預(yù)應(yīng)力大直徑管樁，是在混凝土管樁的樁底鉚接一段鋼管樁（鋼樁靴）（圖1），使鋼管樁與混凝土管樁之間相互傳遞軸向力（拉應(yīng)力和壓應(yīng)力）、剪力和彎矩?；炷凉軜杜c鋼管樁的組合樁是一種新樁型，鉚接的鋼管樁長(zhǎng)度按需要確定，一般為0.5m~14m。一般情況下，鋼管樁通過(guò)螺栓與大管樁牢固連接，達(dá)到兩種樁連接處具備傳遞外力和內(nèi)力的條件。
本文選取某工程為研究對(duì)象，對(duì)預(yù)應(yīng)力大直徑管樁進(jìn)行了有限元分析計(jì)算，確保了樁的承載力。
1.有限元模型的建立
計(jì)算選用SAP2000有限元分析軟件對(duì)組合樁進(jìn)行有限元分析計(jì)算。SAP2000是由美國(guó)ComputersandStructuresInc.（CSI）公司開(kāi)發(fā)研制的通用結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件。SAP2000已有近四十年的發(fā)展歷史，是美國(guó)乃至全球公認(rèn)的結(jié)構(gòu)分析計(jì)算程序，在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用。
在計(jì)算時(shí)將管樁壁定義為殼單元，選用厚板公式進(jìn)行分析計(jì)算。模型形狀及網(wǎng)格劃分圖，材料定義示意圖如圖2、圖3所示。本模型共有849個(gè)節(jié)點(diǎn)，816個(gè)面單元和16個(gè)實(shí)體單元?？倶堕L(zhǎng)50m，其中上部大管樁部分長(zhǎng)35m，直徑為Φ1200；下部鋼管樁部分長(zhǎng)15m，直徑為Φ946mm。
由于樁底沒(méi)有伸入基巖，故將樁底視為鉸支。在考慮樁周圍土體作用時(shí)，在樁周圍加正交的水平彈簧，并按m法計(jì)算彈簧剛度系數(shù)。SAP2000提供了面彈簧的指定功能，對(duì)于樁體在土體以下部分的殼單元進(jìn)行了面彈簧的指定，以此來(lái)模擬樁土的相互作用。
計(jì)算選擇樁底高程-46.70m，樁頂高程3.3m。
根據(jù)m法計(jì)算得出水平地基反力系數(shù)后，在SAP2000中進(jìn)行面彈簧參數(shù)的指定，面彈簧指定示意圖如圖4所示。
從真實(shí)的單元形式來(lái)講，土體是一種非常復(fù)雜的非線性單元形式，在SAP2000中，基于目前的功能，可以使用線性彈簧或非線性（多線性連接單元）連接單元考慮。本工程選用彈簧來(lái)模擬樁土之間的相互作用，彈簧單元沒(méi)有質(zhì)量，6個(gè)方向的剛度也可以耦合，使用只具有單方向剛度的點(diǎn)彈簧來(lái)模擬樁土作用。
2各種工況下的有限元分析
2.1波浪荷載作用下的承載力分析
SAP2000提供了專門的波浪荷載工況，在波浪荷載作用下的樁體變形圖如圖5所示，內(nèi)力圖如圖6所示。
樁頂端的水平位移為198mm，控制在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)。由內(nèi)力圖可見(jiàn)，樁體內(nèi)部的應(yīng)力在材料的極限應(yīng)力范圍之內(nèi)，是安全的。
2.2大管樁的抗震性能分析
SAP2000程序提供反應(yīng)譜工況分析，程序?qū)⒆詣?dòng)將荷載施加到結(jié)構(gòu)上，并且自動(dòng)參與荷載組合。分析所得的前三階陣型如圖7所示，應(yīng)力圖如圖8～圖10所示。
表3各階自振參數(shù)
中國(guó)規(guī)范中的底部剪力法在SAP2000中可以通過(guò)QUAKE類型的荷載工況來(lái)實(shí)現(xiàn)。
底部剪力法的技術(shù)方法采用抗震規(guī)范5.2水平地震作用計(jì)算和5.3豎向地震作用計(jì)算的相關(guān)條目。如果結(jié)構(gòu)需要采用底部剪力法計(jì)算地震作用時(shí)，應(yīng)該定義自動(dòng)地震荷載工況；如果結(jié)構(gòu)需要采用反應(yīng)譜法計(jì)算地震作用時(shí)，則不需要定義自動(dòng)地震荷載工況。對(duì)于底部剪力法地震工況，由于一個(gè)工況對(duì)應(yīng)一個(gè)方向的地震力，所以對(duì)于考慮多個(gè)方向地震力的情況，工程師需要分別定義多個(gè)方向的地震荷載工況。底部剪力法可以考慮X方向、Y方向或Z方向地震作用以及偶然偏心。
由底部剪力法所得的應(yīng)力圖可知，樁體內(nèi)部的應(yīng)力在材料的極限應(yīng)力范圍之內(nèi)，是安全的。將底部剪力法應(yīng)力圖和反應(yīng)譜分析三階陣型應(yīng)力圖進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，二者的計(jì)算結(jié)果基本吻合，確保了計(jì)算結(jié)果的正確性和可信度。
3結(jié)論及建議
論文選取某工程為研究對(duì)象，建立了相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力大直徑管樁的數(shù)值模型，計(jì)算了該工程條件下單樁抗壓承載力、波浪荷載作用下的承載力以及抗震性。通過(guò)底部剪力法應(yīng)力圖和反應(yīng)譜分析三階陣型應(yīng)力圖進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，二者的計(jì)算結(jié)果基本吻合，確保了計(jì)算結(jié)果的正確性和可信度。
計(jì)算結(jié)果顯示，預(yù)應(yīng)力大直徑管樁不僅兼顧了普通管樁和鋼管樁的優(yōu)點(diǎn)，更具有較強(qiáng)的承載力，滿足了樁的抗拉要求，增加了樁使用期的穩(wěn)定性。
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