哑铃型承台群桩基础在船撞作用下受力分析

郝 翠 曹新垒

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)



哑铃型承台群桩基础在船撞作用下受力分析

郝 翠 曹新垒

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

以某斜拉桥哑铃型群桩基础为研究对象，运用Midas-civil及Ansys有限元计算软件，分析了哑铃型群桩基础在船撞荷载工况作用下的水平向受力规律，计算结果表明数值模拟分析结果与传统“m”法计算存在较大差别，有限元分析结果更符合实际情况。

群桩基础，水平荷载，船撞力，有限元分析

1 概述

桥梁基础承受竖向荷载和横向荷载。竖向荷载主要是恒载自重，横向荷载主要有活载的偏心产生的弯矩、汽车制动力产生的水平力和弯矩、支座摩阻力、风荷载、地震作用下产生的水平力和弯矩及通航河流中船舶的碰撞力等。对于中小跨径的常规桥梁基础计算分析时，其横向荷载通常仅考虑活载偏心产生的弯矩、汽车制动力产生的水平力和弯矩及支座摩阻力等的作用。这其中汽车制动力、支座摩阻力等荷载在水平荷载验算中多数能满足要求，而对于由地震作用和船舶撞击产生的水平荷载，则多数情况下成为大型群桩基础的控制性荷载。本文针对某斜拉桥桥塔群桩基础，应用有限元分析软件，计算了在船撞作用下群桩基础的水平承载力分配规律，研究了群桩基础水平承载特性，对于群桩基础桥梁设计具有一定的参考价值，并且对大型桥梁基础的防撞研究具有一定指导意义。

2 工程背景

某斜拉桥为跨江大桥，桥位处水利情况比较复杂，水流流速较大，航运繁忙；可通航水域广，主塔基础布置不能回避深水区及船舶撞击；该水域通航船舶的吨位大、密度高、撞击力大，位于航道中的桥墩与船舶的碰撞问题突出。根据相关船舶撞击专题研究资料，大桥南塔基础横桥向船舶撞击力达39.61MN，顺桥向船舶撞击力达19.81MN。

该桥桥塔基础采用哑铃型承台接群桩基础，桩基础按端承桩设计。承台尺寸80.3m×29.8m，承台厚8.0m，封底混凝土厚3.0m。承台下设36根钻孔灌注桩。基础平面布置见图1。承台采用C35混凝土，桩基采用C30水下混凝土，桩基钢护筒采用Q235C钢材。

3 船撞力分析

3.1 荷载工况

横桥向船撞力作用下，可认为承台整体受力；在顺桥向船撞力作用下，由于船舶撞击点集中在单侧塔柱上，需考虑哑铃型承台不同部位承受船撞力的比例情况。目前对于哑铃型承台的群桩基础船撞作用下群桩承载力分配问题的研究还较少，本文对于船撞力分配准则的研究，主要通过拟静力的方式，将船撞力等效简化为静力进行加载分析。计算时考虑横桥向船舶撞击(1wt)的工况：恒载+基础变位+船舶撞击(1wt横向)+活载(竖向力最大)+制动力+有车风荷载+温度作用，以下简称为“验算工况”。

3.2 船撞力分配规律分析

1)Midas-civil计算模型见图2。

建立全桥计算模型，对桩基及承台进行了模拟。主梁、主塔、墩柱、承台及桩基础等均采用梁单元进行模拟，斜拉索采用拉索单位模拟。桩底按固结考虑，支座位置按照实际布置进行模拟自由度。

承台采用分离式+系梁的方式，每个圆形承台和其下面的桩基刚性连接，系梁和其对应的桩基础刚接，系梁及承台采用层模拟的方式，每层厚2m，共8m高。

从Midas-civil计算结果可以看出，“验算工况”作用下，被撞击一侧承台桩基承担84.8%撞击力；中间横系梁和另一侧承台共承担近15.2%。计算时顺桥向船撞组合可偏安全考虑，按照一半承台分配85%撞击力进行计算。顺桥向撞击力单独作用下顺桥向桩基剪力图见图3。

2)Ansys分析软件计算结论。

Ansys分析时，仅模拟承台及桩基础，边界条件考虑桩底固结。计算模型中承台及桩基础均采用Beam188梁单元进行模拟(见图4)。

为研究不同桩长对船撞力作用时分配情况的影响，本次计算时选取桩长为85m与20m的两种情况。

从图5可以得出：“验算工况”作用下，被撞击一侧承台桩基承担近70%撞击力；承台中间横系梁和另一侧承台共承担30%，其中系梁范围内的桩基承担了14%，其余由另一侧承台桩承担。

从图6可以得出：“验算工况”作用下，被撞击一侧承台桩基承担近85%撞击力；中间横系梁和另一侧承台共承担15%，其中系梁范围内桩基承担了11%，其余由另一侧承台桩承担。因此计算顺桥向船撞组合偏安全考虑，按照单侧一半承台分配85%撞击力进行计算。

从以上两个软件不同方式的模拟分析，Ansys和Midas-civil计算模型均可得出一半承台分配85%撞击力进行计算是较为合理的；对于桩长较长的情况，承台分配的撞击力有所降低。

3.3 桩基受力分析

基础在承台底荷载作用下，一般角桩的受力较大，最为不利。以下仅列出最不利角桩计算结果作为控制性计算结果。桩基整体规模除了结构本身以外受船撞作用组合控制，桩基结构强度能否满足要求是对桩基规模验算的主要指标。

本次计算按照该规范要求采用“m”法进行桩身内力计算。在取得桩身内力的基础上，按照JTGD62—2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范中第5.3.9条验算圆形截面钢筋混凝土偏心受压构件正截面抗压承载能力。在横桥向顺桥向与船撞组合作用下，受力最不利桩基承载能力计算结果如表1所示。

表1 横桥向桩身截面强度计算结果

4 结语

1)传统桩基的计算方法“m”法，水平剪力按照桩基数量进行均匀分配，不适用于大型群桩计算，综合本文对斜拉桥哑铃型群桩基础在船撞作用下水平受力分析可知，数值分析模拟与“m”法存在很大差异性，且数值模拟计算结果更加符合实际；

2)船撞作用下，哑铃型承台一半承台按照分配85%撞击力进行计算是较为合理的；对于桩长较长的情况，承台分配的撞击力有所降低；

3)在船舶撞击力作用下，群桩基础水平受力不均匀，角点位置处的桩基受力最为不利，设计计算时应以此桩基作为控制性因素。

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Thebearingcapacityofthedumbbellshapedpile-capandgrouppilesundershipimpactload

HaoCuiCaoXinlei

(Anhui Transport Consulting & Design Institute Co., Ltd， Hefei 230088， China)

Bytakingthedumbbellshapedcapsupportingofcable-stayedbridgeastheresearchobject,thistextanalyzedtheruleofhorizontalbearingforthepilegroupfoundationundershipimpactloadcase,usingfiniteelementanalysissoftwareMidas-civil&Ansys.Thecalculationresultsshowthattherehasobviousdifferencebetweenthenumericalcalculationandthetraditional“m”method,andthenumericalcalculationaremoretallywiththeactualsituationcomparedwiththe“m”method.

pilegroupfoundation，horizontalload，shipimpactload，finiteelementanalysis

1009-6825(2015)01-0157-03

2014-10-26

郝 翠(1985- )，女，硕士，工程师； 曹新垒(1986- )，男，硕士，助理工程师

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