鋼板樁接岸結(jié)構(gòu)加固方法的有限元分析

孟 靜，朱崇誠

（交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所水工構(gòu)造物檢測、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

鋼板樁接岸結(jié)構(gòu)加固方法的有限元分析

孟 靜，朱崇誠

（交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所水工構(gòu)造物檢測、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

在深入剖析鋼板樁接岸結(jié)構(gòu)破損機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了3種加固方案，即帽板加固法、局部外包法和地連墻替代法。通過有限元分析軟件ANSYS建立了有限元模型，分別對接岸結(jié)構(gòu)及土體變形特征和鋼板樁等結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)行了分析，并對3種加固方案的施工可行性進(jìn)行了比較。最終確定局部外包法為最終加固方案。

鋼板樁；接岸結(jié)構(gòu)；加固；有限元分析；ANSYS

接岸結(jié)構(gòu)是港口工程中常見的一種結(jié)構(gòu)形式，其作用是連接人工建筑物與天然地基，將功能建筑物固定在地基上。對于高樁碼頭來說就是連接碼頭結(jié)構(gòu)和岸坡、起擋土作用的結(jié)構(gòu)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，物流的增加，大規(guī)模的港口建設(shè)提高了對建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及耐久性的要求。鋼板樁因具有承載力強(qiáng)、水密性好、施工簡便以及耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)代建筑工程界的主流材料，但由于鋼板樁本身，容易受到侵蝕破壞，尤其是在海洋環(huán)境下，極易發(fā)生銹蝕破損，從而縮短了使用年限，造成了大量經(jīng)濟(jì)損失。天津港地區(qū)就存在許多鋼板樁接岸結(jié)構(gòu)銹蝕等問題，亟待解決。

目前國內(nèi)外有關(guān)鋼板樁修復(fù)加固的方法主要包括局部維修加固法和設(shè)置替代擋土結(jié)構(gòu)法2大類。局部維修加固法包括補(bǔ)焊鋼板法［1］、局部外包加固法［2］、降低帽梁覆蓋高程法［3］、改善墻后土體性能法［4］等；設(shè)置替代擋土結(jié)構(gòu)法包括增設(shè)地下連續(xù)墻法、增設(shè)替代鋼板樁法［5］等。由于技術(shù)條件的制約，實(shí)際工程中對鋼板樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)加固的案例很少。文章以天津港某碼頭為依托，利用ANSYS軟件建立結(jié)構(gòu)加固后的仿真模型，對加固方法產(chǎn)生的變形、內(nèi)力以及應(yīng)力進(jìn)行比較，探討這些修復(fù)加固方法的技術(shù)可行性和可靠性。

1 工程概況

天津港某碼頭為2個(gè)萬t級泊位的雜貨碼頭，建成于1978年，東西總長363.9 m，為高樁梁板式結(jié)構(gòu)，分為前方承臺(tái)、后方承臺(tái)、鋼板樁和斜頂樁及帽梁組成的接岸結(jié)構(gòu)3部分，前方承臺(tái)寬13.5 m，后方承臺(tái)寬21.1 m，碼頭頂面標(biāo)高現(xiàn)為＋5.1 m，碼頭前沿泥面標(biāo)高-9.0 m。前方承臺(tái)由橫梁、門機(jī)梁、火車板和靠船構(gòu)件等組成，其中梁均為預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁，火車板為單向預(yù)應(yīng)力連續(xù)板，排架間距為7 m，共有61個(gè)排架，分為7個(gè)結(jié)構(gòu)段。后方承臺(tái)上部結(jié)構(gòu)由預(yù)應(yīng)力簡支橫梁和單向預(yù)應(yīng)力空心簡支板等構(gòu)件構(gòu)成。前、后方承臺(tái)基樁均為預(yù)應(yīng)力空心方樁。碼頭后沿接岸部分是由鋼板樁55 cm×55 cm預(yù)應(yīng)力空心斜頂樁和帽梁構(gòu)成的擋土墻，板樁墻和斜頂樁的連接形式為固接。板樁樁尖打至-15.5 m，斜頂樁樁尖打至-22.0 m，斜頂樁間距為2.33 m。除過渡段外，頂端帽梁設(shè)有電纜溝。碼頭后方斜頂樁共114根，西端斜頂樁9根，過渡段后方斜頂樁共14根。碼頭后方陸域打砂井排水以加速土體早期固結(jié)。

2 加固法有限元模型計(jì)算

該碼頭的接岸結(jié)構(gòu)型式為“鋼板樁+斜頂樁+帽梁”，經(jīng)檢測,部分鋼板樁已發(fā)生銹蝕破損，接岸結(jié)構(gòu)的安全處于不確定狀態(tài)，無法采取針對性的工程措施，本文通過現(xiàn)場檢測［6-7］和有限元分析了解到，該處鋼板樁銹蝕成洞或銹蝕后殘余厚度低于銹蝕前的80%，必須對鋼板樁進(jìn)行加固［8］，以保證其正常工作。針對提出的鋼板樁加固方案，進(jìn)行了鋼板樁加固方案的有限元計(jì)算分析，以下主要對支護(hù)條件下鋼板樁帽板加固方案、局部加固方案［9］和地連墻替代加固方案［10］進(jìn)行分析。

2.1 帽板加固法計(jì)算分析

2.1.1 帽板加固法模型的建立

該方案考慮到泥面以下的鋼板樁尚可發(fā)揮剩余作用，直接在鋼板樁銹洞位置采用帽板式鋼筋混凝土加固，將尚能工作的鋼板樁通過加固體與斜頂樁連接起來（圖1）。模型中加固體材料參數(shù)根據(jù)混凝土特性確定［11］。

圖1 帽板加固方案模型斷面圖Fig.1 Section view of cap reinforcement

圖2 接岸結(jié)構(gòu)及土體側(cè)向位移(帽板加固法)Fig.2 Lateral displacement of link-banked structure and soil (cap reinforcement)

2.1.2 帽板加固后接岸結(jié)構(gòu)及土體變形特征

對帽板法加固后的有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，首先同樣對接岸結(jié)構(gòu)及土體的變形特征進(jìn)行分析，從接岸結(jié)構(gòu)及土體的側(cè)向位移（圖2）可以看出，加固后深層土體的側(cè)向位移已得到控制，其位移趨勢和數(shù)值均可達(dá)到鋼板樁完好情況的水平（鋼板樁完好情況土體最大側(cè)向位移為14.9 mm，帽板加固后為14.7 mm），說明采用帽板加固法能夠?qū)P洞以下的鋼板樁與帽梁的共同作用關(guān)系重新建立起來，接岸結(jié)構(gòu)及土體的豎向位移值也接近完好情況。單獨(dú)分析接岸結(jié)構(gòu)的變形特征可知，加固后的接岸結(jié)構(gòu)，其變形特征基本與完好情況相似，鋼板樁的側(cè)向位移稍有減少，且銹洞以上的鋼板樁已基本失效，而泥面線以下的鋼板樁則是通過與其加固體的共同作用實(shí)現(xiàn)了接岸結(jié)構(gòu)的功能。從接岸結(jié)構(gòu)的豎向位移特征來看，由于加固體的作用，泥面以下鋼板樁在承擔(dān)豎向荷載作用方面也起到了作用，使得帽梁后的豎向沉降得到了控制。

2.2 局部外包法計(jì)算分析

2.2.1 鋼板樁局部外包法計(jì)算模型的建立

鋼板樁局部外包方案是在鋼板樁產(chǎn)生銹洞的位置對其進(jìn)行局部加固，使其恢復(fù)到需要的強(qiáng)度和狀態(tài)，相比帽板加固法，該方法施工難度有所降低，且避免了斜頂樁樁帽與接岸結(jié)構(gòu)固結(jié)時(shí)產(chǎn)生較大應(yīng)力。但為了保證局部加固的修復(fù)工作能夠順利進(jìn)行，需要在修復(fù)位置設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)，將鋼板樁與鋼筋焊接起來，再在支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行混凝土澆筑，針對這一修復(fù)方案，建立了數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行分析。圖3為有限元模型的斷面圖。模型中加固體材料參數(shù)根據(jù)混凝土特性確定。

2.2.2 局部外包法加固后接岸結(jié)構(gòu)及土體變形特征

圖3 局部外包法模型斷面圖Fig.3 Section view of local reinforcement

對局部外包法加固后的有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，同樣首先對接岸結(jié)構(gòu)及土體的變形特征進(jìn)行分析，從接岸結(jié)構(gòu)及土體的側(cè)向位移（圖4）可以看出，加固之后，深層土體的側(cè)向位移已得到控制，其位移趨勢和數(shù)值均可達(dá)到鋼板樁完好情況或帽板加固法后的水平（鋼板樁完好情況土體最大側(cè)向位移為14.9 mm，帽板加固后為14.7 mm，局部外包法14.68 mm），說明采用局部外包法能夠?qū)P洞上下的鋼板樁連接起來，使得鋼板樁接岸結(jié)構(gòu)的體系共同作用得到恢復(fù)。

圖4 接岸結(jié)構(gòu)及土體側(cè)向位移(局部外包法)Fig.4 Lateral displacement of link-banked structure and soil (local reinforcement)

單獨(dú)對接岸結(jié)構(gòu)的變形特征進(jìn)行分析。接岸結(jié)構(gòu)加固之后，其變形特征基本與完好情況相似，鋼板樁的側(cè)向位移稍有減少，銹洞以上的鋼板樁已基本失效，而泥面線以下的鋼板樁則是通過與其加固體的共同作用實(shí)現(xiàn)了接岸結(jié)構(gòu)的功能。且由于加固體的作用，泥面以下鋼板樁在承擔(dān)豎向荷載作用方面也起到了作用，使得帽梁后的豎向沉降得到了控制。

2.3 地連墻替代法計(jì)算分析

2.3.1 地連墻替代法模型的建立

該方案在接岸結(jié)構(gòu)后方增加地下連續(xù)墻替代鋼板樁的作用，即在靠近鋼板樁的后方增加地連墻，一是可以阻擋后方土體對接岸結(jié)構(gòu)的作用力，二是可以聯(lián)合泥面以下鋼板樁形成雙排樁的擋土結(jié)構(gòu)。圖5為地連墻的布置位置圖。

2.3.2 地連墻替代方案接岸結(jié)構(gòu)及土體變形特征

對地連墻替代方案的有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，從接岸結(jié)構(gòu)及土體側(cè)向位移（圖6）來看，地連墻的設(shè)置減少了后方土體變形對接岸結(jié)構(gòu)及前方樁基的影響，地連墻與泥面線以下剩余鋼板樁的雙重作用改善了接岸結(jié)構(gòu)的性能，相比鋼板樁完好情況，地連墻設(shè)置后的綜合接岸結(jié)構(gòu)工作性能更好，其深層土體的側(cè)向位移數(shù)值減少了（最大值為13.3 mm），且土體變形對前方岸坡的影響范圍也減小了。

同樣，由于地連墻的作用，接岸結(jié)構(gòu)位置的豎向位移也大大減少，地連墻不僅阻擋了絕大部分的土壓力，也在承擔(dān)豎向荷載方向起到了較大的作用，減小了其土體變形范圍，達(dá)到了較好的效果。

圖5 地連墻位置斷面圖Fig.5 Section view of diaphragm wall reinforcement

圖6 接岸結(jié)構(gòu)及土體側(cè)向位移圖(地連墻替代法)Fig.6 Lateral displacement of link-banked structure and soil（diaphragm wall reinforcement）

圖7 接岸結(jié)構(gòu)及地連墻側(cè)向位移圖Fig.7 Lateral displacement of linkbanked structure and diaphragm wall

圖7為接岸結(jié)構(gòu)及地連墻的側(cè)向位移圖，地連墻的側(cè)向位移較大值出現(xiàn)在墻身中部位置，鋼板樁的側(cè)向位移體現(xiàn)在樁身下部，地連墻的深度較深，已經(jīng)穿過了土體變形豎直范圍，而鋼板樁的深度相對較淺，樁底剛好達(dá)到土體變形區(qū)域，因此地連墻實(shí)際上起到了深層“遮簾樁”的效果。斜頂樁樁身的側(cè)向位移已不明顯，這正是地連墻設(shè)置后才有的效果。隨后又對鋼板樁和地連墻的側(cè)向位移進(jìn)行對比分析，得到鋼板樁樁身的側(cè)向位移僅為11 mm，而地連墻的最大側(cè)向位移為12 mm，可見地連墻作用使得墻身前方的土體變形得到控制。同時(shí)也減少了接岸結(jié)構(gòu)后方的豎向位移，最大豎向位移為22 mm，較鋼板樁完好情況下的28 mm也有所減少。

3 加固方法內(nèi)力分析及比較

表1 3種加固方法比較Tab.1 Comparison of three reinforcement methods

圖8 帽板加固法內(nèi)力Fig.8 Internal stress of cap reinforcement

圖9 局部外包法內(nèi)力Fig.9 Internal stress of localreinforcement

圖10 地連墻替代法內(nèi)力Fig.10 Internal stress of diaphragm wall reinforcement

上述3種加固方法均能起到改善該碼頭接岸結(jié)構(gòu)的作用，在此前提下，應(yīng)對其內(nèi)力進(jìn)行比較分析，從定量的計(jì)算結(jié)果上來判斷哪種加固方法更為合理。下面用ANSYS所建立的模型對3種加固方法所產(chǎn)生的內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)工程的實(shí)際情況和《港口工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算公式［12］進(jìn)行鋼板樁強(qiáng)度計(jì)算，并分別取幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行核算。

通過上述比較可以看出，采用3種加固方法后，其內(nèi)力均滿足規(guī)范要求，應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行應(yīng)力分析比較，以確定最優(yōu)加固方案。

4 加固方法應(yīng)力分析及比較

在前面分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，借助于ANSYS軟件進(jìn)一步對3種加固形式的結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下。

4.1 帽板加固后結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

接岸結(jié)構(gòu)在采用帽板法加固后，斜頂樁加固樁帽的底部受力相對集中，第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力的最大值均出現(xiàn)在這個(gè)位置，經(jīng)ANSYS模型計(jì)算，其中第一主應(yīng)力最大值為34 MPa，第三主應(yīng)力最大值為37.6 MPa，因此可以在斜頂樁加固樁帽時(shí)，適當(dāng)增加其強(qiáng)度。

4.2 局部外包法加固后混凝土構(gòu)件應(yīng)力分析

局部外包法加固后的混凝土構(gòu)件應(yīng)力的分析主要包括帽梁結(jié)構(gòu)和加固體，經(jīng)ANSYS模型計(jì)算分析可知，加固混凝土體的海側(cè)方向是受拉的主要區(qū)域，最大第一主應(yīng)力出現(xiàn)在加固體頂端，最大值為2.37 MPa，超過了抗拉強(qiáng)度1.78 MPa，但范圍較小，因此在進(jìn)行加固體配筋時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)其海側(cè)面配筋。由第三主應(yīng)力分析可知，主要受壓區(qū)域?yàn)樾表敇杜c帽梁連接處和加固體的岸側(cè)，但是應(yīng)力值都相對較少，對結(jié)構(gòu)沒有影響。

4.3 地連墻替代方案結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

地連墻出現(xiàn)受拉狀態(tài)的區(qū)域非常少，主要受壓區(qū)域分布在地連墻的后側(cè)靠近土體變形影響的區(qū)域，其第三主應(yīng)力值約為1.8 MPa。

由此可見，帽板加固法使得斜頂樁樁帽加固位置的應(yīng)力較大，而采用局部外包法和地連墻替代加固法所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力在可接受范圍，能滿足接岸結(jié)構(gòu)的功能要求。雖然地連墻替代加固法控制了接岸結(jié)構(gòu)前方碼頭及岸坡的變形，且改善了接岸結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，但施工難度和造價(jià)都比局部外包法高出很多。因此，本文建議采用局部外包法作為該工程的加固方案。

5 比選結(jié)果

文章從實(shí)用角度對3種鋼板樁加固方案進(jìn)行了有限元計(jì)算分析，分別建立了帽板加固方案、局部外包法和地連墻替代法的數(shù)值計(jì)算模型，在分析計(jì)算結(jié)果時(shí)，分別對接岸結(jié)構(gòu)及土體變形特征和鋼板樁等結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)行了分析。直觀清晰地看到3種加固方法的優(yōu)劣，有助于選擇最終施工方案，3種加固方法的綜合比較結(jié)果如下。

（1）帽板加固法的實(shí)質(zhì)是將泥面以下的鋼板樁與斜頂樁和帽梁連接起來，重新實(shí)現(xiàn)了接岸結(jié)構(gòu)的功能，基本可以達(dá)到鋼板樁完好情況的水平，但斜頂樁樁帽位置加固體的受力較大，可能出現(xiàn)加固后受力破損。

（2）地連墻替代法是將地連墻替代鋼板樁作為接岸結(jié)構(gòu)，實(shí)質(zhì)是剩余鋼板樁與地連墻綜合起來作為接岸結(jié)構(gòu)。因此，進(jìn)一步強(qiáng)化了地連墻替代方案的加固效果，但其施工難度和工程量都較大。

（3）局部外包法的實(shí)質(zhì)是將泥面以下的鋼板樁與上部剩余鋼板樁及帽梁連接起來，改善銹洞位置鋼板樁的受力傳遞，重新實(shí)現(xiàn)接岸結(jié)構(gòu)的功能，加固效果基本可以達(dá)到鋼板樁完好情況的水平，鋼板樁及結(jié)構(gòu)的受力也均能滿足要求，且造價(jià)合理，故為本文所推薦。

［1］張立人.建筑結(jié)構(gòu)檢測、鑒定與加固［M］.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2003.

［2］吳蔭順.腐蝕試驗(yàn)方法與防腐蝕檢測技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

［3］朱崇誠，王崇宇.鋼板樁式接岸結(jié)構(gòu)銹損與加固研究［J］.水道港口，2010，31（1）：55-60. ZHU C C，WANG C Y.Corrosion and reinforcement study of link-banked structure of steel sheet pile［J］.Journal of Waterway and Harbor，2010，31（1）：55-60.

［4］全國職業(yè)高中建筑類專業(yè)教材編寫組.建筑結(jié)構(gòu)［M］.北京：高等教育出版社，1994.

［5］張濤.鋼板樁技術(shù)在長江堤防加固工程中的應(yīng)用［J］.西部探礦工程，2002，14（2）：15-16. ZHANG T.Application of Steel Sheet Piling in the Reinforcement of the Changjiang River Dikes［J］.West-China Exploration Engineering，2002，14（2）：15-16.

［6］JTJ302-2006，港口水工建筑物檢測與評估技術(shù)規(guī)范［S］.

［7］朱崇誠，王崇宇，張強(qiáng)，等.天津港7～13段碼頭鋼板樁檢測及接岸結(jié)構(gòu)加固方法研究［R］.天津：交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2009.

［8］YB9257-96，鋼結(jié)構(gòu)檢測評定及加固技術(shù)規(guī)程［S］.

［9］邸小壇.舊建筑物的檢測加固與維護(hù)［M］.北京：地震出版社，1992.

［10］丁華.淮河入?？跇屑~工程防滲地下連續(xù)墻施工的質(zhì)量控制［J］.巖土工程界，2003，6（6）：44-46. DING H.Quality control of the construction of underground anti-seepage walls at the entry pivotal project of Huihe River［J］. Geotechnical Engineering World，2003，6（6）：44-46.

［11］郝文化.Ansys土木工程應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：中國水利水電出版社，2005.

［12］JTJ283-99，港口工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

Finite element analysis on reinforcement of link-banked structure of steel sheet pile

MENG Jing，ZHU Chong-cheng
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Key Laboratory of Harbor&Marine Structure Safety，Ministry of Communications，Tianjin 300456，China）

Based on the damage mechanism of link-banked structure of steel sheet pile，three reinforcement methods such as cap reinforcement，local reinforcement and diaphragm wall reinforcement were proposed in this paper.A finite element model was established with the finite element analysis software ANSYS to analyze the forces acted on steel sheet piles and the deformation characteristics of soil and link-banked structures，and the construction feasibility of the three reinforcement methods were compared.Finally，the local reinforcement is chosen as the final scheme.

steel sheet pile；link-banked structure；reinforcement；finite element analysis；ANSYS

U 656.1+13；TV 223.2+2

A

1005-8443（2010）05-0403-06

西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目基金（2009328000084）

孟靜（1981-），女，河南省人，助理研究員，主要從事港口設(shè)施檢測評估工作。

Biography：MENG Jing（1981-），female，assistant professor.