徐洪昌

（義烏市共濟交通有限公司，浙江 義烏 322000）

引言

最近幾年隨著船舶運輸?shù)募哟?，橋梁收到船舶撞擊而倒塌的時間偶爾會產(chǎn)生，特別是在廣東省的過道上發(fā)生的船舶撞擊橋梁倒塌事件，引起了業(yè)界人士的重視，這對促進橋梁結(jié)構的設計水平和技術起到了一定的促進作用。這些撞船事故引起工程師在進行橋梁結(jié)構的設計時，尤其是在對橋梁下部結(jié)構和基礎設計過程中，要把豎向承載能力與水平承載能力放到同樣重要的位置來看待。由于我國公路橋梁很多都是有了樁基礎，在《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范(2007)》里面，對于樁基礎的豎向承載能力有著詳細的計算方法的規(guī)定，但樁基礎的水平抗力的計算并沒有進行詳細的描述，而且相關的研究成果也很少。因此為了解決橋梁基礎的撞船安全設計問題，在對國內(nèi)外相關研究文獻分析的基礎上，對深水高樁基礎水平抗力的計算方法等做出了深入的分析，得出了基于非線性有限元分析的計算步驟和方法，并在工程實例的分析下雨當前使用的規(guī)范計算方法進行了認真的對比。

1 關于橋梁樁基礎水平抗力非線性有限元的計算

1.1 對材料本構關系的分析

(1)針對無約束混凝土，可使用H ognestad本構模型，它的表達式為：表達式中:fc是混凝土應力；ε是混凝土應變；ε0是混凝土峰值應變；f′c是混凝土28d的圓柱體抗壓強度，它與標準棱柱體(150mm×150mm×300mm)抗壓強度R0c的關系式是：

(2)對于受箍筋約束的混凝土,其本構關系可使用Mander模型，即

公式里面：

公式里面：fl′是約束混凝土的有效側(cè)向約束應力;ke是有效約束的核心混凝土面積與核心混凝土總面積之比；ρs為箍筋的體積配筋率，ρs=Asp/(D s′)；fyh、Asp分別是箍筋的屈服強度和截面積；D′、s分別是箍筋的環(huán)箍直徑和箍筋間距；εsu為箍筋拉斷時的應變；fcc′、εcc和εc分別為約束混凝土的峰值應力、峰值應變和約束混凝土應變。當εc=εcu時，表示約束混凝土由于橫向箍筋失效導致其應變達到極值；截面抗彎承載能力達到極限狀態(tài)的標志就是約束混凝土受壓區(qū)邊緣的壓應變達到極值。

1.2 對橋梁高深樁結(jié)構分析模型

1.2.1 計算模型

橋梁深水高樁基礎的計算模型如圖1所示，在計算模型中，采用梁單元模擬橋梁的上部結(jié)構、橋墩和樁，將承臺模擬為剛性塊，采用非線性彈簧描述土，計算模型中考慮了幾何非線性的影響。

圖1 計算模型示意圖

1.2 水平抗力計算的基本假定與流程

深水高樁基礎水平抗力的計算與流程 (圖2)采用了如下假定：(1)截面在彎矩作用下，變形滿足平截面假定；(2)鋼筋和混凝土之間的受力過程中始終保持牢固粘結(jié)；(3)單元兩端之間的截面內(nèi)力按線性內(nèi)插，取單元兩端面的平均剛度作為單元剛度；(4)立柱和樁基截面在偏心受壓狀態(tài)下，受壓混凝土區(qū)最外緣壓應變達到極限應變(按材料本構關系確定)，并認為截面達到極限抗彎能力。由于在計算中考慮了幾何與材料非線性，因此采用增量加載方式進行數(shù)值計算。水平荷載的增量為ΔP，設第1步的求解已經(jīng)完成，則可以計算該步控制截面的軸力Ni和彎矩Mi。對軸力Ni和彎矩Mi作用下截面開裂情況的判斷需根據(jù)材料的本構關系，通過迭代確定ε和φ。在本研究中采用美國加州大學伯克利分校編寫的Cyber程序來實現(xiàn)這個過程。截面極限抗彎能力由受壓區(qū)混凝土的應變值控制。當截面接近極限彎矩后將導致非常大的變形，此時結(jié)構達到極限狀態(tài)，所對應的水平荷載之和即為基礎的水平抗力。上述計算過程如圖2所示。

圖2 樁基礎水平抗力的計算原理和流程

3 結(jié)語

本文將深水高樁基礎作為研究的對象，考慮土的非線性特性和結(jié)構的非線性特點，闡述了基于非線性有限元計算樁基礎水平抗力的方法，對某國道上大橋進行了實際計算，在按照我國現(xiàn)行規(guī)范設計思想而提出的計算方法做出了對比分析，計算結(jié)果顯示文中所研究的方法用于該類橋梁樁基礎的防撞設計更加科學。針對深水高樁基礎橋梁的防撞等研究設計，未來的研究空間還很大，本文研究的方法和結(jié)果，需要在實踐中進行更好的檢驗。

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