HUC組合支護結構的有限元分析

王 鵬，余振錫，余 浩

(安徽工業大學 建筑工程學院，安徽 馬鞍山 243002)

0 前 言

近年來，隨著我國城市建設和鋼鐵行業的快速發展，鋼板樁作為一種新型綠色的建筑材料進入大家的視野，其被普遍地使用在基坑支護、河道護岸及防洪、圍堰等實際工程中。據統計，我國每年的鋼板樁消耗大約僅占全球的1%，保持在3萬 t左右，遠遠不及日本和歐美國家的使用量。雖然單純的鋼板樁支護可以有效地發揮擋土止水的作用，但由于其截面模量較小，因而使用時具有一定的約束性，不能適用于有較大較深和控制比較嚴格的基坑中。針對這種情況，各種新型組合鋼板樁支護型式應運而生。相對于傳統的鋼板樁，新型組合鋼板樁截面模量明顯增大，也因而開拓了組合鋼板樁在各方面的應用。組合鋼板樁雖然在國內應用較少，但其在國外的應用已經相當廣泛，目前一般采用鋼板樁、H型鋼和鋼管樁等交叉組合型式，如鋼管與鋼板樁組合支護型式、HSW組合鋼板樁支護型式、HZ組合鋼板樁支護型式、H+Hat組合型式等[1-4]。

本文研究的是H型鋼與拉森鋼板樁組合的新型支護結構形式(HUC),它不僅彌補了鋼板樁剛度不足，而且避免了H型鋼用于工程的造價高以及浪費的缺點，同時止水效果較好。國內對于此結構形式的研究并不是很多，在新型組合形式下的剛度變化分析均不是很全面，雖然在實際工程中有了成功案例，但理論研究落后于實際應用，所以對這方面的一些研究是非常具有理論和現實意義的。

圖1 HUC組合支護結構

1 模型建立

為了方便對比，HUC結構的H型鋼和鋼板樁部件，同純鋼板樁結構一樣都施加了相等的垂直于表面的三角形荷載，分析步、邊界條件、相互約束都同樣布置。兩種結構模型樁長都取12 m，樁兩端限制水平和豎直位移，樁間鎖扣采用小企口連接，模型中相互約束設置為綁定。荷載采用三角形形式垂直于樁體分布，因為考慮到實際應用中支護樁主要承受土壓力，而土壓力分布形式近似于三角形，其中HUC結構采用的是700×300×13×24 (mm)的型號的H型鋼和FSP-IV型號鋼板樁，純鋼板樁結構同樣采用的是FSP-IV鋼板樁。考慮到兩邊的H型鋼和鋼板樁對分析的結構單元有約束作用，取三個單元進行建模，并對中間的一個單元進行分析。兩者數值分析模型如圖2所示。

(a)HUC結構

(b)鋼板樁結構

(c)荷載布置圖圖2 HUC結構與純鋼板樁結構對比分析模型

2 模擬結果與分析

2.1 應力分析

圖3是不同支護形式在結構模型右側荷載為0.1 MPa時的應力云圖。圖3(a)是純鋼板樁結構的應力圖，其最大應力值為225 MPa，最大應力出現在樁兩端且樁身中部的應力也達到了150 MPa以上。圖3(b)為HUC結構最右側加載0.1 MPa時候的應力圖，此情況下最大應力為103.8 MPa，最大應力在樁身底部，中部次突出部分應力為60 MPa左右，其余部分均未超過60 MPa。

(a)鋼板樁結構

(b)HUC結構圖3 兩種支護形式應力云圖

圖4是底部荷載為0.1 MPa時，取純鋼板樁結構中的一根鋼板樁、HUC組合結構中的H型鋼和U型鋼板樁所得出的樁身應力對比曲線圖。從曲線中可以看出，在HUC組合支護結構中的鋼板樁應力值明顯低于傳統鋼板樁結構。因此可以推斷，HUC組合支護結構擁有比純鋼板樁更高的剛度，且比較合理，節省鋼材，經濟性好。從圖4可知，此時組合支護結構中的鋼板樁最大應力為103.8 MPa，與純鋼板樁支護結構中最大應力相比降低了54%。由此可知，HUC組合支護結構相比鋼板樁更加安全，鋼板樁應力較小處于安全范圍；H型鋼整體應力較大，但除兩端以外，其余部分應力不高且都較平緩，說明組合結構中充分發揮了H型鋼的作用。

圖4 樁身應力對比曲線

2.2 位移分析

圖5是不同支護結構在荷載為0.1 MPa作用下沿樁身位移云圖。從圖5中可知，鋼板樁最大位移為25.43 mm,組合支護結構最大位移為11.86 mm，且兩種支護結構的最大位移出現位置都是在中間靠右部位。

(a)鋼板樁結構

(b)HUC結構圖5 兩種支護形式位移云圖

圖6是純鋼板樁結構中的鋼板樁、HUC組合結構中的鋼板樁在不同荷載分析步下沿樁身位移曲線圖。從曲線圖可以看出，在同樣加載0.1 MPa時，HUC組合結構中的鋼板樁最大位移，比純鋼板樁位移減少了13.57 mm。由此可以看出，HUC組合支護結構在位移約束比純鋼板樁有了很大的提升，這是因為H型鋼的剛度遠大于U型鋼板樁的剛度，H型鋼的加入使得組合支護結構的剛度遠大于純鋼板樁支護結構，更能約束結構的變形。

圖6 鋼板樁位移對比曲線

3 結 論

1)HUC組合支護結構由于H型鋼的加入，強度明顯增大，樁身位移明顯變小，所以能夠更好地限制基坑的位移發展，可以應用于更深更復雜的基坑。

2)HUC組合支護結構彌補了單一鋼板樁的剛度不足，在提升整體剛度的同時，充分發揮了H型鋼的作用，應力分布平緩且止水效果良好，具有一定的經濟效益。

3)HUC組合支護結構相比較其他支護形式，在施工、環保和經濟方面都有一定的優勢，在綠色支護蓬勃發展的今天，其發展前景十分廣闊。

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