横竖向荷载共同作用对H 型钢桩横向承载力的影响分析

甘采华 吴冬兰

摘要：由于H型钢桩受力性能良好，常被用于整体桥桩基础中。文章通过建立有限元模型，分析横竖向荷载共同作用对H型钢桩基横向承载力的影响，得出了在横竖向荷载作用下H型钢桩基最大水平变形的理论计算式，其计算值与有限元计算值吻合良好。结果表明：考虑竖向荷载后，H型钢桩的最大等效应力提高了4.89%，强轴水平受力的H型钢桩的最大位移降低了23.6%，竖向荷载可能降低H型钢桩的横向承载力;横竖向荷载作用下，H型钢桩的最大变形均出现在桩顶位置处，强轴水平受力的桩基更易变形，桩基应力更大，但弱轴水平受力时，桩基屈服范围更广;强轴水平受荷时，最大变形为155.5 mm，相对弱轴水平受荷时的大44.79%;桩顶达到极限承载力时对应的桩顶位移相差不大，但强轴水平受荷时的承载力是弱轴水平受荷时的2.7倍。设计时应考虑将H型钢桩的强轴向设为水平受力方向，并考虑竖向荷载对桩基横向受力的影响。

关键词：横竖向荷载;H型钢桩;整体桥桩基础;强轴;弱轴

0 引言

随着桥梁使用年限的增加，桥梁伸缩缝的病害越来越严重，而且伸缩缝破坏带来的养护维修费用与养护时中断交通引起的间接费用数额巨大[1]。针对伸缩缝的耐久性问题，有学者提出：“没有伸缩缝就是最好的伸缩缝。”整体式桥台桥梁取消了桥台处的伸缩缝与支座，其上部结构主梁与下部结构桥台、桩基形成整体[2]。

H型钢桩由于具有截面形状经济合理，力学性能好等优点，被广泛应用于国外整体桥桩基中[3]。目前，已有较多学者针对H型钢桩的受力性能进行研究。SA Huntley等对一座带H型钢桩的整体桥进行了长期监测，发现温度作用会对整体桥的受力造成影响，并对整体桥的温度变形机制进行了分析[4]。齐朝阳对带H型钢桩的整体式桥台节点抗震性能进行分析，得出了整体式桥台-H型钢桩节点的受力性能与破坏机理[5]。Dicleli等对带H型钢桩的刚性整体桥进行了水平往复拟静力试验，分析了H型钢桩与桥台的连接方式对桥台的受力性能等的影响，结果表明，桥台与H型钢桩固结时能显著提高H型钢桩抗变形能力[6]。

对于整体桥，桩基除了需要承受竖向荷载作用，还需要承受温度及地震下主梁产生的水平力作用，且在横竖向荷载作用下，桩的受力情况不是二者的简单叠加[7]。因此，本文采用有限元分析软件对H型钢桩在横竖向荷载作用下的受力性能进行研究，相关结果可為同类结构的设计计算提供参考。[=XQS（]横竖向荷载共同作用对H型钢桩横向承载力的影响分析/甘采华，吴冬兰[=JP2]1 桩基在横竖向荷载作用时弯曲理论分析

对于如图1所示的一端固定、另一端自由的柔性桩基而言，当桩顶在横向荷载与竖向荷载共同作用时，桩基任意截面的弯矩M（x）可按式（1）计算：

2 有限元数值模拟

2.1 几何尺寸

某整体桥跨径为（42.67+44.81） m，上部结构主梁采用梁高为1.63 m的工字钢板梁，混凝土桥面板厚度为0.21 m;下部结构采用整体式桥台，桥台高度为2.87 m，厚度为0.91 m，桩基为H型钢桩。主梁与H型钢桩采用Q345钢材。其中，H型钢桩的尺寸为246 mm×256 mm×10 mm×10 mm，如图2所示。为满足柔性桩长的需求，本文采用的桩长为1.7 m。

2.2 有限元模型

本文中，钢材的应力-应变关系采用简单二折线模型。其中，钢材弹性模量Es=2.0×105 MPa，泊松比为0.3，密度ρ=7 850 kg/m3。H型钢桩的屈服强度fy=345 MPa，极限强度为fu=460 MPa。采用大型通用有限元软件ABAQUS进行分析。模拟时，H型钢桩采用实体单元进行建模分析，网格划分尺寸为50 mm。H型钢桩的底端采用固定边界，在顶端中心施加一轴向力FN=800 kN，以模拟桩基受到的来自桥台的压力;在桩顶以下0.1 m处施加一位移荷载FH=100 mm，以模拟主梁受到的水平位移作用。此外，为分析H型钢桩的强弱轴朝向对受力性能的影响，其有限元模型如图3所示，并建立仅强轴受横向荷载作用的H型钢桩模型作比较。定义竖向荷载作用下，强轴受水平荷载的H型钢桩编号为SH-1;不考虑竖向荷载作用的H型钢桩编号为SH-2;竖向荷载作用下，弱轴受水平荷载的H型钢桩编号为WH-1。

3 桩基力学性能分析

3.1 桩基应力分析

3.1.1 竖向荷载的影响

图4（a）和图4（b）分别为有无竖向荷载共同作用时，H型钢桩SH-1与SH-2的等效应力分布云图。从图4（a）可以看出，考虑竖向荷载时，H型钢桩的最大等效应力出现在固定端桩底的翼缘处，最大等效应力为338.6 MPa;而不考虑竖向荷载时，H型钢桩的最大等效应力为322.9 MPa。由此可知，考虑竖向荷载后，H型钢桩的最大等效应力提高了约4.89%。说明横竖向荷载作用可能会降低H型钢桩的横向承载力，计算桩基横向承载力时应考虑竖向荷载的影响。

3.1.2 H型钢桩朝向的影响

图5为横竖向荷载共同作用下，弱轴水平受力的H型钢桩WH-1的等效应力分布云图。比较图4（a）与图5可知，弱轴水平受荷的H型钢桩WH-1的最大等效应力为340.2 MPa，主要出现在固定端桩底的翼板与腹板连接处以及1.2～2.6倍桩径的桩身高度处，比强轴水平受荷稍大。出现这种现象的原因是，H型钢桩的弱轴截面更不易变形;相反的，强轴水平受荷时，H型钢桩更易变形，且固定端对变形限制很大，使得桩基应力更大。

3.2.1 竖向荷载的影响

图6（a）和图6（b）为分别为有无竖向荷载共同作用时，H型钢桩SH-1与SH-2的变形前后云图。其中，黑色线框为H型钢桩变形前的情况。从图6（a）可知，横竖向荷载作用下，桩的最大位移为0.127 m，与式（6）计算值0.11 m较为接近。不考虑竖向荷载后，H型钢桩的最大位移为0.157 m，比考虑竖向荷载时的要大23.6%。说明考虑竖向力后，限制了H型钢桩的横向变形，但也造成桩身应力变大。图7为有无竖向荷载影响的沿桩身方向的水平变形曲线对比图。由图7可知，SH-2的水平变形速率明显缓于SH-1，但SH-1在桩底产生了明显屈曲变形。

3.2.2 H型钢桩朝向的影响

图8为横竖向荷载作用下，H型钢桩WH-1的变形前后云图。从图8可知，弱轴水平受荷的H型钢桩WH-1的沿FH作用方向的最大变形出现在桩顶位置处，其值为107.6 mm，相比强轴受荷桩降低了15%。图9为沿桩身方向的水平变形曲线对比图。由图9可知，横竖向荷载作用下H型钢桩在桩底会产生屈曲变形，但强轴水平受荷时的H型钢桩变形能力更强。

3.3 桩顶水平荷载-位移曲线

图10为各H型钢桩桩顶的水平荷载-位移曲线。由图10可知，强轴水平受荷的H型钢桩在横竖向荷载作用时，其极限承载力为162.55 kN，对应的位移为19.91 mm;仅在横向荷载作用时的极限承载力为165.5 kN，对应的位移为19.42 mm;弱轴水平受荷的H型钢桩在横竖向荷载作用时，其极限承载力为60.28 kN，对应的位移为23.71 mm。由此可知，达到横向极限承载力时，SH-1与WH-1对应的桩顶位移区别不大，在20 mm左右;但极限承载力相差很大，强轴水平受荷时的承载力是弱轴水平受荷时的2.7倍。横竖向荷载共同作用下，由于水平荷载FH的作用方向不同，对应的截面刚度不一样，强轴水平受力时，H型钢桩截面能有效抵抗弯曲。竖向荷载对桩基的横向运动稍有限制，但对横向承载力的影响较小，考虑竖向荷载后，横向承载力降低了2%左右。

4 结语

本文进行横竖向荷载共同作用对H型钢桩基横向承载力的影响分析，所得结论如下：

（1）对桩基在横竖向荷载作用时弯曲理论进行分析，得出了桩基在横竖向荷载作用下桩基的最大水平变形的理论计算式，其计算值与有限元计算值吻合良好。

（2）考虑竖向荷载后，H型钢桩的最大等效应力提高了4.89%，表明竖向荷载可能降低H型钢桩的横向承载力，计算桩基横向承载力时应考虑竖向荷载的影响。横竖向荷载作用下，强轴水平受力的桩基更易变形，桩基应力更大，但弱轴水平受力时，桩基屈服范围更广。

（3）考虑竖向荷载后，强轴水平受力的H型钢桩的最大位移降低了23.6%。横竖向荷载作用下，H型钢桩的最大变形均出现在桩顶位置处。弱轴水平受荷时，最大变形为107.4 mm，强轴水平受荷时，最大变形为155.5 mm，相对弱轴水平受荷时的大44.79%。

（4）由桩顶的水平荷载-位移曲线分析可得，桩顶达到极限承载力时对应的桩顶位移相差不大，但强轴水平受荷时的承载力是弱轴水平受荷时的2.7倍。竖向荷载对桩基的横向运动稍有限制，但对横向承载力的影响较小，考虑竖向荷载后，横向承载力降低了2%左右。

参考文献：

[1]陈宝春，庄一舟，BrunoBriseghella.无伸缩缝桥梁[M].北京：人民交通出版社，2013.

[2]Mitoulis S A.Challenges and opportunities for the application of integral abutment bridges in earthquake-prone areas： A review[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering，2020，135：106 183.

[3]黄福云，林友炜，程俊峰，等.整体式桥台-H形钢桩-土相互作用低周往复拟静力试验[J].中国公路学报，2019（5）：104-118.

[4]Huntley SA，Valsangkar A J .Behaviour of H-piles supporting an integral abutment bridge[J].Canadian Geotechnical Journal，2014，51（7）：713-734.

[5]齐朝阳.整体式桥台-桩节点抗震性能试验研究[D].天津：天津大学，2017.

[6]Dicleli M ，Albhaisi S M .Effect of cyclic thermal loading on the performance of steel H-piles in integral bridges with stub-abutments[J].Journal of Constructional Steel Research，2004，60（2）：161-182.

[7]黃 山.考虑横竖向荷载耦合效应的单桩响应分析[D].深圳：深圳大学，2015.