HUI組合鋼板支護樁的力學性能數值分析

摘" 要：HUI組合鋼板支護樁結構通過創新性的截面設計，融合H型鋼和鋼板樁的優勢，表現出良好的力學性能。該文先通過理論方法對其剛度進行計算，后利用有限元方法進行模擬和驗證。通過有限元法得到的支護樁撓度曲線與理論計算結果高度吻合，驗證計算模型的準確性。在此基礎上，探討組合鋼板支護樁在4種工況條件下的應力、變形分布和荷載分配情況，可為組合鋼板樁支護結構的設計和施工提供一定的理論依據。

關鍵詞：HUI組合結構；鋼板樁；應力；變形；有限元法

中圖分類號：TU753.3" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）05-0083-04

Abstract： The HUI composite steel sheet pile structure， with its unique cross-sectional design， integrates the advantages of H-shaped steel and steel sheet piles， exhibiting excellent mechanical properties. In this paper， the stiffness of the support pile structure is evaluated through theoretical calculations， and simulated validation is carried out using finite element analysis technology. The simulation results show that the deflection of the support pile structure is highly consistent with the theoretical calculated values， verifying the accuracy of the finite element calculation model. Finally， the stress distribution， deformation distribution， and load distribution of the support pile under different working conditions are explored， providing a theoretical basis for the design and optimization of similar support structures.

Keywords： HUI composite structure; steel sheet pile; stress; deformation; finite element method

鋼板樁廣泛用于基坑支護和圍堰中，然而受到截面模量小的制約，難以用于大型深基坑或變形控制嚴格的基坑。為克服其無法單獨承擔較大荷載的不足，科技工作者將鋼板樁與其他抗彎剛度較高的鋼構件組合使用形成的支護結構，既保留了鋼板樁擋土止水優勢，又發揮了其他鋼構件的強抗彎能力[1-4]。組合鋼板樁支護結構通常為傳統鋼板樁、H型鋼或鋼管樁等互相組合的形式[5]。

HUI組合鋼板支護樁是一種U型鋼板樁與H型鋼交叉組合布置的新型組合鋼板樁，它通過H型鋼翼緣上獨特的雙向鎖扣設計，能夠在2個相鄰H型鋼之間靈活地連接數量不等的U型鋼板樁，形成了多種截面型式，如2片（或3片）U型鋼板樁與1根H型鋼間隔布置等，甚至可以將這些形式混合使用。由于其截面形狀不規則，其抗彎剛度的計算還缺少依據，本文通過理論分析和有限元方法分析了其力學性能，可為組合鋼板樁的推廣應用提供參考。

1" 組合鋼板支護樁截面

研究對象的截面形式如圖1所示，由2根相鄰的H型鋼通過2根U型鋼板樁進行連接。型鋼下翼緣的端部焊接了與U型鋼板樁匹配的扣件，使得兩者緊密連接在一起來共同抵抗水土壓力。H型鋼的型號為HN700 mm×300 mm×24 mm×13 mm，U型鋼板樁采用SP-IV型拉森鋼板樁，截面尺寸為400 mm×170 mm×15.5 mm。

1.1" 組合鋼板樁的中和軸

2" 有限元計算

如圖3所示的計算模型為3個單元的HUI組合鋼板樁，H型鋼和U型鋼板樁均為實體單元，節點數為66 430個，單元數為48 600個。模型邊界條件為一端固定約束，另一端為自由端，且在上表面施加20 kN/m2的均布面荷載。

3" 有限元參數分析

分為4種工況進行參數分析：組合鋼板樁頂部無支撐（工況①）、H型鋼頂部有支撐（工況②）、上部U型鋼板樁頂部有支撐（工況③）和下部U型鋼板樁有支撐（工況④）。為更貼近實際工程的側向土壓力分布，將均布荷載改為三角形荷載，臂端處荷載為0 kN/m2，固定端邊界處為20 kN/m2。

3.1" 應力分布

工況①條件下組合樁的最大應力值為307.0 MPa，另外3種工況下的應力水平都明顯較低。圖5給出了4種工況下3個構件的應力分布情況。工況①中H型鋼和U型鋼板樁的應力分布均呈現出明顯的拋物線形狀，樁頂的應力較小，隨著樁身向下，應力逐漸增大。在其他3種工況下，H型鋼與上部U型鋼板樁的應力分布則表現為橫向S型曲線，在樁身底部約1/4長度范圍內的應力值隨著深度的增加而增大，而在樁身上部約3/4長度范圍內的應力分布則更接近于簡支梁的應力分布特征；而對下部U型鋼板樁而言，其沿樁長的應力變化不太明顯，其應力大小均低于H型鋼和上部U型鋼板樁。

3.2" 水平位移分布

工況①的最大位移為53.43 mm，明顯大于另外3種工況，說明在樁頂設置支撐能有效減小鋼板樁的位移。圖6給出了4種工況下3個構件的水平位移分布情況。工況①下H型鋼和2根U型鋼板樁的位移十分接近，意味著受力中的組合鋼板樁整體性能良好。有利于共同承受外部荷載作用。在其他3種工況下，雖然H型鋼和U型鋼板樁的位移趨勢整體相似，但出現了少量的變形不一致現象，應是由于端部支撐位置發生了差異所致，這在工程實踐中值得注意。

3.3" 荷載分配

4" 結論

1）由組合鋼板樁的截面慣性矩和抗彎剛度計算公式，得出HUI組合鋼板樁的抗彎剛度約為6.89×105 kN·m2。

2）在20 kN/m2均布面荷載作用下，有限元計算得出的組合鋼板樁最大撓度值為19.83 mm，與理論計算的最大撓度值19.76 mm非常接近，驗證了計算模型的可靠性。

3）在組合鋼板樁樁頂設置支撐可以顯著減小樁身的應力和位移，能夠提高支護結構的整體穩定性和安全性。

4）組合鋼板支護樁中，各構件承擔的荷載大小與其剛度成正比。H型鋼的剛度大，其承受的外荷載也越大，是整個組合結構中的主要承載部分。

參考文獻：

[1] 沈智彬，孫樹青.管板組合樁結構碼頭施工工藝與位移沉降分析[J].珠江水運，2024（1）：89-92.

[2] 吳芳，朱晴漢.“H+Hat組合鋼板樁”支護力學性能研究及應用[J].水利規劃與設計，2023（11）：119-123.

[3] 徐大振，吳強.特殊地質深基坑組合樁鋼圍堰施工技術研究[J].交通世界，2023（25）：74-176.

[4] 付甦，曾健，楊蘇海，等.裝配式深水組合鋼板樁圍堰設計[J].中外公路，2023，43（4）：165-169.

[5] 李雪峰.基于鋼管與鋼板樁組合支護結構（PUC）的深基坑支護數值模擬及其應用研究[D].馬鞍山：安徽工業大學，2019.