基于Abaqus的采用p－y曲线法进行多种截面钢管桩受力性能对比分析

文 | 刘莉媛，孙继栋

基于Abaqus的采用p－y曲线法进行多种截面钢管桩受力性能对比分析

文 | 刘莉媛，孙继栋

背景

一、钢管桩基础概况

钢管桩基础具有承载力高、沉降小且均匀、抗震性能好等特点，能够较好地同时承受竖向荷载、水平荷载以及风电机组运行产生的振动或动力作用，可打入较深的持力层。随着我国钢材产量的增加，钢管桩防腐技术以及新材料的研发，特别是针对近海恶劣的环境条件和地质条件，钢管桩以其较大的承载力、相对简单的沉桩工艺、较小的排土量与良好的受力性能，在海上、陆上风电场及海港工程中得到了广泛的应用。

随着海上风电产业的迅速发展，单桩钢管桩基础呈现出直径不断增大、入土深度不断加深的发展趋势，桩基础的设计重点也逐步由竖向承载力控制过渡到桩水平变位的有效控制。但受到施工运输吊装设备及钢板Z向性能等的制约，钢管桩的直径和壁厚不能无限制的增大。为了使有限用钢量下的钢管桩发挥其最优的性能，降低钢板厚度，本文提出了多种桩截面形式，并针对钢管桩在泥面下一定深度内力最大的受力特点，将钢管桩进行分段，每段截面采用不同的形式，对各种截面不同分段组合的钢管桩的受力性能进行了对比分析。

二、钢管桩承载力分析方法

风电机组基础钢管桩不仅承受自身和上部结构的自重等竖向荷载，还要承受环境荷载导致的水平荷载和弯矩，对于风电机组基础而言，水平荷载和弯矩的影响要远大于竖向荷载。桩基水平承载力的计算方法主要有弹性分析法、复合地基反力法和数值计算法。在较大水平荷载条件下，一般采用弹塑性分析模型，目前应用较为广泛的是基于复合地基反力法的p－y曲线理论。该理论认为，当弹性桩桩顶受到水平荷载时，桩附近的土体从表面开始屈服，塑性区逐渐向下发展，p－y曲线法在土体塑性区采用极限地基反力法，在土体弹性区采用弹性地基反力法，能较好地模拟桩与土体的相互作用。p－y曲线法能如实地反映土的非线性属性，是工程界和学术界普遍使用的一种计算方法。

对于p－y曲线的研究最早可追溯至Focht和McClelland（1956），两位学者就试桩的实测反力－变位曲线与土的固接不排水室内三轴实验应力－应变曲线进行对比研究。Matlock（1970）和Reese（1971）分别基于现场试验和室内试验给出了软粘土和砂土的p－y曲线公式，Reese（1975）给出了硬粘土的计算公式。基于以上学者的研究，p－y曲线法在各国都得到了广泛的应用和推广，我国从上世纪80年代开始对p－y曲线进行研究。

目前国内外的研究和工程设计主要还是基于美国石油学会的API规范中对于p－y曲线的描述，挪威船级社DNV规范中也有类似的规定，中国海洋石油总公司等采用美国石油学会发布的API规范作为石油天然气行业标准。

因此，本文基于Abaqus有限元软件，对于土约束的模拟采用p－y曲线法（基于API规范），对多种截面形式以及分段组合的钢管桩在设计荷载下的受力性能进行了对比分析。

有限元模型

有限元模型建模时，某一方向尺度（长度方向）明显大于其它两个方向的尺度，并且以纵向应力为主的结构，可以用梁单元进行模拟。但考虑到钢管桩在水平荷载作用下，会受到土对桩侧产生的反力，圆管截面自身形状会因此发生改变，因此，当钢管桩截面不再为纯圆管时，壳单元模型便成了较好的选择。因此，本节在用钢量几乎相同的前提下，针对不同截面形式和分段组合的钢管桩，采用壳单元模型进行建模，对钢管桩在相同荷载和相同土约束下的计算结果进行了对比分析。

一、基本参数

钢管桩模型分为过渡段和桩身两部分，过渡段高10m，直径4.5m－6m由上至下渐变，壁厚60mm；桩身长70m，直径6m，壁厚70mm，泥面以上桩长21m，泥面以下桩长49m，地基各土层参数见表1。依据API规范公式，推导出各土层的p－y曲线，作为Abaqus有限元软件的参数，输入桩身加载方向一侧非线性弹簧约束中，来模拟土与钢管桩的相互作用关系。通过分析，最大设计内力截面位于泥面下4.4m左右，因此桩身加强段定位泥面以上5m至泥面以下15m之间的部分（某些分段组合方式将加强段延伸至桩顶，以保证泥面以上桩身的水平刚度，控制水平位移），因此桩身被分为三段，桩上段长16m，中段长20m，下段长34m。

设计荷载的选取，应遵循桩基设计的首要原则，按照下列两类极限状态设计：承载能力极限状态和正常使用极限状态。承载能力极限状态指桩基达到最大承载力、整体失稳或发生不适于继续承载的变形。正常使用极限状态指桩基达到建筑物正常使用所规定的变形限值或达到耐久性要求的某项限值。对于桩基的结构强度验算，应采用极端荷载工况，对于结构变形的验算，则应采用正常运行工况。将设计荷载等效至塔筒底部位置施加于有限元模型中，荷载取值如表2。

二、截面类型与组合

传统的钢管桩为纯圆管截面，为保证其稳定性，规范对其最小壁厚作了明确的规定。API规范中规定桩的全场内的D/t比值应足够小，以防止应力在达到桩材料的屈服强度前桩体发生局部屈曲，采用的最小桩壁厚度不应小于下面的两个标准。

其中，t为壁厚，D为直径。

根据国内《钢结构设计规范GB50017－2003》，随着钢材厚度的加大，需要考虑Z向性能的影响，其设计强度有所降低，因此，为了提高钢材的利用率，减小桩身钢材厚度，在桩身受力较大的范围内设置加劲肋，以保证降低壁厚不会导致局部屈曲发生。通过计算，增设加劲肋的确可以明显降低钢管桩壁厚，同时也应保证加劲肋自身的稳定性能。

通过对各种形式截面的钢管桩对比分析发现，纵向加劲肋可以约束钢管桩壁，但其自身稳定性不够，因此需增设内环钢管。另外，经过计算分析，纵向圆弧形加劲肋有着较好的稳定性，因此选择了4圆弧肋和5圆弧肋两种截面类型。考虑到水平荷载的作用方向，将4圆弧肋截面旋转45度角后进行计算，各种截面形式如表3所示。

表1　地基土层参数表

表2　荷载工况及荷载取值

表3　截面类型

对于各种截面的组合，由于桩身较深处内力较小，可将其下段壁厚减薄。本文选用的进行计算分析的截面类型及其组合为表4所示的A－E共五种截面组合类型，表中括号中数值为钢管桩外壁厚度，其余加劲肋厚度不再赘述。

三、模型的建立

模型采用Abaqus有限元软件中的S4R壳单元，过渡段为圆台形状，各部分分别赋予钢板壁厚即可。由于壳单元模型中钢管桩侧壁为壳面，施加非线性弹簧约束时，为保证不发生约束节点处的应力集中，划分单元时单元应尽量小，而且需将弹簧施加至所有单元节点。桩顶施加荷载时，将顶端圆形边界自由度耦合至圆心处定义的参考点，将荷载施加于此参考点上。各种截面组合的钢管桩如图1、图2、图3、图4所示。

表4　截面组合类型

表5　各截面组合类型计算结果统计

图1　A型钢管桩模型示意

图2　B型钢管桩模型示意

图3　C、D型钢管桩模型示意

图4　E型钢管桩模型示意

图5　A型钢管桩应力云图

图6　B型钢管桩应力云图

图7　C型钢管桩应力云图

图8　D型钢管桩应力云图

图9　E型钢管桩应力云图

图10　分析结果统计

有限元分析结果

A－E五种组合形式的钢管桩在设计荷载下的应力和位移计算结果如表5所示。设计荷载下的应力云图如图5、图6、图7、图8、图9所示，分析结果统计见图10所示。

由图10可以看出，A型（上段中段70mm壁厚，下段50mm壁厚）、C型（4圆弧肋）和D型（4圆弧肋－转45°）三种钢管桩截面组合类型的计算结果较为接近，其他三种截面组合类型应力和位移结果均较A型、C型和D型偏大。

对于4圆弧肋的截面形式，由于D型相对C型截面旋转45度角，实际应用中应以应力和位移结果较大者作为此种截面形式的保守结果，因此以C型结果作为4圆弧肋截面形式的设计标准。

结论

通过p－y曲线法对多种截面和组合类型钢管桩模型的承载性能进行分析，得到如下结论和建议：

（一）在用钢量一定的前提下，增设加劲肋可提高钢管桩稳定性能，从而可以减小壁厚，减少超厚钢材的使用。

（二）A型、C型和D型两种钢管桩截面组合类型的计算结果较好，其他截面组合类型应力和位移结果均偏大；综合考虑，C型截面组合类型在用钢量相同的情况下，可有效减小圆钢管的壁厚。

（三）由于A型钢管桩上段和中段采用了70mm壁厚钢管，此时钢材的设计强度有所降低，但D型截面中采用的圆弧形加劲肋，使得钢管桩加工难度增大，焊接等工作量增加，设计时可根据实际情况进行选用。

（作者单位：龙源（北京）风电工程设计咨询有限公司）