预应力大直径管桩的构造及有限元分析

预应力大直径管桩的构造及有限元分析

预应力大直径管桩，是在混凝土管桩的桩底铆接一段钢管桩（钢桩靴）（图1），使钢管桩与混凝土管桩之间相互传递轴向力（拉应力和压应力）、剪力和弯矩。混凝土管桩与钢管桩的组合桩是一种新桩型，铆接的钢管桩长度按需要确定，一般为0.5m~14m。一般情况下，钢管桩通过螺栓与大管桩牢固连接，达到两种桩连接处具备传递外力和内力的条件。

本文选取某工程为研究对象，对预应力大直径管桩进行了有限元分析计算，确保了桩的承载力。

图1 预应力大直径管桩结构示意图

1.有限元模型的建立

计算选用SAP2000有限元分析软件对组合桩进行有限元分析计算。SAP2000是由美国Computers and Structures Inc.（CSI）公司开发研制的通用结构分析与设计软件。SAP2000已有近四十年的发展历史，是美国乃至全球公认的结构分析计算程序，在世界范围内广泛应用。

在计算时将管桩壁定义为壳单元，选用厚板公式进行分析计算。模型形状及网格划分图，材料定义示意图如图2、图3所示。本模型共有849个节点，816个面单元和16个实体单元。总桩长50m，其中上部大管桩部分长35m，直径为Φ1200；下部钢管桩部分长15m，直径为Φ946mm。

由于桩底没有伸入基岩，故将桩底视为铰支。在考虑桩周围土体作用时，在桩周围加正交的水平弹簧，并按m法计算弹簧刚度系数。SAP2000提供了面弹簧的指定功能，对于桩体在土体以下部分的壳单元进行了面弹簧的指定，以此来模拟桩土的相互作用。

计算选择桩底高程-46.70m，桩顶高程3.3m。各土层物理力学性质指标及设计参数建议值如表1所示。

表1 物理力学性质指标及设计参数建议值统计表（码头MA区段）

根据K=m×b1×h×Z得出各个深度处的水平地基反力系数如表2所示。

表2 水平地基反力系数

图2 网格划分图图3 材料定义示意图

根据m法计算得出水平地基反力系数后，在SAP2000中进行面弹簧参数的指定，面弹簧指定示意图如图4所示。

从真实的单元形式来讲，土体是一种非常复杂的非线性单元形式，在SAP2000中，基于目前的功能，可以使用线性弹簧或非线性（多线性连接单元）连接单元考虑。本工程选用弹簧来模拟桩土之间的相互作用，弹簧单元没有质量，6个方向的刚度也可以耦合，使用只具有单方向刚度的点弹簧来模拟桩土作用。

图4 面弹簧定义示意图

2 各种工况下的有限元分析

2.1 波浪荷载作用下的承载力分析

SAP2000提供了专门的波浪荷载工况，在波浪荷载作用下的桩体变形图如图5所示，内力图如图6所示。

桩顶端的水平位移为198mm，控制在设计要求的范围内。由内力图可见，桩体内部的应力在材料的极限应力范围之内，是安全的。

图5 在波浪荷载作用下变形图6 在波浪荷载作用下内力图

2.2 大管桩的抗震性能分析

SAP2000程序提供反应谱工况分析，程序将自动将荷载施加到结构上，并且自动参与荷载组合。分析所得的前三阶阵型如图7所示，应力图如图8～图10所示。

表3 各阶自振参数

图7 前三阶阵型变形示意图

图8 一阶振型内力图

图9 二阶振型应力图

图10 三阶振型应力图

中国规范中的底部剪力法在SAP2000中可以通过QUAKE类型的荷载工况来实现。各个参数的定义如图11所示。

图11 地震荷载参数定义

底部剪力法的技术方法采用抗震规范5.2水平地震作用计算和5.3竖向地震作用计算的相关条目。如果结构需要采用底部剪力法计算地震作用时，应该定义自动地震荷载工况；如果结构需要采用反应谱法计算地震作用时，则不需要定义自动地震荷载工况。对于底部剪力法地震工况，由于一个工况对应一个方向的地震力，所以对于考虑多个方向地震力的情况，工程师需要分别定义多个方向的地震荷载工况。底部剪力法可以考虑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应力图可知，桩体内部的应力在材料的极限应力范围之内，是安全的。将底部剪力法应力图和反应谱分析三阶阵型应力图进行对比发现，二者的计算结果基本吻合，确保了计算结果的正确性和可信度。

图12 底部剪力法计算所得应力图

3 结论及建议

论文选取某工程为研究对象，建立了相应的预应力大直径管桩的数值模型，计算了该工程条件下单桩抗压承载力、波浪荷载作用下的承载力以及抗震性。通过底部剪力法应力图和反应谱分析三阶阵型应力图进行对比发现，二者的计算结果基本吻合，确保了计算结果的正确性和可信度。

计算结果显示，预应力大直径管桩不仅兼顾了普通管桩和钢管桩的优点，更具有较强的承载力，满足了桩的抗拉要求，增加了桩使用期的稳定性。