桶式基础气压模型试验和有限元分析

贡金鑫，高树飞，陈浩群，沈雪松

（1.大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024；2.中交第三航务工程勘察设计院，上海 200032；3.连云港市港口管理局，江苏 连云港 222000）

桶式基础气压模型试验和有限元分析

贡金鑫1，高树飞1，陈浩群2，沈雪松3

（1.大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024；2.中交第三航务工程勘察设计院，上海 200032；3.连云港市港口管理局，江苏 连云港 222000）

桶式基础结构是一种适用于软土地基的新型海工结构。为保证结构的可靠性，已对桶式基础使用期的承载力、稳定性和水动力特性进行了大量试验研究，但施工阶段的性状并未得到足够关注。为此制作了1∶8的小比尺模型并进行室内试验，研究设计规定的正压和负压下结构模型的内力、变形和气密性，获取了测点应变－加载时间的关系曲线。采用通用有限元软件ABAQUS对模型进行了弹性有限元分析并与试验结果比较。研究表明，桶式基础模型能承受设计规定的正压力和负压力，模型混凝土和钢筋应变变化规律与加压规律大体相符；弹性有限元分析结果与试验结果基本吻合。

防波堤；桶式结构；模型试验；气密性；有限元分析

贡金鑫，高树飞，陈浩群，等.桶式基础气压模型试验和有限元分析［J］.水利水运工程学报，2015（5）：21－29.（GONG Jin⁃xin，GAO Shu⁃fei，CHEN Hao⁃qun，et al.Pneumatic experiment and finite element analysis of bucket foundation model［J］.Hydro⁃Science and Engineering，2015（5）：21－29.）

桶式基础防波堤是一种新型掩护结构，其特点是可以更好地适应软基、大浪条件，在较深水域相对经济，还具有海上浮运、下沉施工简单（负压下沉）等优点，故连云港港徐圩港区防波堤采用这一结构型式［1］。尽管箱筒型基础［2］（与桶式基础类似的结构）防波堤已成功应用在天津港，但连云港港徐圩港区采用的防波堤结构形式与天津港采用的结构形式不同。已进行的试验和研究都是针对地基土、地基相互作用［3－4］、结构稳定性［5－6］及水动力特性［7］，没有对防波堤在施工期的结构性能进行专门研究，可能会因考虑不周而产生各种隐患。例如，天津港集团南疆东部港区北围埝工程二标段采用了筒型基础结构防波堤，结合工程施工，2007年对筒型基础结构的桶盖板、下部连接墙和上部连接墙的内力进行了测试。测试发现下沉阶段钢筋受力最大，上部箱桶连接墙在该阶段的钢筋应力超过了屈服强度，混凝土已开裂。根据测试结果，对基础结构设计进行了修改［8］。由此可见，施工过程中基础结构的性能非常重要。本文对按照连云港港徐圩港区防波堤工程桶式基础制作的1∶8小比尺模型进行了室内试验［9］，模拟基础海上浮运和负压下沉工况，监测了试验过程中基础模型的变形，并进行了有限元分析，为连云港港徐圩港区防波堤工程提供技术支持。

1 模型制作和试验方案

1.1 模型制作

考虑地基条件和水深，连云港港徐圩港区防波堤工程采用了桶式基础结构方案。施工前桶式基础先在陆地预制好，施工时将基础托运到施工地点，然后通过抽取基础内的水和淤泥将基础沉到预定标高。在浮运过程中，基础受自重作用产生浮托力，桶内产生正气压；基础抽气下沉时产生负气压。无论是正压还是负压，如果基础混凝土开裂，都会影响施工，甚至无法完成施工，因此需要研究施工过程中桶式基础承受完成施工所需气压的能力。

为此，按照连云港港徐圩港区防波堤工程桶式基础的设计原型，制作了比尺1∶8的模型（下层桶），如图1所示。模型A～G共有9个仓，仓与仓之间互不连通。模型使用的混凝土等级（C40）和钢筋配筋率与原型结构相同，结构轮廓尺寸、壁厚按比例确定，钢筋直径和间距如表1所示。图2为模型的钢筋和模板。在相同的正压和负压下，对1∶8模型和原型结构进行了弹性有限元分析，结果表明模型和原型相同位置的应变和应力一致，即模型与原型相似［9］。

图1 模型结构（单位：mm）Fig.1 Schematic graph of amodel structure（unit：mm）

采用商品混凝土，配合比为：水泥（42.5R）、河砂、碎石、水、U－3防冻剂和粉煤灰分别为430，666，1 039，153，17.9和80 kg／m3，坍落度为180 mm。在浇筑模型的同时制作了6个标准混凝土立方体试块。达到28 d龄期时对立方体试块进行抗压试验，测得1＃～6＃的混凝土实际抗压强度分别为：45.45，46.14，42.18，42.12，34.65和42.65 MPa。6个试块中，除1个试块强度小于40 MPa外，其余都大于40 MPa，可以认为混凝土质量满足要求。对试验中使用的HPB235钢筋进行拉伸试验，测得钢筋屈服强度为273 MPa，极限强度为305.3 MPa。

图2 模型钢筋与模板Fig.2 Reinforcement and formwork of amodel

表1 试验模型配筋Tab.1 Reinforcement of amodel

1.2 试验设备与量测仪器

试验采用的设备及布置方式如图3所示。试验前模型放于装有融化沥青的钢槽内，待槽内沥青凝固后进行正压和负压试验。采用空气压缩机向桶内施加正气压，采用真空泵向桶内施加负气压，分别模拟海上浮运和负压下沉两种工况。为方便表示，图中正压和负压管道用两幅图，实际试验中正压试验和负压试验先后进行，通气管道并行设置。

图3 试验设备布置方式Fig.3 Sketch of experiment set⁃up

为了监测正压试验和负压试验中模型关键位置的钢筋应变和混凝土应变，模型制作前在判断拉应力比较大的钢筋上粘贴了钢筋应变片，并在拉应力比较大的混凝土表面粘贴了混凝土应变片。采用德国产的32通道和64通道静态应变仪采集钢筋混凝土的应变数据。

1.3 试验步骤

负压试验加载步骤如下（括号内时间为气压变化过程中实际记录的时间）：抽气（81 kPa），约40 min）→停止抽气（81～61 kPa，自然降低，约125 min）→继续抽气（61～86 kPa，约25 min）→停止抽气（86～61 kPa，约30 min）→打开气阀释放压力（61～0 kPa，约40 min）。

正压试验加载步骤如下：充气（0～56 kPa，约25 min）→停止充气（56～41 kPa，自然降低，约130 min）→继续充气（41～56 kPa，约20 min）→停止充气（56～51 kPa，自然降低，约20 min）→打开气阀释放压力（51～0 kPa，约20 min）。

2 试验结果与讨论

2.1 负压加载

2.1.1 混凝土应力 负压加载时模型顶板下表面PV2，PV3，PV4，PV5，PV6，PV7，PV8处和顶板上表面TP6处（图4）的混凝土应变如图5（a）～（h）所示，图中应变正值表示受拉，这些位置的混凝土处于弯拉状态，是可能开裂的位置。由图5可见，监测点的应变变化与压差变化基本一致。试验采用C40混凝土，根据《水运工程混凝土结构设计规范》（JTS 151—2011）［10］，相应的弹性模量为3.25×104MPa，抗拉强度标准值为ftk＝2.39MPa。模型上述位置混凝土的最大拉应力由混凝土应变－时间曲线上的最大应变乘混凝土弹性模量得到，模型顶板下表面PV2～PV8和顶板上表面TP6的拉应力为1.51，3.28，1.28，0.84，1.49，3.02，1.69和3.37 MPa。如果考虑受弯构件混凝土开裂前有一定的塑性，按规范考虑1.55的混凝土塑性系数，则C40混凝土开裂应力为3.70MPa，可见各测点的应力均小于该值。

图4 负压加载时混凝土和钢筋应变测点Fig.4 Monitoring points under negative pressure loading

图5 负压加载时模型气压－时间曲线和混凝土应变－时间曲线Fig.5 Air pressure and concrete strain time⁃history of amodel under negative pressure loading

2.1.2 钢筋应力 如图4和图6（a）所示，负压加载时，模型顶板钢筋测点BR1位于顶板内侧，TR3位于顶板外侧，SO13钢筋测点在外壁直线段内侧，SE8和SV2分别在外壁曲线段内侧和外侧。图7为模型的气压－时间曲线和上述测点钢筋的应变－时间曲线，图中正值为拉应变，负值为压应变。由图7可见，监测点的应变变化与压差变化基本一致，但有较大波动。将钢筋弹性模量乘以各测点钢筋应变－时间曲线上的最大应变，得到测点BR1，TR3，SO13，SE8和SV2的钢筋应力分别为0.84，16.80，－25.20，10.71和－1.79 MPa（正值为拉应力，负值为压应力）。混凝土的开裂应变为（1～1.5）×10－4，HPB235钢筋的弹性模量为2×105MPa，这样混凝土开裂时钢筋的应力为（1～1.5）×10－4×2×105＝20～30 MPa。由此可见，在达到设计规定的负压时，钢筋应力很低，起的作用还很小。

图6 钢筋应变测点（单位：mm）Fig.6 Reinforcementmonitoring points（unit：mm）

图7 负压加载时模型的气压－时间曲线和钢筋应变－时间曲线Fig.7 Air pressure and reinforcement strain time⁃history of amodel under negative pressure loading

2.2 正压加载

如图6（b）所示，正压加载时试验模型侧壁弧线段外表面混凝土SH5，SV4，SH2和SV3位置受弯拉，是混凝土可能开裂的位置。充气过程中气压变化及上述测点混凝土的应变－时间曲线如图8（a）～（d）所示，图中正值为拉应变，负值为压应变。由图8可以看出，监测点的应变变化与压差变化基本一致。按实测最大应变计算得到的SH5，SV4，SH2和SV3点混凝土最大应力分别为：1.11，1.01，1.33和0.45 MPa，均小于混凝土开裂拉应力2.39 MPa。需要说明的是，正压时侧壁混凝土处于轴心或偏心受拉状态，混凝土开裂时不会出现塑性，所以不需考虑混凝土塑性系数。

图8 正压加载时模型的气压－时间曲线和混凝土应变－时间曲线Fig.8 Air pressure and concrete strain time⁃history of amodel under positive pressure loading

2.3 讨论

在上述负压加载和正压加载步骤中，安排了步骤“停止抽气（8～61 kPa，自然降低）”和“停止充气（56～41 kPa，自然降低）”，目的是研究模型的气密性。在两个步骤中，如果不再抽气或充气，通气管道和模型混凝土也完全不透气，则经历很长时间，气压不会下降。实际上，这是一种理想状态。首先，管道接头不可能做到完全密封，试验前对本试验的每根抽气管道和充气管道气密性都做了严格测试，使气压降低每小时不超过10 kPa；其次，众所周知，混凝土本身属于多孔隙材料，即加载前就存在微孔隙。所以，在停止加压的情况下，桶内气压降低是正常的，但要控制降低的速度。如果降低很快，则可能出现裂缝。

3 有限元模拟

3.1 有限元模型

采用ABAQUS软件对桶式基础模型进行了有限元模拟。混凝土采用C3D20单元（20节点六面体二次完全积分单元），钢筋采用T3D2单元（三维2节点桁架单元），分析采用分离式模型，并采用Embedded region命令将钢筋耦合在试验结构内。由于规定气压下桶式模型基本处于弹性状态，所以按弹性方法进行分析。混凝土（C40）和钢筋（HPB235）的弹性模量分别为3.25×104和2.1×105MPa，密度为2 500和7 800 kg／m3，泊松比为0.167和0.3。另外，本文也对桶式模型进行了弹塑性分析，由于混凝土的本构关系复杂，参数较多，不容易准确确定，分析结果与试验结果符合性差，本文不再介绍。

有限元模型如图9所示。对于负压和正压试验，模型的约束条件为约束桶底部的竖向位移（Z向）；约束外壁与沥青接触部分的对称中线的X，Y向平动自由度。求解时，对于负压试验，各隔仓压力相同，下桶壁板和顶板承受均布负

压（81kPa），并考虑结构本身自重；对于正压试验，各隔仓压力相同，下桶壁板和顶板承受均布压力（56kPa），并考虑结构本身自重。建立多个分析步，每个分析步的荷载为10kPa，对于正压试验，最后一个分析步的荷载为5kPa。

图9 结构有限元模型Fig.9 FEmodel of structure

3.2 有限元分析结果

分析得到各模型模拟负压和正压试验的应变和应力云图，同时给出试验中测点对应的应变和应力，柱壳的应变和应力结果在柱坐标系中表示，其余部分的应变和应力结果在直角坐标系中表示，两个坐标系的原点相同，柱坐标系的Z轴和直角坐标系的Z轴重合。对于柱坐标系，图中S22，E22为环向正应力和正应变；S33，E33为竖向正应力和正应变。对于直角坐标系，图中S11和E11为X向正应力和正应变。

负压时顶板上表面及下表面的应变和应力云图分别如图10和11所示，混凝土测点的有限元分析结果和试验结果对比如表2所示。

图10 顶板上表面应变和应力Fig.10 Upper surface strains and stresses of top plate

图11 顶板下表面应变和应力Fig.11 Bottom surface strains and stresses of top plate

表2 负压加载下混凝土应变和应力有限元计算结果与试验结果对比Tab.2 Strains and stresses comparison between FE analysis and experiment under negative pressure loading

由表2可看出，总体上有限元分析结果接近于试验结果，尽管测点TP6的混凝土拉应力略大于开裂应力（3.70 MPa），但这仅发生在该点，而结构出现裂缝需达到一定的范围，不会因为一个点达到混凝土拉应力就开裂。

正压时柱壳环向及竖向正应变和正应力云图分别如图12和13所示。混凝土测点的有限元分析结果和试验结果对比如表3所示。由表3可看出，有限元分析结果基本接近于试验结果，有限元计算应力均未达到混凝土抗拉强度，符合裂缝控制要求。

图12 柱壳环向应变和应力Fig.12 Circular strains and stresses of cylindrical shell

图13 柱壳竖向应变和应力Fig.13 Vertical strains and stresses of cylindrical shell

表3 正压加载下模型混凝土有限元计算结果与试验结果对比Tab.3 Strains and stresses comparison between FE analysis and experiment under positive pressure loading

4 结 语

本文对比尺1∶8的桶式基础模型进行了海上浮运和负压下沉工况模拟试验和有限元分析，得出如下结论：

（1）试验模型能承受设计规定的正压力和负压力，验证了结构设计的合理性，为进一步优化结构设计奠定了基础，达到了试验目的。

（2）在设计规定的气压下，按弹性有限元计算得到的应变和应力总体上与试验结果接近，反映了试验结果的合理性。

（3）混凝土是一种准脆性材料，性能随机性大。为保证桶式基础海上浮运和负压下沉过程中性能可靠，仍需采取一定的后备措施。

［1］陈浩群，李武.新型结构在连云港港口工程中的应用［J］.水运工程，2013（10）：83⁃88.（CHEN Hao⁃qun，LIWu. Application of new hydraulic structure in Lianyungang portengineering［J］.Portand Waterway Engineering，2013（10）：83⁃88.（in Chinese））

［2］肖忠，王元战，及春宁.基于极限平衡法的箱筒型基础防波堤稳定性分析［J］.岩土工程学报，2013，35（5）：828⁃833.（XIAO Zhong，WANG Yuan⁃zhan，JIChun⁃ning.Stability analysis of bucket foundation breakwaters based on limit equilibrium method［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2013，35（5）：828⁃833.（in Chinese））

［3］高志伟，陈甦，李武，等.桶式基础结构土压力分布规律［J］.中国港湾建设，2013（1）：18⁃21.（GAO Zhi⁃wei，CHEN Su，LIWu，etal.Pattern of distribution of soil pressure on bucket foundation［J］.China Harbour Engineering，2013（1）：18⁃21.（in Chinese））

［4］高志伟，李亚，高树飞，等.徐圩防波堤工程桶式基础结构设计［J］.水运工程，2013（10）：89⁃94.（GAO Zhi⁃wei，LIYa，GAO Shu⁃fei，etal.Bucket foundation structure design of Xuweibreakwater［J］.Portand Waterway Engineering，2013（10）：89⁃94.（in Chinese））

［5］李武，吴青松，陈甦，等.桶式基础结构稳定性试验研究［J］.水利水运工程学报，2012（5）：42⁃47.（LIWu，WU Qing⁃song，CHEN Su，et al.Stability tests of bucket⁃based structure［J］.Hydro⁃Science and Engineering，2012（5）：42⁃47.（in Chinese））

［6］李武，陈甦，程泽坤，等.水平荷载作用下桶式基础结构稳定性研究［J］.中国港湾建设，2012（5）：14⁃18.（LIWu，CHEN Su，CHENG Ze⁃kun，et al.Stability study of bucket⁃based structure on horizontal loading［J］.China Harbour Engineering，2012（5）：14⁃18.（in Chinese））

［7］蔡正银，徐光明，顾行文，等.波浪荷载作用下箱筒型基础防波堤性状试验研究［J］.中国港湾建设，2010（增1）：90⁃94，99.（CAIZheng⁃yin，XU Guang⁃ming，GU Xing⁃wen，et al.Behavior investigation on a cylindrical breakwater during wave loading［J］.China Harbour Engineering，2010（Suppl1）：90⁃94，99.（in Chinese））

［8］喻志发，朱耀庭，解林博.箱筒型基础防波堤施工过程结构内力测试及分析［J］.中国港湾建设，2009（4）：12⁃15.（YU Zhi⁃fa，ZHU Yao⁃ting，XIE Lin⁃bo.Test and analysis on the structural internal force during the construction of box⁃type foundation breakwater［J］.China Harbour Engineering，2009（4）：12⁃15.（in Chinese））

［9］贡金鑫，高树飞，陈浩群，等.连云港港徐圩港区防波堤工程桶式基础结构内力及构造研究［R］.大连：大连理工大学，2012.（GONG Jin⁃xin，GAO Shu⁃fei，CHEN Hao⁃qun，et al.Investigation on internal forces and details of bucket foundation breakwater in Xuwei port area for Lianyungang port［R］.Dalian：Dalian University of Technology，2012.（in Chinese））

［10］JTS 151—2011水运工程混凝土结构设计规范［S］.（JTS 151—2011 Design code for concrete structures of portand waterway engineering［S］.（in Chinese））

［11］GB／T 50082—2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准［S］.（GB／T 50082—2009 Standard for testmethods of long⁃term performance and durability of ordinary concrete［S］.（in Chinese））

［12］王金昌，陈页开.ABAQUS在土木工程中的应用［M］.杭州：浙江大学出版社，2006.（WANG Jin⁃chang，CHEN Ye⁃kai. Application of ABAQUS in civil engineering［M］.Hangzhou：Zhejiang University Press，2006.（in Chinese））

Pneumatic experiment and finite element analysis of bucket foundation model

GONG Jin⁃xin1，GAO Shu⁃fei1，CHEN Hao⁃qun2，SHEN Xue⁃song3
（1．State Key Laboratory ofCoastal and Offshore Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China；2．CCCC Third Harbor Consultants Co．，Ltd．，Shanghai 200032，China；3．Lianyungang Administrating Bureau ofHarbor 222000，China）

The bucket foundation is a new kind of the marine structures which are suitable for application to soft soil.For its reliability，extensive experimental investigations have been conducted on its capacity，stability and hydrodynamic characteristics during service life，but less attention is paid to its behaviors during construction.A model scaled 1∶8 is fabricated and experimented in the laboratory.The internal force，deformation and airtightness under specified positive and negative pressureswere investigated，and the relationships between strain and loading duration of each monitoring point were recorded.Elastic finite element analyses were carried out by using a commercial software ABAQUSand the resultswere compared with those obtained from the indoor experiments.The research results show that the model behaved well during the experiment and the strain of concrete and steel bar approximately varied in parallelwith the loading process.The results of the elastic finite element analysis agree well with the results of the indoor experiments.

breakwater；bucket foundation；model experiment；airtightness；finite element analysis

U656.2

A

1009－640X（2015）05－0021－09

10.16198／j.cnki.1009－640X.2015.05.003

2014－12－29

交通运输部西部交通建设科技项目（20113288231510）

贡金鑫（1964—），男，河北衡水人，教授，主要从事钢筋混凝土结构基本理论研究。E⁃mail：gong_jx.vip＠eyou.com