某跨海大桥施工承台桩靴的结构分析与优化

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第27卷第5期武汉理工大学学报(考垩裂差)Vo1．27No．52003年10月JournalofWuhanUniversityofTechnologyOct．2003(TransportationScience8LEngineering)某跨海大桥施工承台桩靴的结构分析与优化吕运冰彭泽军(武汉理工大学交通学院武汉430063)摘要；采用大型有限元分析软件ANSYS5．7对工程实际问题——某跨海大桥施工承台桩靴结构，进行了有限元建模和计算分析，指出原设计方案会在顶板和底板产生比较大的应力和位

2、移，不能满足工程实际的需要．利用ANSYS自带的优化求解器DesignOpt对结构进行了优化，得到优化后的结构尺寸．并为同类结构分析提供了参考．关键词：桩靴；结构分析；有限元；优化中围法分类号：O39；TBI2为了建造桥墩，施工单位需要在海面上搭建12mm．板材料为Q235钢，有关材料参数如下．临时施工承台，由4个深入海底泥滩的桩支撑．由屈服强度O's一235MPa；极限强度crb一于海底淤泥基础承载能力很差，故在桩底部设计500MPa；弹性模量E=2．06×10MPa；泊松比一个钢结构的“靴子”，以增大与海底的接触面积．／1-0．3；

3、质量密度P一7．8×10。kg／m。．桩靴底部处于海水水深20m处，确保桩靴的强该桩靴结构，受到3种载荷的作用：其一，水度和稳定性是一个很重要的问题．工程完工后为压的作用；其二，上部结构传递过来的承台的压了不致于对今后的航道和环境产生影响，还需拆力；其三，结构的自重．除承台，并移到另一处重新组装使用，为此施工单＼／20筋肋位设计了一个带吊耳的桩靴结构，安置在桩底部．壬l000厂对于桩靴这种非常规结构，还没有具体的设5—顶_扳}＼I＼《计规范，施工单位采取经验设计，由于对这种结构l’王复舒f＼、J’＼的设计参数统计规律缺乏了解，设计存在很

4、大盲目性和主观性，要么部分构件尺寸偏大造成资源浪费和成本提高，并使重新拆除安装困难；要么部＼／，分结构强度、刚度不足造成隐患．所以对该结构进I49014001400110201400t4001490I行分析和优化是很有必要的．图1桩靴立面图1．2桩靴结构的有限元建模桩靴结构的有限元计算1．2．1基本假设和简化1)由于桩靴结构具有严格的对称性，考虑取1．1桩靴结构相应尺寸和载荷情况其1／4结构建立模型．整个桩靴结构由顶板、底版，外侧板和内侧板2)下部吊耳是为了工程完工后起吊方便而所构成．为了加强结构刚度，在结构内部对称布置设置的，对结构的

5、强度、刚度并没有太大影响，因了8个径向大肋板和径向小肋板，另外在环向设此可不考虑下部吊耳的影响．置了两个肋板．具体尺寸见图1所示．在原设计方3)忽略对结构强度和稳定性影响不大的支案中，顶板厚度取为5mm，其它各板厚度都取为收穑日期t2003一O6—27吕运冰t男，57岁，教授，主要研究领域为结构分析、断裂与损伤维普资讯http://www.cqvip.com第5期吕运冰等：某跨海大桥施工承台桩靴的结构分析与改进·637·撑法兰盘的筋肋的作用．侧板受海水压力作用户一0．2MPa．1．2．2建立模型和分网在ANSYS5．7中，可底板受海水压

6、力及上部结构传递过来施工撑以用两种方法来生成模型：实体建模和直接生成．台的重量．对于实体建模，描述模型的几何边界，建立对单元水压p=0．2MPa．大小及形状的控制，然后令ANSYS程序自动生传递的撑台压力成所有的节点和单元．直接生成法，是在定义户=『二一叭u’州96bMnaANSYS实体模型之前，必须确定每个节点的位底板所受的总的压力=0．2+0．196=置，及每个单元的大小、形状和连接．文中主要采0．396MPa．用自底向上的实体建模方法，并利用拖拉等布尔操作建立模型[1]．2结果分析在分网时，根据桩靴的结构和受力特点，选用SHELL

7、63弹性壳．采用映射网格划分方法划分单通过ANSYS计算得到整个结构，结构的等元．效应力(yonMises应力)分布云图、各板应力及1．3边界条件及载荷的处理位移部分结果列于表1中．1．3．1边界条件由于桩靴内侧板与桩紧紧固表1原方案各板应力位移情况结在一起，因此考虑将该面沿X轴，y轴，z轴方向的位移和绕，y，z轴的转动全部约束掉；根据桩靴结构的严格对称性的结构特点，对于两个径向大肋板采用对称约束[2]．1．3．2载荷处理由于整个桩靴结构处于海平面下20m深处，它要受到3种载荷的作用．1)海水压力的作用．根据液体压力公式P==pgh由于

8、侧板及顶板具有纵向方向的尺寸，显然各处压力是不等的．但由于整个桩靴结构的纵向尺寸(最大1m)相对于海水深度而言是很小的，从以上计算结果可以看出，侧板及各肋板上因此在这里将桩靴各面的压力统一看作是海水下的整体