桩基静载试验锚桩反力钢梁装置结构优化设计

胡天威, 付利卿,王宏亮

（1.甘肃省建筑设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730030；2.兰州兰石集团有限公司工程研究院，甘肃 兰州 730314）

目前，静载试验被认为是建筑基桩检测最直接有效的方法，也是应用最广泛的方法之一。静载试验的关键在于提供试验荷载的反力装置，常用反力装置有堆载反力装置和锚桩反力钢梁装置。堆载反力装置通常采用沙袋、混凝土预制块、盛水水箱、土等重物，安装在承重平台上方，提供试验加载反力。锚桩反力钢梁装置通过锚桩上布置的锚筋和连接装置约束反力梁，提供试验加载反力。锚桩反力钢梁装置运输和安装较堆载反力装置更经济和便捷，在条件允许时，桩基静载试验多采用锚桩法。锚桩法反力装置的规格由静载试验最大加载值决定，通常采用1根或多根锚桩反力梁（后简称反力梁）提供试验反力。试验过程中，反力梁的运输和安装成为试验的主要工作量。在保证反力钢梁的强度和刚度的前提下，反力梁自重越小，运输和安装过程就会越便捷。本文通过拓扑优化和结构有限计算，对现有的反力梁进行结构优化，以减轻重量，提高反力梁在运输和安装过程中的便捷性。

1 反力钢梁结构结构优化

1.1 现有反力钢梁结构

现有反力梁采用普通碳钢焊接而成，结构形式和尺寸如图1所示，反力梁长宽高分别为：8000mm×600mm×1400mm，顶面和底面钢板厚度50mm，左右两侧钢板和腹板厚度30mm，其余竖向和横向的筋板厚度30mm，宽度400mm，反力梁总质量7805kg。

图1 现有反力梁结构形式及主尺寸（单位：mm）

图2 拓扑优化计算结果

1.2 拓扑优化

拓扑优化通过计算力的传递路径，可得到构件的最优的结构形式，文中采用SolidThinking Inspire软件计算。先按反力钢梁主尺寸创建一个长方体，作为设计区域，以得到结构雏形。矩形底面两侧施加位移约束，中间施加向上的单位作用力，长度方向添加对称约束，如图2-(a)所示，优化目标为30%体积，计算结果如图2-(b)所示。计算得到的结构形式类似拱桥结构，是反力梁的主要承力部分。考虑反力梁的安装需求，结合上述计算结果再次创建模型，保持模型主尺寸不变，模型两端修改为长800mm，高750mm的安装平台，作为非设计区，其余空间为设计区域。两端安装平台顶面添加位移约束，其余计算参数同上，如图2-(c)所示，计算得到如图2-(d)所示结构形式，可同时满足反力梁安装和结构优化的要求。

1.3 结构优化设计

由于制造工艺的限制，拓扑优化的结构形式不能直接应用于实际工程，需要结合反力梁的制造工艺进行优化设计。反力梁由钢板焊接而成，主要的承力结构（图3中加粗线条所示）采用厚度50mm的钢板，其余结构采用厚度30mm的钢板，反力梁结构优化设计方案如图3所示，长8000mm，宽600mm，两端安装平台高750mm，反力梁总高1400mm，布置5条竖向筋板和2条斜向筋板。为进一步减重，通过布置不同宽度的筋板，共设计了3种结构优化方案，各方案的筋板宽度见表1。通过有限元软件分别计算三种优化方案的应力状态和变形情况，与反力梁现有方案做对比分析，确定最终的结构优化设计方案。

图3 反力梁优化方案结构形式及主尺寸（单位：mm）

表1 反力梁3种结构优化方案的筋板宽度尺寸

1.4 结构有限元计算

结构有限元计算采用SolidWorks软件的Simulation模块，反力钢梁现有设计方案和优化方案的有限元计算参数见表2。计算时，各方案模型的有限元网格均调至最密，反力梁顶面两端1000mm区域施加位移约束，反力梁底面中间400mm区域施加方向向上、大小为2500kN的试验加载反力，如图4所示。计算结束，分别对比4种设计方案的质量、最大等效应力、竖向最大位移和顶面中点位置竖向位移。反力梁现有方案有限元计算结果如图5所示，反力梁优化方案1有限元计算结果如图6所示，方案2和方案3计算结果不再一一列出，计算结果数据见表3。

表2 有限元计算参数

图4 反力钢梁现有方案与优化方案有限元计算模型

表3 优化方案对比分析

图5 反力钢梁现有方案等效应力云图（左）和竖向位移云图（右）

图6 反力钢梁优化方案1等效应力云图（左）和竖向位移云图（右）

1.5 计算结果分析

根据表3可得，反力梁钢结构优化方案减重明显，方案3减重最多，为1448kg，减重18.55%；最大等效应力均显著降低，方案1降低最多，为59.46%；竖向最大位移均有减小，方案1减小最多，为22.26%；顶面中点的竖向位移均有小幅增大，方案1和方案2增幅2.70%，方案3增幅6.31%。

方案1和方案2两条斜向筋板的宽度相同，竖向筋板宽度不同，计算结果非常接近；方案2和方案3竖向筋板宽度相同，斜向筋板宽度不同，方案2的计算结果明显优于方案3；以上结果进一步证明了斜向筋板为反力钢梁的主要承力结构，说明反力钢梁拓扑优化的结构形式和优化设计方案合理可行。

方案3减重最多，等效应力和位移变形优于或接近现有方案，可满足静载试验的需求，反力梁运输和安装过程中的便捷性最好，是最优的结构形式。

2 结论

基于拓扑优化和结构有限元计算，有效降低了反力钢梁现有方案的重量，且优化方案合理可靠；

拓扑优化技术可有效指导检测人员设计反力梁的结构形式；

文中反力钢梁的3种优化方案均可作为桩基检测人员设计参考依据。