馬 蓉,姚天寶

(1.包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014060；2.楚雄欣源水利電力勘察設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，云南 楚雄 675000)

鋼管樁廣泛應(yīng)用于近岸和沿海碼頭工程、大型跨海大橋樁基和深水基礎(chǔ)中，鋼管樁與上部結(jié)構(gòu)通常通過澆筑一段鋼筋混凝土連接在一起。為了提高鋼管樁與上部結(jié)構(gòu)連接的整體性、鋼管與混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度以及樁身承載力，工程中常在鋼管樁內(nèi)壁沿環(huán)向焊接若干個(gè)有一定間距的剪力鍵(圖1)。這種結(jié)構(gòu)在曹妃甸港、港珠澳大橋、杭州灣大橋等工程設(shè)計(jì)中均有應(yīng)用。

圖1 鋼管樁樁頭剪力鍵構(gòu)造

目前，國內(nèi)外一些學(xué)者[1-5]通過對(duì)帶剪力鍵的鋼管樁進(jìn)行試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，剪力鍵能較大地提高鋼管的延性和整體性，混凝土剪力鍵溝槽處發(fā)生的剪切破壞是鋼管樁破壞的主要形式。Lotsberg[6]、郭銀[7]等初步推導(dǎo)出了軸力作用下鋼管樁樁頭混凝土的受力計(jì)算公式。喻宣瑞等[8-9]研究了鋼管樁中帶2對(duì)和帶3對(duì)剪力鍵的剪力鍵分配系數(shù)。剪力鍵作為鋼管樁與上部結(jié)構(gòu)之間連接的重要構(gòu)件，其尺寸構(gòu)造、間距布置是影響鋼管樁受力性能的重要因素。大多學(xué)者對(duì)鋼管樁樁頭剪力鍵的破壞形式、受力特性等展開了深入的研究，但缺乏剪力鍵間距對(duì)鋼管樁受力性能影響方面的研究。同時(shí)，我國現(xiàn)行港口設(shè)計(jì)規(guī)范[10]、美國API規(guī)范[11]、挪威DNV規(guī)范[12]等均未對(duì)剪力鍵間距設(shè)計(jì)做出明確規(guī)定和指導(dǎo)性建議。對(duì)于帶多個(gè)剪力鍵的鋼管樁，合理布置剪力鍵間距對(duì)提高鋼管樁整體受力性能至關(guān)重要。

本文以樁頭帶兩個(gè)剪力鍵的鋼管樁為研究對(duì)象，利用ABAQUS建立三維鋼管樁軸向受力模型，探究剪力鍵間距對(duì)鋼管樁受力性能的影響，進(jìn)而找出最優(yōu)剪力鍵間距，為工程設(shè)計(jì)給予一定的參考依據(jù)。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型尺寸及材料本構(gòu)關(guān)系模型

為更好地探究剪力鍵間距對(duì)鋼管樁受力性能的影響，本文建立8組不同的模型，每組模型的樁長(zhǎng)均為2.7 m，靠近底端的剪力鍵與樁底端固定距離為0.9 m。剪力鍵均采用矩形剪力鍵，其尺寸構(gòu)造相同，厚度h=13.5 mm，寬度b=6.75 mm。編號(hào)S1～S4的模型樁徑D均為0.6 m，鋼管壁厚t=4.8 mm；編號(hào)S5～S6的模型樁徑D均為0.8 m，鋼管壁厚t=6.4 mm。剪力鍵間距分別為鋼管樁0.8D、1.0D、1.2D、1.4D。直徑D為0.6、0.8 m。模型見圖2，鋼管樁模型尺寸構(gòu)造見表1。

圖2 鋼管樁模型構(gòu)造(尺寸:mm)

表1 鋼管樁模型尺寸

選用C30混凝土，彈性模量Ec=33.5 GPa，泊松比ν=0.2，用塑性損傷模型來模擬混凝土塑性。鋼管和剪力鍵均用Q345鋼，彈性模量Es=206 GPa，泊松比ν=0.3，用Von Mises屈服準(zhǔn)則等向彈塑性模型模擬鋼材的彈塑性。

1.2 單元類型與網(wǎng)格劃分

混凝土用八節(jié)點(diǎn)的三維實(shí)體C3D8R單元模擬，鋼管與混凝土用相同的四節(jié)點(diǎn)殼S4R單元模擬，縱筋與箍筋用兩節(jié)點(diǎn)線性桿T3D2單元模擬。為精確模擬出樁頭帶剪力鍵的鋼管樁在軸向壓力作用的受力變化情況，同時(shí)提高模擬計(jì)算的速度，模型網(wǎng)格采用不均勻劃分，剪力鍵附近的單元網(wǎng)格較密集，離剪力鍵越遠(yuǎn)，單元網(wǎng)格越稀疏，網(wǎng)格最小尺寸為1.1 mm，最大尺寸為6.2 mm，共14 568個(gè)單元。

1.3 邊界條件設(shè)置

樁頂自由，樁底端采用固定約束。為了保證外部鋼管與內(nèi)部混凝土兩者之間的變形協(xié)調(diào)(鋼管樁在未發(fā)生破壞之前，鋼管與混凝土在工程中通常不發(fā)生脫離)，混凝土環(huán)向受到約束，鋼管與混凝土采用殼-實(shí)體耦合的約束形式。鋼管與混凝土法向采用“硬”接觸模型模擬，切向黏結(jié)力采用庫侖摩擦模型模擬，摩擦參數(shù)取0.2。鋼筋混凝土內(nèi)部的混凝土為主體區(qū)域，縱筋和箍筋為內(nèi)置區(qū)域，這兩區(qū)域直接并合(merge)在一起，采用嵌入?yún)^(qū)(embedded region)定義混凝土、縱筋、箍筋三者之間的約束形式。

實(shí)際工程中，剪力鍵通常以焊接的形式固接在鋼管內(nèi)壁，故采用Tie(綁定約束)單元將剪力鍵與鋼管、剪力鍵與混凝土連接在一起。

采用分步加載荷載的方式，在樁頂施加軸壓荷載，利用ABAQUS軟件采用增量迭代方式求解，并根據(jù)計(jì)算收斂結(jié)果自動(dòng)確定加載步長(zhǎng)。

2 模型驗(yàn)證

Gebman[13]對(duì)21根不同構(gòu)造的混凝土鋼管樁進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，是迄今為止對(duì)帶剪力鍵的鋼管樁結(jié)構(gòu)較為全面且系統(tǒng)的研究，本文采用Gebman試驗(yàn)報(bào)告中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與直徑為0.6、0.8 m的模型模擬值進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)比結(jié)果見圖3。

圖3 數(shù)模結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由圖3可知，數(shù)值模擬值和Gebman試驗(yàn)實(shí)測(cè)值基本吻合，且變化趨勢(shì)一致。當(dāng)直徑為0.6 m時(shí)，實(shí)測(cè)值最大為3 567 kN，模擬值最大為3 485 kN，模擬值比實(shí)測(cè)值小2.3%；當(dāng)直徑為0.8 m時(shí)，實(shí)測(cè)值最大為3 895 kN，模擬值最大為3 798 kN，模擬值比實(shí)測(cè)值小2.5%。說明有限元計(jì)算模型參數(shù)設(shè)置合理，可準(zhǔn)確反映鋼管樁在軸壓作用下的實(shí)際狀況，可真實(shí)模擬荷載作用下鋼管樁的工作性能。

3 結(jié)果對(duì)比分析

由圖3可知，不同間距下，直徑為0.6、0.8 m的模型的模擬值大多小于實(shí)測(cè)值，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是建模過程中混凝土與鋼管之間摩擦系數(shù)取值偏小。通常情況下，混凝土與鋼管之間摩擦系數(shù)取值范圍為0.2～0.3，保守起見，本文在建模過程中取0.3。

隨著剪力鍵間距的增加，鋼管樁的承載力先增加后減少，當(dāng)剪力鍵間距介于1.0D～1.2D時(shí)，鋼管樁承載力取得最大值。由圖3a)可知，當(dāng)鋼管樁直徑為0.6 m時(shí)，鋼管樁承載力在剪力鍵間距為675 mm(即1.125D)附近取得最大值；由圖3b)可知，當(dāng)鋼管樁直徑為0.8 m時(shí)，鋼管樁承載力在剪力鍵間距為840 mm(即1.05D)附近取得最大值。

綜上推測(cè)，隨著鋼管樁直徑的增大，剪力鍵最優(yōu)間距逐漸減小。導(dǎo)致出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，軸向荷載作用下，混凝土與鋼管均會(huì)產(chǎn)生一定的環(huán)向變形，由于二者彈性模量不同，使其環(huán)向變形不同，混凝土與剪力鍵接觸位置產(chǎn)生較大的剪力，進(jìn)而導(dǎo)致剪力鍵附近出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。同時(shí)，鋼管樁直徑越小，同尺寸的剪力鍵對(duì)鋼管樁樁芯混凝土的套箍作用越明顯，剪力鍵發(fā)揮作用的影響區(qū)域(即應(yīng)力敏感區(qū))越大，剪力鍵對(duì)鋼管樁剛度的影響越明顯。當(dāng)剪力鍵間距較小，剪力鍵發(fā)揮作用的區(qū)域會(huì)發(fā)生重疊，剪力鍵附近的集中應(yīng)力也會(huì)發(fā)生重疊，進(jìn)而導(dǎo)致鋼管樁承載力下降；當(dāng)間距較大時(shí)，剪力鍵處混凝土與鋼管之間變形差較大，剪力鍵間混凝土發(fā)生剪切破壞，進(jìn)而鋼管樁承載力下降。

為了驗(yàn)證上述推測(cè)，本文接下來將從剪力鍵對(duì)鋼管樁樁頭復(fù)合剛度、鋼管樁樁頭剪力鍵的受力兩方面的影響進(jìn)行分析。

4 推理驗(yàn)證

4.1 鋼管樁樁頭剪力鍵影響系數(shù)計(jì)算

依據(jù)鋼筋混凝土設(shè)計(jì)原理，作如下假定：1) 僅考慮鋼管樁樁頭樁芯混凝土和鋼管在彈性范圍內(nèi)的變形，二者符合變形協(xié)調(diào)原理;2) 實(shí)際中鋼管壁所受的徑向應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力，故忽略鋼管壁的徑向應(yīng)力;3) 軸向壓力作用下，鋼管和混凝土的橫截面形狀與截面面積不變;4) 僅考慮外部鋼管與樁芯混凝土之間存在摩擦力，忽略鋼管內(nèi)部防腐涂層與泥皮對(duì)鋼管樁強(qiáng)度的影響。

基于變形協(xié)調(diào)原理，在軸向荷載作用下，鋼管樁樁頭剛度可視為鋼管剛度和核心混凝土的組合剛度，故鋼管樁樁頭復(fù)合剛度計(jì)算公式為：

EA=kysEsAs+kycEcAc

(1)

式中：EA為鋼管樁樁頭軸壓復(fù)合剛度；Es為鋼管彈性模量；As為鋼管橫截面面積；Ec為混凝土彈性模量；Ac為樁芯混凝土橫截面面積；kys為鋼管樁在使用期的剛度折減系數(shù)，因?yàn)榻Ｎ纯紤]使用期的剛度折減，故文中計(jì)算時(shí)kys=1；kyc為剪力鍵對(duì)鋼管樁剛度的影響系數(shù)。

依據(jù)材料力學(xué)和胡克定律，鋼管樁樁頭復(fù)合剛度和截面軸向應(yīng)變之間的關(guān)系式為：

(2)

式中：N為軸向荷載；εz為樁頂?shù)妮S向應(yīng)變。

聯(lián)立式(1)、(2)得：

(3)

依據(jù)圖3計(jì)算所得各個(gè)模型的承載力，對(duì)直徑為0.6 m的模型(即編號(hào)為S1～S4的模型)施加3 050 kN的軸向荷載，對(duì)直徑為0.8 m的模型(即編號(hào)為S5～S8的模型)施加3 250 kN的軸向荷載，模擬計(jì)算得到樁頂發(fā)生軸向應(yīng)變值εz，在彈性范圍內(nèi)計(jì)算剪力鍵對(duì)鋼管樁樁頭復(fù)合剛度的影響系數(shù)。圖4為不同剪力鍵間距l(xiāng)i與剪力鍵對(duì)鋼管樁樁頭復(fù)合剛度影響系數(shù)之間的關(guān)系。

圖4 剪力鍵間距與鋼管樁樁頭復(fù)合剛度影響系數(shù)kyc關(guān)系

由圖4可知，剪力鍵對(duì)鋼管樁樁頭復(fù)合剛度的影響系數(shù)始終大于1.0，這表明了剪力鍵能夠提高鋼管樁的復(fù)合剛度，進(jìn)而起到提高鋼管樁的承載力的作用。其原因?yàn)?，?dāng)鋼管樁受到軸向壓力時(shí)，樁芯混凝土受壓，剪力鍵和外部鋼管剛度較大，鋼管約束了混凝土環(huán)形變形，剪力鍵的套箍作用不僅約束混凝土的軸向變形，而且提高了樁芯混凝土與鋼管之間的黏結(jié)強(qiáng)度。

當(dāng)鋼管樁直徑、樁長(zhǎng)、剪力鍵尺寸等一定時(shí)，剪力鍵對(duì)鋼管樁樁頭復(fù)合剛度的影響系數(shù)kyc隨著剪力鍵間距的增大先增加后減小，其變化趨勢(shì)與圖3類似。由圖4可知，剪力鍵影響系數(shù)kyc在剪力鍵間距為1.0D～1.2D時(shí)，取得最大值kycmax。當(dāng)鋼管樁直徑為0.6 m時(shí)，剪力鍵對(duì)鋼管樁復(fù)合剛度的影響系數(shù)最大值在剪力鍵間距為720 mm(1.2D)附近取得最大值；當(dāng)鋼管樁直徑為0.8 m時(shí)，剪力鍵對(duì)鋼管樁復(fù)合剛度的影響系數(shù)最大值在剪力鍵間距為720 mm(1.2D)附近取得最大值；鋼管樁承載力在剪力鍵間距為800 mm(1.0D)附近取得最大值。這一結(jié)果充分驗(yàn)證了第3節(jié)中的分析推測(cè)。

當(dāng)直徑為0.6 m時(shí)，剪力鍵間距l(xiāng)i=0.8D、li=1.0D、 li=1.2D、li=1.4D所對(duì)應(yīng)的鋼管樁復(fù)合剛度影響系數(shù)分別為1.09、1.19、1.34、1.16，即間距為1.0D的影響系數(shù)較間距為0.8D的增加了9.2%，間距為1.2D的影響系數(shù)較間距為1.0D的增加了12.6%，間距為1.4D的影響系數(shù)較間距為1.2D的降低了15.5%。當(dāng)直徑為0.8 m時(shí)，剪力鍵間距l(xiāng)i=0.8D、li=1.0D、 li=1.2D、li=1.4D時(shí)所對(duì)應(yīng)的鋼管樁復(fù)合剛度影響系數(shù)分別為1.13、1.39、1.23、1.11，即間距為1.0D的影響系數(shù)較間距為0.8D的增加了23.0%，間距為1.2D的影響系數(shù)較間距為1.0D的增加了11.5%，間距為1.4D的影響系數(shù)較間距為1.2D的降低了9.8%。

由此分析得，剪力鍵間距對(duì)鋼管樁樁頭復(fù)合剛度影響效果明顯，樁徑較小時(shí)，剪力鍵間距為1.2D時(shí)對(duì)鋼管樁樁頭復(fù)合剛度影響較大；樁徑較大時(shí)，剪力鍵間距為1.0D時(shí)對(duì)鋼管樁樁頭復(fù)合剛度影響較大。由此推測(cè)，樁徑增大，剪力鍵間距可適當(dāng)減小，這樣更有利于充分提高鋼管樁的整體剛度，進(jìn)而達(dá)到提高樁身整體受力性能。

4.2 剪力鍵間距對(duì)鋼管樁樁頭剪力鍵的受力影響

剪力鍵間距對(duì)鋼管樁樁頭剪力鍵的受力影響存在區(qū)域性，為了探究剪力鍵的受力敏感區(qū)，進(jìn)一步優(yōu)化剪力鍵間距的設(shè)計(jì)，本文以剪力鍵間距l(xiāng)i=0.6D為基準(zhǔn)，依次遞增0.1D,模擬分析剪力鍵間距對(duì)各個(gè)剪力鍵承載力的影響。

圖5 剪力鍵間距與受力關(guān)系

圖5為樁徑為0.6、0.8 m的鋼管樁樁頭各個(gè)剪力鍵的受力情況。由圖5可知，鋼管樁樁頭上部的剪力鍵受力明顯高于下部的剪力鍵，當(dāng)剪力鍵間距在0.9D～1.2D時(shí)，上部剪力鍵和下部剪力鍵的受力發(fā)生突變，剪力鍵間距對(duì)各鍵受力影響十分明顯。當(dāng)剪力鍵間距小于0.9D或者大于1.2D時(shí)，各個(gè)鍵受力變化比較平緩，剪力鍵間距對(duì)各鍵受力影響較小。當(dāng)直徑為0.6 m時(shí)，剪力鍵各鍵的受力在剪力鍵間距為1.0D處取得最大值；當(dāng)直徑為0.8 m時(shí)，剪力鍵各鍵的受力在剪力鍵間距為1.1D處取得最大值。

綜上所述，當(dāng)鋼管樁樁頭帶有2對(duì)剪力鍵時(shí)，剪力鍵的受力敏感區(qū)為0.9D～1.2D，隨著樁徑的增加，剪力鍵的最優(yōu)間距變小，但最優(yōu)間距始終在1.0D附近。

5 結(jié)論

1)樁徑較大時(shí)，剪力鍵發(fā)揮套箍作用的影響區(qū)域小，鋼管樁承載力在剪力鍵間距l(xiāng)i=1.0D附近處取得最大值；樁徑較小時(shí)，剪力鍵發(fā)揮套箍作用的影響區(qū)域大，鋼管樁承載力在剪力鍵間距l(xiāng)i=1.2D附近處取得最大值。

2)剪力鍵能夠提高鋼管樁樁頭復(fù)合剛度，剪力鍵對(duì)鋼管樁樁頭復(fù)合剛度的影響系數(shù)kyc隨著剪力鍵間距的增大先增加后減小，剪力鍵影響系數(shù)kyc在剪力鍵間距為1.0D～1.2D長(zhǎng)度時(shí)，取得最大值kycmax。樁徑增大，剪力鍵最優(yōu)間距可適當(dāng)減小，這樣更有利于充分提高鋼管樁的整體剛度，進(jìn)而達(dá)到提高樁身整體受力性能。

3)對(duì)于樁頭有2對(duì)剪力鍵的鋼管樁，鋼管樁樁頭上部的剪力鍵受力明顯高于下部的剪力鍵，在剪力鍵間距為0.9D～1.2D時(shí)，間距對(duì)剪力鍵的受力影響較大。