吸力式桶体基础结构钢筋骨架失稳研究

李亚，程泽坤

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032）

吸力式桶体基础结构钢筋骨架失稳研究

李亚，程泽坤

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032）

连云港徐圩防波堤工程吸力式桶体基础（SBF）为大尺寸混凝土薄壁结构，施工中钢筋骨架容易发生失稳。基于特征值屈曲理论和有限单元法，研究钢筋骨架高度、边界约束条件、钢筋直径等因素对骨架稳定性的影响。计算发现，底部约束和侧向支撑可以显著提高稳定性；仅增加竖向钢筋直径不能保证稳定性提高；采用边界类型IV得到的稳定系数满足规范要求。提出钢筋骨架防失稳施工方案，实际工程验证了其可行性。

吸力式桶体基础；钢筋骨架；特征值屈曲；有限单元法；失稳

1 工程概况

吸力式桶体基础（Suction Bucket Foundation，简称SBF）结构常应用于近海工程中[1]，这种结构主要利用桶体和地基土的相互作用提供基础承载力。连云港徐圩防波提工程直立式防波堤即采用SBF结构形式，桶体为混凝土薄壁结构，结构平面近似椭圆形（30 m×20 m），桶体内部布置井字形格板以增加结构整体刚度和结构与土体之间的阻力，桶体高9 m，外壁厚400 mm，内格板厚300 mm（见图1）。施工中利用负压将结构安装至泥面以下。

SBF结构处于海洋环境中，荷载作用复杂，并长期承受海水的化学侵蚀作用，设计中对可靠性和耐久性要求高；而SBF结构的工作机理要求其具备较大尺寸，加上本身为薄壁结构，导致预制施工中钢筋骨架容易失稳，从而影响其制作质量和受力性能。目前，规范中尚没有钢筋骨架稳定计算与设计的相关要求，仅有施工制作方面的规定，但钢筋骨架如同普通钢结构一样，存在失稳问题。本文基于特征值屈曲理论，采用有限单元法研究本工程SBF结构钢筋骨架的稳定性，提出实际施工中钢筋骨架防失稳方案。

2 结构特征值屈曲方程

特征值屈曲基于小变形弹性理论，是一种理想线性屈曲[2-3]。结构增量平衡方程为：

图1 桶体基础结构图（单位：mm）Fig.1 Structure plan and section of SBF(mm)

式中：[Ke]为结构的弹性刚度矩阵；[Kσ（P0）]为初始荷载{P0}作用下结构的几何刚度矩阵；λ为荷载因子；{ΔU}为结构位移增量；{ΔP}为结构外力增量。

特征值屈曲发生时满足：{ΔP}→0，{ΔU}≠0；可得到特征值屈曲方程为[4-5]：

于是结构屈曲分析可以归结为求解方程（2）的特征值问题，进一步可得临界荷载{Pcr}=λmin{P0}（λmin为稳定系数）。本文屈曲方程求解方法采用有限单元法[6]。

3 SFB结构钢筋骨架稳定性计算

3.1 计算前提条件

桶体外壁和格板的钢筋骨架均由内外两层钢筋网构成，钢筋交叉点采用绑扎连接。钢筋网格周边的两行钢筋的相交点全部扎牢，中间部分交叉点间隔交替扎牢。在有限元计算中，建立耦合约束方程保证交叉点处水平和竖直方向2根钢筋上2个节点的平动自由度相同，转动自由度各自独立。钢筋骨架底部结点无平动，但是可以根据实际约束情况考虑有转动（铰接）和无转动（固接）两种情况。另外，为了提高钢筋骨架的稳定性，可通过设置定位支架提供沿高度分布的侧向支撑点。本文主要考虑4种边界条件：

边界类型I：钢筋骨架底部铰接，在外壁和格板连接处设置侧向支撑，如图2（a），系列支撑点沿高度间距400 mm。

边界类型II：钢筋骨架底部铰接，在外壁钢筋网对称面上设置侧向支撑，如图2（b），系列支撑点沿高度间距400 mm。

边界类型III：钢筋骨架底部固接，不使用定位支架。

边界类型IV：钢筋骨架底部固接，侧向支撑设置同边界类型I。

本工程中SBF结构主要配筋如表1。

图2 钢筋骨架侧向支撑Fig.2 Lateralsupport of reinforcement skeleton

表1 SBF结构配筋统计表Table1 The reinforcement of SBF

3.2 结构稳定有限元计算

计算选用ANSYS 13.0软件，采用BEAM188三维梁单元模拟钢筋的力学行为。钢筋骨架有限元模型（1/4模型）平面视图如图3，横格板与外壁连接处钢筋骨架局部详图见图4。

经过有限元计算，可得到4种边界类型情况钢筋骨架失稳模态如图5。

按照原设计条件，当绑扎高度分别为3.0 m、6.0 m、9.0 m时，钢筋骨架稳定系数见表2。另外，考虑将竖向钢筋直径由16 mm增大到18 mm，重新计算稳定系数，结果见表2。

图3 钢筋骨架有限元模型（1/4模型）Fig.3 FEMmodelof SBF(1/4 model)

图4 横格板与外壁连接处局部详图Fig.4 Connection detailfor outer and inner wall

图5 钢筋骨架失稳模态图Fig.5 Instability modes ofthe reinforcement skeleton

表2 稳定系数计算结果Table2 Results of stability coefficients

分析稳定系数计算结果可以发现：

1）随着钢筋骨架绑扎高度的增加，稳定系数变化趋势与边界类型密切相关。对于底部为刚接的边界类型III和类型IV，稳定系数减小，无侧向支撑的类型III减小幅度远大于有侧向支撑的类型IV。对于底部为铰接的边界类型I和类型II，稳定系数分别呈现先增加后减小和逐渐增加两种趋势，这与绑扎高度增加带来的整体重量以及刚度变化有关。

2）对比发现，底部固接约束和侧向支撑可显著改善钢筋骨架稳定性。侧向支撑宜布置在纵横钢筋网交点处，此时失稳变形主要发生在纵格板钢筋网，为局部失稳，稳定系数高；且失稳区域内外层钢筋网呈现非同相变形，可通过增设拉结钢筋进一步提高其稳定性。侧向支撑点布置在骨架薄弱处或无侧向支撑时，结构趋向整体失稳形式，且内外层钢筋网呈现同相变形，两者无法相

互“扶持”。

3）竖向钢筋直径增大到18 mm时，稳定系数变化趋势与骨架底部约束类型、钢筋绑扎高度相关。骨架底部为固接的类型III和类型IV，稳定系数增加；骨架底部为铰接的类型I和类型II，稳定系数在绑扎高度为3 m和6 m时减小，绑扎高度为9 m时增加。可见，仅增加钢筋直径可以提高其单根钢筋刚度，并不能保证骨架整体稳定性的增加。

4）依据网壳结构规范，采用弹性分析时，稳定安全系数Ks可取4.2[7]。根据计算，采用边界类型III或类型IV且限制骨架高度3.0 m时，稳定系数大于Ks，能满足规范要求。

根据计算分析，本工程在实际施工中钢筋骨架边界条件按照类型IV实施，采取分层绑扎浇注方法，并保证骨架自由高度3～6 m之间（由于钢筋骨架为施工过程中的临时结构形态，故稳定安全系数要求可适当降低），在结构预制过程中未发生钢筋骨架失稳现象，保证了SBF结构制作质量。

4 结语

1）SBF结构钢筋骨架的稳定性主要与骨架底部约束条件、侧向支撑条件、钢筋直径、绑扎高度等因素有关系。底部约束条件和侧向支撑条件对稳定性有显著影响；仅增加竖向钢筋直径可以提高单根钢筋刚度，整体稳定性能不一定得到改善，必须综合考虑多个因素，着重改善底部和侧向约束，遏制整体失稳形态的发生，才能提高钢筋骨架稳定性。

2）根据计算分析结果，在施工中采取分层绑扎浇筑方法，边界约束选用类型IV，并限制骨架自由高度，解决了SBF结构预制中钢筋骨架失稳问题，验证了计算分析结论的可靠性。

3）本文的研究主要建立在线性稳定理论基础上，有限元模型中考虑了水平钢筋相对于竖向钢筋的形心位置偏移引起的附加力作用。由于钢筋骨架的制作精度低于普通钢结构，初始缺陷程度较高，本文的计算结果与实际情况有一定误差，但是钢筋骨架为临时结构状态，对稳定计算精度要求低于普通钢结构，利用本文方法进行稳定预测基本满足工程需要。

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[7]JGJ 7—2010，空间网格结构技术规程[S]. JGJ 7—2010,Technical specification for space frame structures [S].

Instability study on reinforcement skeleton of suction bucket foundation structure

LIYa,CHENG Ze-kun
（CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai200032,China）

Owing to large-size dimensions of the Suction Bucket Foundation(SBF)applied by Xuwei breakwater in Lianyungang,the reinforcement skeleton tends to lose stability during construction.Based on the eigenvalue buckling theory and finite element method,we studied the influence of the reinforcement skeleton'height,the boundary constraint,and the diameter of bar on the stability of reinforcement skeleton.It is found that,using the bottom boundary constraint and the lateral support can greatly improve stability;the increase of bar's diameter cannot guarantee more stable;the stability coefficient calculated according to boundary condition IV can meetrequirementof the nationalstandard.Additionally,construction method is presented to ensure the stability ofthe reinforcementskeleton,which has been proved effectively in practice.

suction bucket foundation;reinforcement skeleton;eigenvalue buckling;finite element method;instability

U652.74

A

2095-7874（2015）12-0033-04

10.7640/zggwjs201512008

2015-06-16

李亚（1983—），男，硕士，工程师，从事水工结构设计与数值分析工作。E-mail：ethanharvard@qq.com