1、预应力大直径管桩的构造及有限元分析中图分类号：U656 文献标识码： A 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 0.5m14m。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
2、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 1200；下部钢管桩部分长 15m，直径为946mm。 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
3、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=mb1hZ 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、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
5、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
6、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。
