基于sap2000的钢管桩基础承载力分析

张文远

（中交第三公路工程局有限公司，北京 100107）

0 引言

钢管桩由于具有较强的抗冲击性能和较高的承载力，以及施工工艺简单、回收方便等优点，在建筑施工临时设施的基础设计中得到了广泛的应用。

赤道几内亚Mbini大桥临时施工钢栈桥基础采用直径为63cm的钢管桩，在基础设计中利用有限元分析软件sap2000对钢管桩进行结构分析，得出钢管桩结构内力，按照m法进行桩基础的设计，经过实践检验计算方法安全可靠。

本论文对钢管桩的受力分析计算的方法进行了详细的论述，希望能够对广大工程技术人员的工作起到指导借鉴作用。

1 钢管桩有限元计算

1.1 计算荷载

1.1.1 桩顶上部结构自重

按照Mbini大桥钢栈桥结构设计，上部结构自重为51.368kN。

1.1.2 栈桥设计荷载

Mbini大桥临时钢桩桥设计荷载为50t履带吊荷载+25t吊重荷载，合计75t。

1.1.3 风荷载

赤道几内亚最大风速取V=14m/s[1]。风荷垂直作用于栈桥上，根据《港口工程荷载规范》（JTJ 215—98），风荷载标准为：

式中：wk——风荷载标准值，kPa；

μs——风荷载体型系数；

μz——风压高度变化系数；

w0——基本风压，kPa，w0＝v2/1600；

V——港口附近的空旷平坦地面距地面10m高、30年一遇10min平均最大风速，m/s。

wk=μsμzw0=1.0×1.17×0.1225=0.413kPa

1.1.4 作用在钢管上的水流力

水流力标准值为：

Pw=Cw（ρ/2）V2B（拟以线荷载形式输入）

式中：Pw——水流力标准值，kN/m；

V——水流设计流速，m/s，取断面平均流速v=3m/s。

Cw——水流阻力系数；

ρ—水的密度，1.0t/m3；

B——钢管桩宽度（即直径），B=0.63。

考虑前后墩之间的水流遮挡效应产生的折减，则有：

查《港口工程荷载规范》（JTJ 215—98）表13.0.3-2得后桩m1=0.63，前墩为1。

查（JTJ 215—98）表13.0.3-5得后桩m2=1。

墩柱相对水深影响系数：

考虑以上所有修正后，迎水面管桩计算公式为：

后排管桩计算公式为：

前排Φ630×8：

转换为集中力：

Fw=2.07×17.77=36.8kN，作用点高程H=18.41m后排Φ630×8：

转换为集中力：

Fw=1.7×17.77=30.2kN，作用点高程H=18.41m

1.2 荷载组合

荷载组合公式为：1.2×结构自重+1.1×履带吊工作荷载+水流荷载+风载[2]

1.3 钢管桩计算模型及内力分析

采用sap2000建立模型（见图1），施加荷载进行内力分析（见图2）。

图1 钢管桩受力模型

图2 钢管桩位移图

钢管桩在地面线位置（河床顶面）所受最大内力如下：

最大弯矩M0=260kN·m；

最大剪力Q0=49kN；

最大轴力Nmax=898.96kN。

采用m法求Mmax，过程见表1。

表1 m法计算结果表

以Mmax=367.5kN·m、Nmax=899kN为复核内力求最大应力，进行强度复核。

钢管桩Wx=0.0051m3， A=0.0158m2， Ix=404638 cm4，

强度复核：

强度验算：

强度验算：

验算时主要构件取Q235钢材允许强度。

2 摩擦桩承载力复核

对于按照此方法计算的摩擦桩需进行竖向承载力验算，端承桩竖向承载力不予复核。

竖向承载力验算公式为：

式中：Qd——单桩垂直极限承载力设计值，k N；

U——桩身截面周长，m；

qfi——单桩第i层土的极限侧摩阻力标准值，kPa[4]；

Li——桩身穿过第i层土的长度，m；

qR——单桩极限端阻力标准值，kPa；

A——桩身截面面积，m2；

γR——单桩垂直承载力分项系数，根据工程具体情况分析确定，取1.6。

设计桩长取30m，经计算，得：

Qd=630kN＞Nmax=600kN，符合要求。

3 结语

笔者多年从事桥梁工程施工和建筑施工临时设施设计工作，通过对诸多临时工程的桩基设计和试验，总结了基于sap2000的钢管桩基础设计计算方法，经过Mbini大桥临时钢栈桥的实践检验和传统计算方法的对比复核，计算方法值得在钢管桩基础的施工设计过程中借鉴和应用。

[1]中国路桥工程有限公司.赤道几内亚Mbini大桥施工图设计第三册测量地勘[Z].北京：中国路桥工程有限公司，2010.

[2]JTJ 215—98，港口工程荷载规范[S].

[3]JTJ 248—2001，港口工程灌注桩设计与施工规程[S].