基于ANSYS的雙排鋼板樁海堤受力特性分析

劉春陽，張淑華，陳光明，孫興毅（河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京210098）

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基于ANSYS的雙排鋼板樁海堤受力特性分析

劉春陽，張淑華，陳光明，孫興毅
（河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京210098）

摘要：以浙江某雙排鋼板樁海堤為例，用ANSYS軟件，采用Drucker-Prager本構(gòu)模型，以接觸對模擬樁土作用，分別計(jì)算設(shè)計(jì)荷載及地震荷載下結(jié)構(gòu)的受力。將設(shè)計(jì)荷載下計(jì)算結(jié)果與鋼筋混凝土板樁進(jìn)行對比，結(jié)果顯示，相同尺寸、土層及荷載條件下，鋼板樁結(jié)構(gòu)位移比鋼筋混凝土板樁小。地震荷載下，鋼板樁體系對地震波有放大作用，板樁頂部與橫梁接部位及樁土接觸位置處應(yīng)力較大，需要進(jìn)行加強(qiáng)處理。隨后計(jì)算動(dòng)水壓力對結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果顯示，附加質(zhì)量對結(jié)構(gòu)的位移有較大的影響，動(dòng)水阻尼的影響可以忽略不計(jì)。

關(guān)鍵詞：鋼板樁；地震；動(dòng)水壓力

我國傳統(tǒng)的海堤結(jié)構(gòu)以土石堤為主，主要有以下缺點(diǎn)：一方面，建設(shè)過程中地基處理花費(fèi)大；另一方面，土石堤自身抗風(fēng)險(xiǎn)能力弱［1］。因此非常有必要對海堤進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，對比不同設(shè)計(jì)方案的海堤的穩(wěn)定性，得出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案［2］。

鋼板樁作為一種綠色環(huán)保高效的建筑材料，有著質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的特點(diǎn)［3］。雙排鋼板樁通過在雙排樁之間填充砂石并利用拉桿把兩排鋼板樁拉結(jié)，其結(jié)構(gòu)剛度大，可以承受更大的彎矩，一般作為大型的永久性支護(hù)結(jié)構(gòu)［4］。采用雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行海岸工程建設(shè)，是未來一個(gè)非常有前景的工程方向［5］。

目前，關(guān)于雙排鋼板樁的研究成果主要是簡單的靜力計(jì)算方面。葉三元［6］參考了基坑支護(hù)的相關(guān)規(guī)范，闡述了圍堰的設(shè)計(jì)，穩(wěn)定性分析及鋼板樁的結(jié)構(gòu)選型。王卓林［7］對控制圍堰變形、維護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的技術(shù)措施進(jìn)行了一系列的探討。張玉成［8］綜述了雙排樁的優(yōu)缺點(diǎn)和幾種計(jì)算方法，并采用簡化后的土壓力用有限元法進(jìn)行了計(jì)算分析。不過，雖然鋼板樁承受彎矩的能力很強(qiáng)，但其變形和位移是否一定優(yōu)于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土板樁存在質(zhì)疑，王元戰(zhàn)［9］指出，雖然鋼結(jié)構(gòu)受力整體強(qiáng)度大，但是其結(jié)構(gòu)柔性大，在軟土上建設(shè)鋼板樁結(jié)構(gòu)，可能會(huì)造成沉降和位移值過大。劉祚秋［10］指出，如果鋼板樁兩側(cè)土體不平衡會(huì)造成鋼板樁樁身產(chǎn)生較大剪切變形。而文章計(jì)算的工程結(jié)構(gòu)正處于軟土基礎(chǔ)上且兩側(cè)土體不平衡，所以需要計(jì)算鋼板樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載下的位移并與鋼筋混凝土板樁進(jìn)行對比。

對于海洋結(jié)構(gòu)，還有一個(gè)不能忽視的影響因素是動(dòng)水壓力。水體在地震激勵(lì)下，產(chǎn)生劇烈波動(dòng)，從而對水中結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響被稱為動(dòng)水壓力效應(yīng)。江輝［11］指出在地震作用下，動(dòng)水壓力對海洋結(jié)構(gòu)的影響不可忽視。黃信［12］通過研究發(fā)現(xiàn)，動(dòng)水壓力不僅會(huì)改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，還會(huì)影響結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。冼巧玲［13］指出，通過計(jì)算動(dòng)水壓力對結(jié)構(gòu)的影響，并針對其影響設(shè)置隔震措置，可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抵御地震災(zāi)害的能力。不過目前對于雙排鋼板樁這一新型結(jié)構(gòu)，動(dòng)水壓力對其具體影響尚未有充分研究。而本次工程為海堤結(jié)構(gòu)，動(dòng)水壓力是必須考慮的內(nèi)容。

綜上所述，關(guān)于雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)，目前設(shè)計(jì)階段多是參考類似工程結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法，這些方法并沒有充分考慮樁土作用，對其受荷載，尤其是動(dòng)力荷載作用的受力特性，研究的也很不到位。同時(shí)，鋼板樁受力后位移變形是否優(yōu)于傳統(tǒng)鋼筋混凝土板樁受一些因素的影響，針對具體工程，需要進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算加以驗(yàn)證。確定材料選型后還需要對設(shè)計(jì)中未考慮的動(dòng)水壓力作用進(jìn)行計(jì)算，確定其對結(jié)構(gòu)的受力性能的影響。

文章用Drucker-Prager本構(gòu)模型和接觸單元模擬樁土作用，就設(shè)計(jì)荷載作用下鋼板樁受力與混凝土材料進(jìn)行了對比，結(jié)果顯示，鋼板樁海堤位移比較小，性能更優(yōu)。隨后對鋼板樁在地震荷載下進(jìn)行了計(jì)算，得出了結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)及薄弱部位，最后進(jìn)行動(dòng)水壓力計(jì)算，總結(jié)了動(dòng)水壓力對鋼板樁的影響規(guī)律，希望本文的計(jì)算可以為工程實(shí)例提供一些參考。

1　有限元模型

1.1工程概況

工程地點(diǎn)位于浙江，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土較深，達(dá)到20多米，工程選擇采用雙排海堤結(jié)構(gòu)。圖1為工程立面設(shè)計(jì)圖，如圖1所示，兩排板樁打入土中，板樁之間以橫梁連接，使其共同受力。板樁厚度為0.2m，間距為5m，考慮鋼板樁和混凝土板樁兩種材料（尺寸一樣），板樁頂部混凝土現(xiàn)澆橫梁高度為1m。各高程標(biāo)注如圖1所示，單位為m。

1.2模型尺寸

圖2有限元模型示意圖，將結(jié)構(gòu)簡化為平面應(yīng)變問題，采用二維平面模型，圖中X方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)水平方向，Y方向?yàn)樨Q直方向。

圖1　工程設(shè)計(jì)圖Fig.1 Engineering design drawing

圖2　有限元模型示意圖Fig.2 Diagram of the finite element model

板樁結(jié)構(gòu)及土體采用plane82（8節(jié)點(diǎn)四邊形單元）進(jìn)行模擬，土層各參數(shù)如下：彈性模量3.4E8Pa，泊松比0.29，粘聚力50 kPa，摩擦角和膨脹角均為10°。土體模型X方向尺寸為40m（對稱于板樁結(jié)構(gòu)），Y方向尺寸為40m（約兩倍入土深度）。

板樁材料考慮兩種，混凝土板樁采用C30標(biāo)號，彈性模量3 E10Pa，泊松比0.17，密度2 300kg·m-3。鋼材彈性模量E＝2.1E11GPa，屈服強(qiáng)度值為σy＝345 N·mm-2，泊松比為0.3。

對土體施加固定邊界約束，即同時(shí)在土體底部及左右側(cè)分別設(shè)置固定約束，約束所有方向自由度。

1.3接觸單元介紹

文章以接觸單元模擬樁土相互作用。當(dāng)兩個(gè)分離的表面互相碰觸并共切時(shí)，就稱它們牌接觸狀態(tài)。相互接觸的表面不相互滲透，相互傳遞法向壓力和切向摩擦力。

ANSYS支持剛體－柔體的面－面的接觸單元，在本次計(jì)算中，剛性面（板樁墻）被當(dāng)作目標(biāo)面，以2D目標(biāo)單元targe169模擬，柔性體（土體）的表面被當(dāng)作接觸面2D節(jié)點(diǎn)面單元conta172模擬。一個(gè)目標(biāo)單元和一個(gè)接單元叫作一個(gè)接觸對。面－面接觸單元有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1）支持低階和高階單元。

2）支持有大滑動(dòng)和有摩擦的大變形，協(xié)調(diào)剛度陣計(jì)算，單元提供不對稱剛度陣的選項(xiàng)。

3）提供為工程目的采用的更好的接觸結(jié)果，例如法向壓力和摩擦應(yīng)力。

本次計(jì)算設(shè)置接觸摩擦系數(shù)為0.45。

1.4土體模型簡介

土體是一種很復(fù)雜的復(fù)合體，在外力的作用下，土體不僅有彈性變形，而且會(huì)產(chǎn)生不可復(fù)原的塑性變形［14］。土的彈塑性本構(gòu)模型能較真實(shí)地反映土體應(yīng)力、土的硬化和軟化特性。文章分析土體采用Drucker-Prager模型，該模型是理想彈塑性模型（理想彈塑性即應(yīng)力達(dá)到屈服極限以后，應(yīng)力不再增大，但是應(yīng)變會(huì)一直增長的模型）。ANSYS軟件中的Drucker-Prager模型通過粘聚力C，摩擦角φ和膨脹角β來描述材料。由于土壤屬于顆粒狀材料，受壓屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)大于受拉屈服強(qiáng)度，Drucker-Prager模型可以準(zhǔn)確的描述材料的特性，得到更為精確的結(jié)果。

2　設(shè)計(jì)荷載計(jì)算

2.1結(jié)構(gòu)受力

本次計(jì)算鋼板樁和混凝土板樁板樁尺寸相同、且約束一致，所受設(shè)計(jì)荷載也一樣。施加好荷載后，計(jì)算時(shí)要打開大變形，將荷載分部施加進(jìn)行求解。

設(shè)計(jì)荷載包括以下幾部分：

1）重力。

2）頂部垂向荷載10 kPa，施加于頂部橫梁上。

3）水平波浪力，其作用分布示意圖如圖3所示，左圖為波峰作用分布示意圖，右圖為波谷作用分布示意圖。（單位kPa，施加于圖1左側(cè)板樁上）

2.2計(jì)算結(jié)果

圖3　波浪力作用圖（單位：kPa）Fig.3 Wave forces diagram（unit：kPa）

表1　設(shè)計(jì)荷載下后處理結(jié)果Tab.1 Results under the design load

表1顯示的是后處理結(jié)果匯總，由表中可以得出以下結(jié)論：

1）兩種結(jié)構(gòu)豎直位移值相對較小，水平位移為影響結(jié)構(gòu)安全的主要因素。分析其主要原因是豎直荷載相對較小，而由于板樁兩側(cè)土壓力的不一致，水平位移值較大。

2）鋼筋混凝土板樁位移值均比鋼板樁大，過大的水平位移會(huì)影響結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定，所以總的來說鋼板樁的位移性能更優(yōu)良。

綜上所述，設(shè)計(jì)荷載下，兩種結(jié)構(gòu)的受力對比，鋼板樁位移性能有較大的優(yōu)勢，由于鋼板樁在承受彎矩方面也有較大優(yōu)勢，所以選擇鋼板樁結(jié)構(gòu)對于本次工程是正確的。

3　地震荷載計(jì)算

3.1地震時(shí)程分析

目前抗震分析主要有4種理論，靜力理論、動(dòng)力理論、反應(yīng)譜理論和時(shí)間歷程相應(yīng)理論。

時(shí)間歷程響應(yīng)理論分析的主要優(yōu)點(diǎn)在于：它可以有效地考慮結(jié)構(gòu)和土（尤其是深基礎(chǔ)）的相互作用，地震波相位差及不同地震波多分量多點(diǎn)輸入等因素建立結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算圖式和相應(yīng)地震振動(dòng)方程。而且，還可以觀察到不同時(shí)刻下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，并且較好地計(jì)算計(jì)算非線性動(dòng)力問題［15］。

本文選取4 s時(shí)間內(nèi)天津波，且只考慮水平地震荷載作用。天津輸入圖如圖4所示，X軸代表時(shí)間（單位s），Y軸代表輸入水平地震波加速度數(shù)值（單位m·s-2），根據(jù)區(qū)域地震設(shè)防烈度，地震波的調(diào)幅系數(shù)為0.2 g。計(jì)算時(shí)，0～1 s進(jìn)行自重分析，1～5 s為地震時(shí)程分析，這樣可以全面的考慮結(jié)構(gòu)的受力。

圖4　天津波輸入圖Fig.4 Time-history curves of Tianjin motion

3.2阻尼系數(shù)的確定

用ANSYS做動(dòng)力時(shí)程分析時(shí)需要采用Alpha阻尼和Beta阻尼來定義瑞利（Rayleigh）阻尼常數(shù)α和β。因?yàn)樽枘峋仃囀窃谟眠@些常數(shù)乘以質(zhì)量矩陣［M］和剛度矩陣［K］后計(jì)算出來的。通常α和β值不是直接得到的，而是用振型阻尼比ζ計(jì)算出來。ζ是某個(gè)振型i的實(shí)際阻尼和臨界阻尼之比。一般計(jì)算中，自振頻率一般取前兩階，ζ計(jì)算如公式1所示。

式中：ω1，ω2為結(jié)構(gòu)一階及二階自振頻率。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［16］的規(guī)定：本文中取ζ1＝ζ2＝0.05。首先對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得出ω1＝3.637，ω2＝3.667。帶入（1）中聯(lián)立解得解得α為3.652，β為0.137，將α，β值用于地震計(jì)算。

3.3后處理

本節(jié)提取鋼板樁結(jié)構(gòu)在地震荷載下加速度、位移位移時(shí)程曲線，并得出相關(guān)規(guī)律。同時(shí)提取應(yīng)力分布圖和應(yīng)力最大節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)程曲線以確定是否有應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3.4計(jì)算結(jié)果

首先提取板樁頂部的加速度時(shí)程曲線，如圖5所示。X軸代表時(shí)間，s；Y軸代表結(jié)構(gòu)水平加速度響應(yīng)數(shù)值，m·s-2。可以看到，結(jié)構(gòu)加速度的峰值為4.58m·s-2，比施加的地震加速度的峰值要大，說明由于雙排板樁結(jié)構(gòu)體系的封閉及土體的作用，結(jié)構(gòu)對地震波有放大效應(yīng)。

同時(shí)值得注意的是，沿著板樁豎直方向向下，繼續(xù)提取水平加速度的時(shí)程曲線并選取其峰值。在未接觸到土體時(shí)，其峰值變化并不明顯，在板樁開始接觸土體的部位，加速度峰值突然出現(xiàn)增大，繼續(xù)向下又略有回落。表2顯示板樁豎直方向加速度峰值對比，以距板樁頂部距離為控制量，其中距離為3m處為樁土開始接觸的位置，加速度峰值在這個(gè)位置發(fā)生了突變。

這說明由于土的約束，樁和土交界面處承擔(dān)了較大地震荷載分量，可能會(huì)形成應(yīng)力集中。

圖5　鋼板樁頂部加速度時(shí)程曲線Fig.5 Time-histories of the horizontal acceleration of steel sheet pile top

表2　板樁豎直方向加速度峰值對比Tab.2 Contrast of peak value of sheet pile vertical acceleration

圖6繪制了板樁頂部節(jié)點(diǎn)的水平方向位移時(shí)程曲線，頂部節(jié)點(diǎn)為整個(gè)鋼板樁位移最大的節(jié)點(diǎn)。X軸代表時(shí)間，s；Y軸代表結(jié)構(gòu)水平位移值，m。由圖中可以看出，位移3～3.5 s之間有兩個(gè)峰值，數(shù)值為0.014m。說明鋼板樁結(jié)構(gòu)在地震荷載下位移仍保持在一個(gè)較小的數(shù)值上，保證了結(jié)構(gòu)安全。

圖6　鋼板樁頂部水平位移時(shí)程曲線Fig.6 Time-history of the horizontal displacement on top of steel sheet pile

圖7　應(yīng)力最大點(diǎn)時(shí)程曲線Fig.7 Time-history of the maximal stress points

圖7繪制了板樁頂部節(jié)點(diǎn)的水平方向位移時(shí)程曲線。X軸代表時(shí)間（單位s），Y軸代表結(jié)構(gòu)頂部等效應(yīng)力數(shù)值（單位MPa）。圖8顯示的是應(yīng)力分布示意圖，以鋼板樁在t＝3.08 s時(shí)刻的為例，其余應(yīng)力分布圖與該圖類似。

由表中可以看出，鋼板樁最大應(yīng)力達(dá)到45 MPa，而應(yīng)力分布圖中顯示，在鋼板樁與頂部結(jié)構(gòu)相接的地方，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，分析其主要原因是截面突變，造成應(yīng)力值較大。同時(shí)，在板樁與土接觸的地方也有一塊區(qū)域應(yīng)力值較大（該時(shí)刻主要是背海側(cè)板樁上），其原因正是上文提到的由于這塊區(qū)域加速度峰值增大，使得地震的能量較多的集中在這個(gè)部位，從而使得板樁應(yīng)力值的局部增大。雖然結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值并沒有達(dá)到極限應(yīng)力，不過考慮到地震荷載為循環(huán)荷載，而且鋼材自身的脆性使得鋼結(jié)構(gòu)在循環(huán)荷載下，容易結(jié)構(gòu)應(yīng)力在遠(yuǎn)小于極限應(yīng)力時(shí)發(fā)生破壞，所以這兩處應(yīng)力集中部位需要進(jìn)行加強(qiáng)處理。

圖8　應(yīng)力分布示意圖Fig.8 Time-history of the equivalent stress

地震分析部分的結(jié)果總結(jié)如下：

1）鋼板樁結(jié)構(gòu)的位移峰值在地震荷載下仍保持較小的數(shù)值。

2）由于結(jié)構(gòu)體系封閉對地震有擴(kuò)大作用，樁土接觸部分有應(yīng)力突變的現(xiàn)象，結(jié)合板樁頂部由于截面突變造成的應(yīng)力集中。這兩個(gè)地方需要進(jìn)行加強(qiáng)處理。在板樁頂部可以采取更牢固的聯(lián)接工藝，樁土接觸部位可以設(shè)置加勁肋，具體方法參考工程實(shí)際而定。

本節(jié)分析了鋼板樁結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)了薄弱部位，提出了改進(jìn)措施，下面章節(jié)將在地震荷載下考慮動(dòng)水壓力進(jìn)行計(jì)算，分析動(dòng)水壓力對結(jié)構(gòu)的影響。

4　動(dòng)水壓力

在地震作用下，水體受地震激勵(lì)后將產(chǎn)生劇烈的波動(dòng)，這種波動(dòng)對水中墩柱結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響被稱為動(dòng)水壓力效應(yīng)。動(dòng)水對結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)有3種：慣性力效應(yīng)、粘性效應(yīng)和繞射效應(yīng)，對于海堤結(jié)構(gòu)，繞射效應(yīng)可以忽略。為了考慮慣性力效應(yīng)的影響，學(xué)者們定義了附加質(zhì)量概念，認(rèn)為如果不考慮水的可壓縮性，水對結(jié)構(gòu)的影響可以等效為一個(gè)附加質(zhì)量。而粘性效應(yīng)由動(dòng)水附加阻尼來體現(xiàn)。

本次動(dòng)水壓力計(jì)算以Morison方程為基礎(chǔ)，把水等效為附加質(zhì)量來考慮水對結(jié)構(gòu)的影響，忽略結(jié)構(gòu)對海水運(yùn)動(dòng)的影響，認(rèn)為海水對結(jié)構(gòu)的作用由未受擾動(dòng)的加速度場和速度場引起的沿水運(yùn)動(dòng)方向作用于樁基上的慣性力和阻尼力所引起，即動(dòng)水壓力包括附加水質(zhì)量和動(dòng)水附加阻尼作用兩部分，采用簡化的Morison方程表示地震動(dòng)引起的動(dòng)水壓力［17］（見公式2）。

則節(jié)點(diǎn)i處等效附加水質(zhì)量和動(dòng)水附加阻尼數(shù)值分別為

海水密度ρ取1.2×103，R1為0.5m，li為第i單元有效長度為1m。其余系數(shù)按照《海港水文規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定取為CM＝2.0，CD＝2.0，σ＝0.5。

本次計(jì)算中，所有與水體接觸的節(jié)點(diǎn)都要施加動(dòng)水附加質(zhì)量和動(dòng)水附加阻尼兩個(gè)作用，且兩者數(shù)值不隨節(jié)點(diǎn)改變，地震荷載與第三章施加相同。計(jì)算時(shí)先分別只施加動(dòng)水附加質(zhì)量和動(dòng)水阻尼，然后將兩者同時(shí)施加，從而體現(xiàn)分別的影響效果和整體的動(dòng)水壓力的影響。

4.1動(dòng)水壓力的影響

表3　板樁豎直方向位移峰值Tab.3 Vertical displacement peak of sheet pilem

由第三章計(jì)算可知，鋼板樁結(jié)構(gòu)在地震荷載下的最大應(yīng)力值（45 MPa）距離結(jié)構(gòu)極限應(yīng)力（345 MPa）有較大的富余量，因此即使增加了動(dòng)水壓力的影響結(jié)構(gòu)的應(yīng)力儲(chǔ)備也是滿足要求的，只要在相關(guān)薄弱環(huán)節(jié)設(shè)置加強(qiáng)。但位移值計(jì)算結(jié)果較大，因此考慮動(dòng)水壓力時(shí)，重點(diǎn)計(jì)算位其對鋼板樁結(jié)構(gòu)位移值的影響，最終計(jì)算匯總表3所示（所取數(shù)值為水體和結(jié)構(gòu)作用以上區(qū)域，打入土層中的板樁與水體不接觸，不受動(dòng)水壓力影響，故未列出）。

4.2結(jié)果分析

由傳統(tǒng)的動(dòng)水壓力的相關(guān)研究成果，海水對結(jié)構(gòu)的作用包括兩方面，一是增加了附加水質(zhì)量，二是產(chǎn)生了動(dòng)水阻尼。前者使位移變大，后者使位移減小，由表3數(shù)據(jù)可以看出，雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)考慮這兩個(gè)因素時(shí)，總體上是符合這一規(guī)律的。不過由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，其具體影響有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）動(dòng)水阻尼作用非常小，由計(jì)算結(jié)果可得，動(dòng)水阻尼對結(jié)構(gòu)的位移的影響量小于1％。分析其原因如下：傳統(tǒng)的海洋結(jié)構(gòu)多為深水樁基結(jié)構(gòu)，其樁基四周均有水體作用，因此在地震激勵(lì)下，水體的阻尼影響較為明顯，而鋼板樁海堤只有一側(cè)有水體阻尼影響，與水體接觸較少，因此水體阻尼對其位移的影響較小。

2）附加水質(zhì)量對結(jié)構(gòu)位移的影響非常大，達(dá)到20％～25％，說明對雙排鋼板樁這一結(jié)構(gòu)，附加水質(zhì)量的影響值得重視。

3）兩者一起作用下，由于動(dòng)水阻尼的作用很小，可以認(rèn)為與附加水質(zhì)量作用類似。因此在以后雙排鋼板樁考慮地震荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，只需要計(jì)算附加水質(zhì)量的影響。

5　結(jié)論

本文以ANSYS軟件建立雙排鋼板樁海堤模型，采用Drucker-Prager本構(gòu)模型，以接觸對模擬樁土作用，計(jì)算了設(shè)計(jì)荷載及地震荷載下結(jié)構(gòu)的受力性能，并計(jì)算了動(dòng)水壓力對結(jié)構(gòu)的影響。主要結(jié)論如下：

1）鋼板樁與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土板樁相比，受力性能更優(yōu)越，值得進(jìn)行推廣使用。

2）對地震荷載計(jì)算顯示，鋼板樁在地震荷載下位移性數(shù)值仍較小，板樁頂部與橫梁接觸部位及樁土接觸部位要進(jìn)行加強(qiáng)處理。

3）通過計(jì)算動(dòng)水壓力的兩部兩個(gè)組成部分，附加水質(zhì)量和動(dòng)水阻尼對結(jié)構(gòu)的位移的影響，發(fā)現(xiàn)附加水質(zhì)量的影響較大，達(dá)到20％～25％，而動(dòng)水阻尼的影響可以忽略不計(jì)。

希望以上結(jié)論可以為工程實(shí)際提供參考。

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（責(zé)任編輯王建華）

Analysis of Mechanical Characteristics of Double-row Steel Sheet Pile Seawalls Based on ANSYS

Liu Chunyang，Zhang Shuhua，Chen Guangming，Sun Xingyi
（College of Harbor，Coastal and Offshore Engineering，Hohai University，Nanjing 210098 China）

Abstract：Double-row steel sheet pile seawall is a new type of seawalls. Taking a double-row of steel sheet pile seawall in Zhejiang Province as an example，based on Drucker-Prager constitutive model，adopting ANSYS soft ware and simulating the effect of piles and soil by contact pair，this study calculated the stress of structures under design load and seismic load respectively. Results compared with reinforced concrete sheet pile showed that in the condition of the same size，soil and load，the structure displacement of steel sheet pile was smaller than that of reinforced concrete sheet pile. Under the seismic load，sheet pile system would amplify seismic waves，moreover，stress from connected parts of sheet pile top and crossbeam，and pile soil contact points was large，which needed to be further resolved. After researching the impact of hydrodynamic pressure on structure，it showed that the added mass had effect on the structure displacement，while the influence of dynamic water damping was negligible.

Key words：steel sheet pile；seismic load；hydrodynamic pressure

中圖分類號：TU352

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1005-0523（2016）02-0106-08

收稿日期：2015－09－14

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（40776053/D0606）

作者簡介：劉春陽（1991—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)楦酆焦こ探Y(jié)構(gòu)方面的研究。

通訊作者：張淑華（1964—），女，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦劭诤０杜c近海工程研究。