“H+Hat組合鋼板樁”支護(hù)力學(xué)性能研究及應(yīng)用

吳 芳，朱晴漢

(江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 蘇州 215128)

0 引言

H+Hat組合鋼板樁具有剛度大、施工快、循環(huán)利用率高等特點(diǎn)，近年來被廣泛應(yīng)用于深基坑工程。趙海豐[1]等研究了H+Hat組合型鋼板樁的抗彎截面模量比普通鋼板樁更大，抗彎性能良好，鎖口抗拉試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，其實(shí)際工作狀態(tài)所承受的荷載遠(yuǎn)小于鎖口抗拉破壞的極限荷載。樊金平[2]等模擬了H+Hat組合型鋼板樁在基坑中的應(yīng)用。趙伏田[3]等數(shù)值模擬了鋼板樁的最佳入土深度。程楠楠[4]等研究了組合鋼板樁的連接方式。關(guān)于H+Hat組合鋼板樁位移、應(yīng)變等力學(xué)性能及其主要受力構(gòu)件的研究目前尚不完善，筆者采用ABAQUS有限元軟件給出具體量化結(jié)果，指明組合鋼板樁受力性能提高的主要原因。

1 H+Hat組合鋼板樁的型號(hào)模型建立以及加載類型和網(wǎng)格劃分

模型參數(shù)是對(duì)材料行為的定量描述，而本構(gòu)模型則是對(duì)研究對(duì)象的定性描述。ABAQUS提供了豐富的本構(gòu)模型，包括線彈性模型、摩爾-庫倫模型及用戶自定義本構(gòu)模型。純力學(xué)本構(gòu)關(guān)系的有胡克定律、牛頓內(nèi)摩擦定律[5]。每種本構(gòu)模型精度都不相同，側(cè)重點(diǎn)也不一樣。比如，線彈性模型僅有楊氏模量E和泊松比ν兩個(gè)參數(shù)。本文研究的本構(gòu)模型是采用胡克定律下的線彈性結(jié)構(gòu)，研究組合鋼板樁的應(yīng)力和位移。

有限元建模采用尺寸為550mm×300mm×11mm×8mm的H型鋼與NSP-10H型Hat鋼板樁組合，鋼板樁長(zhǎng)14m。Hat鋼板樁屈服強(qiáng)度為400N/mm2，抗拉強(qiáng)度為505N/mm2，H型鋼屈服強(qiáng)度為450N/mm2，抗拉強(qiáng)度為485N/mm2。鋼板樁彈性模量E=210GPa，泊松比μ=0.3。建模的三維截面和軸視圖如圖1所示。

圖1 H+Hat組合型鋼板樁截面圖和軸視圖

為研究H+Hat組合鋼板樁在不同荷載條件下的應(yīng)力、位移，對(duì)其施加均布荷載進(jìn)行三維建模有限元分析，如圖2所示。

圖2 H+Hat組合鋼板樁模型荷載分布簡(jiǎn)圖

網(wǎng)格劃分是決定有限元計(jì)算是否收斂的主要影響因素。如圖3所示，網(wǎng)格尺寸選擇5cm，長(zhǎng)度14m的H+Hat組合鋼板樁共劃分了18200個(gè)網(wǎng)格。

圖3 H+Hat組合鋼板樁模型網(wǎng)格圖

2 H+Hat組合鋼板樁的數(shù)值模擬

ABAQUS三維模擬結(jié)果，不僅可反映受力方向上的位移和應(yīng)力，且在三維坐標(biāo)軸各個(gè)方向上均能給出應(yīng)力和位移變化。分別采用20、50、80、100、200、300kN/m2，研究H+Hat組合鋼板樁結(jié)構(gòu)性能。

當(dāng)施加均布荷載q=20kN/m2時(shí)，H+Hat組合鋼板樁的應(yīng)力位移如圖4所示。從圖4中可以看出，最大應(yīng)力在鉸接處，σ=43.94MPa；最大位移在H+Hat組合鋼板樁中心處，L=0.429cm。

圖4 均布荷載q=20kN/m2條件下的應(yīng)力、位移云圖

在施加不同均布荷載20、50、80、100、200、300kN/m2時(shí)，其對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力分別為：43.94、101.4、175.8、219.7、439.4、462.2MPa，其對(duì)應(yīng)的位移分別為：0.429、1.074、1.718、2.147、4.294、5.01cm。為了更直觀觀察模擬結(jié)果所得的規(guī)律，將以上數(shù)據(jù)做成折線圖。折線圖的橫坐標(biāo)表示施加的荷載，縱坐標(biāo)表示H+Hat組合鋼板樁上的最大應(yīng)力及位移，最大應(yīng)力及位移和荷載的關(guān)系如圖5所示。由圖5可以看出，應(yīng)力和位移在施加荷載尚未達(dá)到屈服應(yīng)力之前呈線性變化，在達(dá)到屈服強(qiáng)度之后，變化規(guī)律呈非線性增加，符合材料力學(xué)里均質(zhì)材料位移和均布荷載的規(guī)律[6]。

圖5 H+Hat組合鋼板樁在不同荷載作用下的最大應(yīng)力與位移

3 H+Hat組合鋼板樁的結(jié)構(gòu)性能和傳統(tǒng)鋼板樁對(duì)比分析

3.1 Hat鋼板樁的結(jié)構(gòu)性能

分析H+Hat組合鋼板樁與傳統(tǒng)鋼板樁結(jié)構(gòu)性能的定量差異，需將其拆分為H型鋼和Hat鋼板樁分別進(jìn)行模擬，有限元建模采用上一節(jié)的尺寸，考慮NSP-10H型Hat鋼板樁，如圖6所示。

圖6 Hat鋼板樁模型圖

采用均布荷載分別為20、30、40、50、60、70、80kN/m2，以研究Hat鋼板樁的結(jié)構(gòu)性能。

當(dāng)施加的均布荷載q=20kN/m2時(shí)，Hat鋼板樁的應(yīng)力和位移如圖7所示。由圖7可知，最大應(yīng)力在鉸接處，σ=138.2MPa；最大位移在H+Hat組合鋼板樁中心處，L=5.67cm。不同荷載作用于Hat鋼板樁上的應(yīng)力和位移值見表1。

表1 Hat鋼板樁在不同荷載作用下的最大應(yīng)力和位移值

圖7 Hat樁在均布荷載q=20kN/m2條件下的應(yīng)力和位移云圖

3.2 H型鋼的結(jié)構(gòu)性能

H型鋼尺寸為40cm×20cm×0.9cm×1.2cm，屈服強(qiáng)度為450N/mm2，抗拉強(qiáng)度為485N/mm2。

同樣，采用均布荷載分別為20、40、60、100、140、180、240kN/m2，以研究H型鋼結(jié)構(gòu)性能。

當(dāng)施加的均布荷載q=20kN/m2時(shí)，H型鋼的應(yīng)力和位移如圖8所示。由圖8可知，最大應(yīng)力在鉸接處，σ=73.26MPa；最大位移在H型鋼中心處，L=1.034cm。不同荷載作用在H型鋼的應(yīng)力和位移值見表2。

表2 H型鋼在不同荷載作用下的最大應(yīng)力和位移值

圖8 H型鋼在均布荷載q=20kN/m2條件下的應(yīng)力和位移云圖

3.3 對(duì)比分析

將H+Hat組合鋼板樁、Hat鋼板樁、H型鋼在不同荷載作用下的應(yīng)力和位移進(jìn)行對(duì)比，在沒有達(dá)到屈服應(yīng)力之前，荷載和應(yīng)力的關(guān)系呈線性增加。在相同荷載50kN/m2作用下，Hat鋼板樁產(chǎn)生的最大應(yīng)力為345.6MPa，H型鋼產(chǎn)生的最大應(yīng)力是183.7MPa，而H+Hat組合鋼板樁產(chǎn)生的最大應(yīng)力僅為101.4MPa，如圖9所示。由此可見，H+Hat組合鋼板樁最大應(yīng)力相比于Hat鋼板樁明顯減小，H+Hat組合樁是Hat鋼板樁的1/13.2倍，H+Hat組合樁是H型鋼的1/2.4倍。所以H+Hat組合鋼板樁的受力特性更優(yōu)于Hat鋼板樁和H型鋼。

圖9 H+Hat組合鋼板樁、Hat鋼板樁和H型鋼在不同荷載作用下應(yīng)力曲線

相同荷載50kN/m2作用下，Hat鋼板樁的位移為14.18cm，H型鋼板樁的位移時(shí)2.586cm，而H+Hat組合鋼板樁的位移只有1.074cm，如圖10所示。相比Hat鋼板樁，H+Hat組合鋼板樁的剛度有了顯著提高，即H+Hat組合樁是Hat鋼板樁的13.2倍，H+Hat組合樁是H型鋼的2.4倍(鋼材未達(dá)到屈服強(qiáng)度)，分析表明剛度增強(qiáng)主要來自H型鋼。

圖10 H+Hat組合鋼板樁、Hat鋼板樁和H型鋼在不同荷載作用下位移曲線

4 組合型鋼板樁實(shí)例應(yīng)用

4.1 組合鋼板樁應(yīng)用背景

吳淞江整治工程是《長(zhǎng)江三角洲區(qū)域一體化發(fā)展規(guī)劃綱要》確定的省際重大水利工程，也是《太湖流域防洪規(guī)劃》《太湖流域綜合規(guī)劃》等確定的流域綜合治理骨干工程之一，列入國(guó)家172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程項(xiàng)目。工程的實(shí)施可進(jìn)一步增加太湖洪水外排出路，提高太湖流域和陽澄淀泖區(qū)防洪除澇能力，改善下游地區(qū)水生態(tài)、水資源、水環(huán)境條件，同時(shí)提升蘇申內(nèi)港線航運(yùn)能力。

工程等別Ⅱ等，防洪標(biāo)準(zhǔn)50年一遇，排澇標(biāo)準(zhǔn)20年一遇。河道堤防工程等級(jí)2級(jí)，建筑物級(jí)別1—2級(jí)。地震基本烈度Ⅶ度。

吳淞江蘇申內(nèi)港線吳中區(qū)甪直鎮(zhèn)東灣村某河段沿河為車流量較大的鎮(zhèn)村級(jí)主要交通要道，原設(shè)計(jì)為新建生態(tài)直立擋墻+筑堤，連片整治后堤頂防汛道路環(huán)島貫通，濱岸帶生態(tài)環(huán)境面貌有待進(jìn)一步提升。施工期間擋墻基坑開挖需破壞現(xiàn)狀主干路，對(duì)當(dāng)?shù)乩习傩丈a(chǎn)生活造成一定的影響。根據(jù)地方訴求擬結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)上述河段采用無錨定結(jié)構(gòu)懸臂式組合鋼板樁替代原直立擋墻方案。

4.2 組合鋼板樁結(jié)構(gòu)計(jì)算

選擇最不利工況計(jì)算，墻前水位高程0.50m，墻后水位3.70m。墻后填土高程5.5m，墻前填土高程0.5m。計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖11所示。

圖11 土壓力分布簡(jiǎn)圖

(1)入土深度計(jì)算[7]

Ka=0.33，Ka2=0.36，Kp=4.71

h1=5.5-3.7=1.8m，h2=3.7-0.5=3.2m

入土點(diǎn)處壓強(qiáng)：q=Kaγh1+Ka′γ浮h2+γ水h2=55.4kN/m2

由KPγ浮Y=q，得入土點(diǎn)深度Y=1.27m

式中，Ka，Ka′—水上和水下主動(dòng)土壓力系數(shù)；Kp—被動(dòng)土壓力系數(shù)；γ，γ浮—土的天然容重和土的浮容重，KN/m3；γ水—水的容重，KN/m3；h1—地面至墻后水位豎向距離，m；h2—墻后水位至樁入土點(diǎn)豎向距離，m。

(2)嵌固深度計(jì)算

選用布魯姆法計(jì)算H+Hat組合鋼板樁嵌固深度，得X=5.49m。所以，板樁的入土深度H=h1+h2+12(Y+X)=13.1m。

(3)求最大彎矩

彎矩最大點(diǎn)在剪力為零處，假設(shè)剪力為零點(diǎn)在O點(diǎn)以下a處的距離，則有：

(1)

式中，∑P—主動(dòng)土壓力、水壓力的合力，kN；a—剪力為零點(diǎn)距離O點(diǎn)的距離，m，求得：a=2.66m。

最大彎矩：

(2)

式中，Pe—合力∑P距離樁底的距離，m。

求得：Mmax=638.1kN·m。

(4)H+Hat組合鋼板樁的型號(hào)選取

計(jì)算最大彎矩需要的鋼板樁截面模量為：

(3)

式中，f—鋼板樁抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2。

求得：W=4467.19cm3。傳統(tǒng)的U型板樁彈性模量值無法達(dá)到此要求，H+Hat組合鋼板樁采用了NSP-10的Hat鋼板樁與截面尺寸為550mm×300mm×11mm×8mm的H型鋼，截面積307cm2/m，截面慣性矩221216cm4/m，截面模量5134cm3/m，截面模量在4068～5134cm3/m之間，符合要求。

(5)采用彈性地基梁法計(jì)算最大水平位移為6.97cm，小于JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》規(guī)范允許值10cm，如圖12所示。

圖12 組合鋼板樁樁頂位移圖

(6)采用三角形法計(jì)算地表沉降量為9.3cm，小于SL 265—2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》中天然土質(zhì)地基最大沉降允許值15cm，如圖13所示。

圖13 組合鋼板樁樁頂附近地表沉降圖

(7)懸臂式H+Hat組合鋼板樁的計(jì)算不僅包括樁長(zhǎng)、樁頂位移及沉降量的計(jì)算，還包括整體穩(wěn)定性驗(yàn)算(瑞典條分法)、抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算、抗隆起驗(yàn)算、抗管涌驗(yàn)算。經(jīng)計(jì)算，K整體穩(wěn)定=3.02>1.2，K抗傾覆=1.276>1.2，K抗隆起=9.164>1.1；K抗管涌=6.063>1.5，均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4.3 經(jīng)濟(jì)合理性分析

相同擋土高度下，采用H+Hat組合鋼板樁每延米造價(jià)約8000元，而傳統(tǒng)鋼筋混凝土擋墻每延米造價(jià)約8500元(含臨時(shí)圍堰)，前者每延米節(jié)約500元；此外，采用H+Hat組合鋼板樁施工開挖面小，施工影響范圍內(nèi)道路、房屋等實(shí)物量少、征遷專項(xiàng)費(fèi)用低、施工便利，相比傳統(tǒng)鋼筋砼擋墻更加經(jīng)濟(jì)合理。

5 結(jié)論

由Hat鋼板樁和H型鋼組合而成的H+Hat組合型鋼板樁相比傳統(tǒng)鋼板樁具有更大的抗彎剛度，鋼材利用率更高，本文對(duì)其采用ABAQUS有限元數(shù)值模擬分析及應(yīng)用，得到以下結(jié)論。

(1)在未達(dá)到鋼板樁材料屈服強(qiáng)度之前，H+Hat組合鋼板樁應(yīng)力、位移與其面層施加荷載呈線性關(guān)系，符合材料力學(xué)中均質(zhì)材料應(yīng)力和均布荷載成線性關(guān)系的規(guī)律。

(2)H+Hat組合鋼板樁的應(yīng)力、位移比Hat鋼板樁和H型鋼均有顯著提高，且H型鋼是H+Hat組合鋼板樁受力特性提高和剛度增強(qiáng)的主要原因。

(3)相比傳統(tǒng)鋼筋混凝土擋墻，H+Hat組合鋼板樁具有造價(jià)低、開挖面小、征遷影響少等優(yōu)勢(shì)，隨著施工技術(shù)的進(jìn)步和防腐措施的增強(qiáng)，H+Hat組合鋼板樁在永久護(hù)岸工程中的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。