)Hognestad本构模型主要适用于无约束混凝土，其计算公式可以表示为F=0.85R/0.7，E=2.0×0.85F'/E'，其中F表示混凝土的应力，E表示混凝土应变，E'表示混凝土峰值应变，F'指的是混凝土28d的圆柱体抗压强度，R表示标准棱柱体(150mm×150mm×300mm)的抗压强度。

(2)Mander模型适用于受箍筋约束的混凝土，其计算公式为F=F'(E1/E2)r/{r-1+(E1/E3)}，其中F'表示约束混凝土峰值应力，E1表示约束混凝土应变，E2表示峰值应变，并且F'和E2还有各自的换算公式，可以换算出约束混凝土因为横向的箍筋失去约束效果而形成的峰值，经计算可知，当约束混凝土受压区边缘的压应变达到极值时就表示截面抗弯承载能力已经达到极限状态。

(3)理想弹塑性模型一般用来表示钢筋的本构关系，可用公式表示为Q=ES(-a≤E≤a)，Q=b(a＜E≤c)，其中，a表示钢筋的屈服应力，b表示钢筋的屈服应变，E表示为弹性模量，S为混凝土应变，c是极限应变(c=0.1)。

2.2 桥梁高桩基础结构分析模式

在桥梁高桩基础计算模型中使用梁单元模拟桥梁的上部结构、桥墩和桩基，采用承台模拟刚性快，通过非线性弹簧描述土，并将几何非线性因素的影响考虑在计算模型中;在此基础上，计算桩—土非线性相互作用，此为对于深水高桩基础水平抗撞击力计算的关键性步骤，在此步骤中要考虑桩身的边界非线性，模拟桩与砂性土之间的相互作用。结构分析模式中涉及计算公式比较繁杂，这就要求设计人员更加仔细和耐心的完成此项工作。

2.3 深水高桩基础水平抗力的计算假定与计算步骤

计算的基本假定总共包括以下四点:(1)在受力过程中保证钢筋与混凝土之间的粘结足够牢固;(2)弯矩作用下的截面其变形符合平截面假定的要求;(3)桩基与立柱截面受压时，受压混凝土边缘压力应该达到极限应变，认为截面的抗弯能力达到极限状态;(4)单元两端间的截面内力按线性内插，单元刚度用单元两端的刚度平均值表示。结合集合与材料非线性的影响，采用增量加载法完成相关计算，假定二的求解完成后，可以算出控制截面的轴力以及弯矩，然后根据材料的本构关系来判断在此轴力和弯矩的作用下的截面的开裂状况，再通过相关的计算得到所需数据。此次研究使用的是Cyber程序，截面受压区混凝土的应变值控制决定截面的极限抗弯能力，截面几乎快达到极限弯矩后会产生极大的变形，结构在此时处于极限状态，基础水平抗力就等于与之对应的水平荷载的总和。

3 实例分析

在此次的实例分析中，获取了七里河大桥的相关设计数据，分别应用非线性有限元计算方法和国家规范的计算方法进行相关数据的运算，以求证非线性有限元计算方法的实用性。

在此实例中，桥梁桥墩、承台以及桩基等均使用的是79规范的250号混凝土，桩身的竖向钢筋使用的是25mm的二级钢筋，由上至下在长度为6、40以及7.4m得区段内分别配置钢筋72、36、18根。略微有风化地花岗岩上的覆盖层由下至上依次为弱风化花岗岩、软石、粗砂，根据交通部的先关工程及施工技术规定，以及使用材料的情况获得所需的抗压强度、最大摩擦阻力等的标准数据，以应用于计算。

根据上述中关于非线性有限元的设计计算方法和国家规范设计思想下的计算方法，选择连续的6个桥墩，分别计算，应用非线性有限元法算出的1～6个桥墩的最大冲刷抗力依次为2000、2100、2600、2900、8300、19500，应用基于国家规范的算法算得的数据对应的是2050、2350、3150、3600、11950、24500。从计算结果来看，不难发现非线性有限元的设计计算方法和国家规范设计思想下的计算方法的计算结果具有一定的差距，但是，相比之下，采用国家规范设计思想下的计算方法得到计算结果比较大，造成这种结果的原因可能是由于国家规范设计思想下的计算方法并没有将土的非线性性质以及结构的非线性性质考虑在内。进分析可知，在设计计算方法的过程中如果没有将土的非线性性质以及结构的非线性性质对受力情况的影响考虑在内，那么很可能因此而使深水高桩基础的水平抗击力的估算值整体偏高，若采用此计算结果来作为桥墩抗撞击力的设计参数就一定会造成较大的安全隐患。而本文中提出的深水高桩基础水平抗撞击力的非线性有限元计算方法，全面的考虑了包括土的非线性性质和结构的非线性特性在内的各种影响深水高桩基础的水平抗击力估算值的因素，保证了桥梁深水高桩基础水平抗撞击力的估算值的准确性，是一种较为准确、合理、安全的桥梁防撞设计的计算方法，适用于桥梁深水高桩基础水平抗撞击力的计算。

4 总结

通过对深水高桩基础的抗撞击力的研究，并综合考虑土的非线性性质以及结构的非线性特性等因素对于桥梁支撑结构的受力影响，桩基础水平抗撞击力的计算提出了有利于提高桩基础水平抗撞击力计算准确性的非线性有限元设计计算方法，并将其应用到实际桥梁工程的设计计算中，与国家规范思想下的计算方法算出的结果进行对比和分析，证明了非线性有限元计算方法对于深水高桩基础水平抗撞击力计算的切实可行性和合理性。

随着交通运输的日益发展，许多公路的桥梁建设需要跨海、跨河，而支撑桥梁结构的桥墩一般都是浸泡在水中的，再加上近年来船舶运输的不断增加，桥墩受到船舶的撞击力不断增加，严重影响到了桥梁支撑结构的安全性。非线性有限元设计计算方法虽说能够跟好的计算桩基础的水平抗撞击力，但还需要不断实践，面对新的挑战仍需要研发更加合理和科学的桥梁基础防撞设计，拓展更大的研究空间，进一步优化深水高桩基础桥梁的防撞设计，提高其安全性能。

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