高樁碼頭鋼板樁接岸結(jié)構(gòu)銹蝕殘余承載力有限元分析

王世明，王崇宇，林高杰

（1.天津港建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，天津300456；2.交通部天津水運工程科學(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)重點實驗室，天津300456）

鋼板樁接岸結(jié)構(gòu)是岸坡上高樁碼頭中用于抵抗碼頭后部土體水平位移變形的重要構(gòu)造物，在海洋環(huán)境的腐蝕作用下，鋼板樁可能出現(xiàn)耐久性的問題。近年來，對鋼板樁及碼頭接岸結(jié)構(gòu)的研究較多，沈運峰［1］等介紹了原碼頭鋼板樁加低胸墻的修復(fù)方法，取得了良好的經(jīng)濟效益。朱錫昶［2-3］等對碼頭入海近60 a鋼板樁進行研究，采用水下攝像、水下超聲波測厚、水下切割取樣等手段調(diào)查和檢測了8個港口的鋼樁腐蝕狀況，對鋼板樁岸壁式碼頭鋼筋混凝土胸墻破壞情況及水下鋼板樁腐蝕程度進行檢測。徐炬平［4］認為海港碼頭通常采用鋼板樁等鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，其最大的缺點是易銹蝕。特別是潮差段更易腐蝕且難以防護。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)天津港9～11段碼頭鋼板樁接岸結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了銹蝕和破損現(xiàn)象［5］，但還不確定是否對接岸結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定造成影響，其殘余強度是否能滿足結(jié)構(gòu)物的工作要求亦未可知。鋼板樁與岸坡的相互作用較為復(fù)雜，采用常規(guī)方法的計算結(jié)果無法判別其安全性。

有限元法是一種能夠模擬結(jié)構(gòu)與土相互作用的數(shù)值計算方法［6］，本文采用數(shù)值計算方法分析鋼板樁完好以及銹蝕情況下的接岸結(jié)構(gòu)變形和受力的狀況，為接岸結(jié)構(gòu)使用的安全性判定提供依據(jù)，并結(jié)合規(guī)范計算方法對鋼板樁的強度進行分析。

1 工程概況

天津港9～11段碼頭位于一突堤西側(cè)，碼頭從南至北總長565.26 m，其中泊位總長530 m。該碼頭為高樁梁板式結(jié)構(gòu)，前方承臺寬13.53 m，上部結(jié)構(gòu)由橫梁、門機梁、火車道板和靠船構(gòu)件等組成。碼頭后沿接岸部分是由厚45 cm的預(yù)應(yīng)力板樁墻、55 cm×55 cm的預(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型式為固接。板樁樁尖打至-17.5 m，斜頂樁樁尖打至-22 m，相鄰斜頂樁間距為3.50 m。天津港9～11段碼頭后承臺及接岸結(jié)構(gòu)斷面見圖1，接岸結(jié)構(gòu)為斜頂樁加鋼板樁結(jié)構(gòu)型式。

在近年的碼頭調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，天津港9～11段碼頭接岸結(jié)構(gòu)中的鋼板樁出現(xiàn)了較為嚴重的銹蝕破損現(xiàn)象，部分位置已出現(xiàn)300 mm×500 mm的銹洞。根據(jù)對鋼板樁的重點檢測結(jié)果，擬采用有限元法對其進行分析并判定安全性。

2 有限元計算模型

采用ANSYS軟件進行分析，建立鋼板樁接岸結(jié)構(gòu)（由斜頂樁、鋼板樁、帽梁組成）和地基土共同作用的整體計算模型，計算分析采用三維有限元法［7］，沿碼頭岸線方向取3.6 m范圍，岸—海方向取83 m范圍（碼頭前沿外-13 m，碼頭前沿往后取-70 m），模型見圖2。

為了方便計算分析，對U形鋼板樁進行一定的簡化，采用地下連續(xù)墻等代鋼板樁結(jié)構(gòu)進行計算，鋼板樁、斜頂樁、帽梁及土體均由Solid45單元離散。計算分析中鋼板樁、混凝土（斜頂樁、帽梁）等均考慮為線彈性材料，其材料特性按照我國相關(guān)技術(shù)規(guī)范取值，接岸結(jié)構(gòu)材料特性見表1；地基土體在計算分析中考慮為D-P彈塑性本構(gòu)模型，土體參數(shù)根據(jù)《天津港9～11段碼頭工程巖土工程勘察報告》取值，土體材料特性見表2。

該碼頭竣工于1978年，至今已接近30 a，土體在自重作用產(chǎn)生的沉降、固結(jié)等變形已基本完成，因此在數(shù)值計算分析時只考慮土體在自重等作用下產(chǎn)生的初始應(yīng)力，不考慮土體在這些歷史作用下的變形，在計算分析之前進行模型的初始應(yīng)力平衡。計算分析中的外荷載主要考慮碼頭面上的堆載為50 kPa均布荷載。

圖2 有限元模型網(wǎng)格Fig.2 Finite element meshing

表1 接岸結(jié)構(gòu)材料特性Tab.1 Material properties of link-banked structure

3 鋼板樁完好情況計算分析

首先對鋼板樁完好情況的岸坡—接岸結(jié)構(gòu)物進行計算，分析結(jié)構(gòu)物及土體的變形特征，以及斜頂樁和帽梁的應(yīng)力狀態(tài)，并對鋼板樁的受力特性進行核算。

3.1 接岸結(jié)構(gòu)及土體變形特征

分析鋼板樁完好情況，提取數(shù)值計算結(jié)果，岸—海方向位移見圖3，由圖3可知，在后方均布堆載的作用下，岸坡內(nèi)部土體產(chǎn)生了較大的側(cè)向位移，主要位于鋼板樁的下半部分，最大側(cè)向位移值達14.9 mm，說明荷載作用已傳遞至土體深處。根據(jù)豎向位移計算結(jié)果，最大沉降為87 mm，根據(jù)30 a碼頭觀測資料，建成后碼頭總沉降約為200 mm，本文計算中未考慮固結(jié)沉降，因此認為模型計算結(jié)果是合理的。

表2 土體材料特性Tab.2 Soil materials properties

由圖3可知，接岸結(jié)構(gòu)前方的土體受堆載作用影響較小，在鋼板樁接岸結(jié)構(gòu)的影響下，形成了板樁中部位置凸向海側(cè)的“C”形特征。綜合以上變形分析，該碼頭岸坡主要以軟土地基為主，地基的壓縮變形相對較大，在后方堆載作用下，鋼板樁及岸坡深處的變形相對較大，形成中間變形大，上下變形相對較小的特征，接岸結(jié)構(gòu)上部側(cè)向位移較小，豎向位移主要體現(xiàn)在帽梁的岸側(cè)沉降相對較大［6］。

圖3 完好情況下結(jié)構(gòu)及土體岸—海方向位移圖Fig.3 Coast-seaward displacement of structure and soil under good condition

3.2 鋼板樁的受力計算分析

據(jù)《港口工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTJ 283-99）［8］，鋼板樁可按壓彎構(gòu)件計算，其單位寬度強度應(yīng)滿足下式要求

式中：Nk為每米寬板樁墻軸向力標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m；Mmaxk為每米寬板樁墻最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值，kN·m/m；A為鋼板樁截面面積，m2；Wz為鋼板樁的彈性抵抗矩，m3/m；γGQ為綜合分項系數(shù)。

在有限元模型的計算中，將鋼板樁簡化等代為連續(xù)墻，這與鋼板樁的設(shè)計規(guī)范中的理念是一樣的，以每米寬鋼板樁的內(nèi)力值為計算依據(jù)，因此本文將數(shù)值計算結(jié)果轉(zhuǎn)化為彎矩和軸力，圖4為每米寬鋼板樁的彎矩值，圖5為每米寬鋼板樁的軸力值。

鋼板樁的彎矩呈現(xiàn)上部較大、往地基深處逐漸減少的趨勢，并且在樁底位置出現(xiàn)了反彎的現(xiàn)象，彎矩在高程為-2 m位置達到最大，此處為拋石與地基交界位置，每米寬板樁彎矩最大值為245 kN·m。

鋼板樁考慮為壓彎構(gòu)件進行計算，根據(jù)《港口工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，鋼材的抗彎強度設(shè)計值為f=215 N/mm2。計算中考慮鋼板樁的各種不利情況，根據(jù)計算結(jié)果取鋼板樁的不利位置進行受力計算。

高程-2 m位置為鋼板樁主要受彎位置，其每米寬鋼板樁最大彎矩值為Nk=245 kN·m/m，該位置的對應(yīng)軸力值為600 kN/m，代入到鋼板樁強度計算公式

由計算結(jié)果可知，該位置鋼板樁強度滿足要求。同樣對高程-13 m位置和高程-8 m位置進行計算，鋼板樁的強度滿足要求。綜上計算結(jié)果可知，在鋼板樁完好的情況下，鋼板樁各個位置的強度均能滿足要求。

圖4 每米寬鋼板樁彎矩值Fig.4 Moment values of steel sheet pile per meter

圖5 每米寬鋼板樁軸力值Fig.5 Axial force of steel sheet pile per meter

4 鋼板樁銹蝕情況計算分析

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的情況，鋼板樁出現(xiàn)了嚴重的銹蝕現(xiàn)象，鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕將直接影響鋼板樁的實際厚度，這將影響到鋼板樁的工作性能，因此本文在鋼板樁銹蝕后厚度變薄情況下進行了有限元計算分析，數(shù)值計算模型中考慮鋼板樁為80%殘余厚度（鋼板樁原厚度為15 mm，80%殘余厚度為12 mm）。

圖6 鋼板樁80%銹蝕殘余厚度情況下結(jié)構(gòu)及土體岸—海方向位移圖Fig.6 Coast-seaward displacement of structure and soil after steel sheet pile rusting remain 80%

4.1 接岸結(jié)構(gòu)及土體變形特征

對考慮鋼板樁銹蝕情況的有限元計算結(jié)果進行分析，主要對接岸結(jié)構(gòu)及土體的側(cè)向位移和豎向位移進行分析。接岸結(jié)構(gòu)及土體的側(cè)向位移見圖6，其土體側(cè)向位移特征也主要出現(xiàn)在鋼板樁的前后，沿豎直方向以鋼板樁下部的側(cè)向位移較為明顯，側(cè)向位移的最大值為17.7 mm，較鋼板樁完好情況有所增大。由于鋼板樁厚度的減少，鋼板樁強度降低使得土體及接岸結(jié)構(gòu)變形量增大，說明鋼板樁的銹蝕對接岸結(jié)構(gòu)的工作性能有一定的影響。以上分析結(jié)果均說明了鋼板樁銹蝕后，其實際工作厚度的減少將影響到接岸結(jié)構(gòu)的變形特征，使得接岸結(jié)構(gòu)的工作性能下降，接岸結(jié)構(gòu)及土體的側(cè)向位移和豎向位移均有增大。

4.2 鋼板樁受力計算分析

根據(jù)鋼板樁完好情況下的鋼板樁受力狀態(tài)，對鋼板樁銹蝕情況下的強度進行核算，分別取鋼板樁3個不利位置的受力進行計算，并且以鋼板樁完好情況下設(shè)計狀態(tài)內(nèi)力作為核算內(nèi)力。

高程-2 m位置為鋼板樁主要受彎位置，其每米寬鋼板樁最大彎矩值為Nk=245 kN·m/m，該位置的對應(yīng)軸力值為600 kN/m，其中鋼板樁截面面積A按照鋼板樁銹蝕殘余80%厚度計算，鋼板樁彈性抗力矩計算方法同樣，將數(shù)值代入到鋼板樁強度計算公式

樁身高程0 m位置

樁身高程-4.5 m位置

結(jié)合其他位置計算結(jié)果可知，在鋼板樁80%殘余厚度的情況下，鋼板樁樁頂（高程2.6 m）至樁身高程-4.5 m區(qū)域的強度不能滿足要求，在其他位置能滿足要求。

5 鋼板樁局部破損情況計算分析

在現(xiàn)場調(diào)查中，還發(fā)現(xiàn)部分位置的鋼板樁銹蝕形成銹洞，銹洞主要出現(xiàn)在泥面線附近，并逐漸向樁頂位置延伸，為了分析銹洞對接岸結(jié)構(gòu)的影響，在數(shù)值計算分析中也考慮了鋼板樁局部破損情況。

5.1 接岸結(jié)構(gòu)及土體變形特征

經(jīng)過對鋼板樁銹蝕局部破損情況的計算分析，對接岸結(jié)構(gòu)及土體變形特征進行分析。接岸結(jié)構(gòu)及土體側(cè)向位移見圖7，由圖7可以看出鋼板樁前后土體的側(cè)向位移范圍相對增大，土體的最大側(cè)向位移值為20.6 mm，較鋼板樁銹蝕厚度變薄和完好情況下位移值更大，但對土體的側(cè)向位移還有一定的限制作用。

5.2 鋼板樁受力分析

圖7 鋼板樁局部破損情況結(jié)構(gòu)及土體岸—海方向位移圖Fig.7 Coast-seaward displacement of structure and soil after steel sheet pile partial-damaged

由現(xiàn)場檢測結(jié)果可知，鋼板樁銹蝕成洞主要體現(xiàn)在鋼板樁的凸面（海側(cè)），而鋼板樁鎖扣的位置銹蝕程度相對較少，因此可以說在銹蝕成洞位置的鋼板樁也存在殘余強度，本文在進行鋼板樁受力計算時，主要依據(jù)的是鋼板樁抗彎剛度和抗壓剛度，而對于鋼板樁凸面銹蝕成洞情況下的鋼板樁強度無從得知，因此本文采用數(shù)值計算方法對完好和銹洞情況的鋼板樁受力變形特點進行分析，比較得出鋼板樁銹洞情況下的剛度折損比。

分別建立鋼板樁完好和銹洞情況下的監(jiān)護有限元模型，施加同樣的荷載進行計算分析，模型底部采用全約束，將計算結(jié)果與一端固定一端自由的梁結(jié)構(gòu)變形計算公式進行比較，得到鋼板樁在銹洞狀態(tài)下的抗彎剛度是完好狀態(tài)的0.65倍，抗壓剛度為0.73倍。

根據(jù)鋼板樁完好情況下的鋼板樁彎矩和軸力數(shù)值，重點對鋼板樁銹洞位置的強度進行核算，銹洞位置一般位于高程1 m左右，為鋼板樁受彎位置，其每米寬彎矩值為Nk=200 kN·m/m，該位置的對應(yīng)軸力值為400 kN/m，其中鋼板樁截面面積A和彈性抗力矩按照鋼板樁銹蝕成洞殘余強度計算，將數(shù)值代入到式（1）

計算結(jié)果表明該位置鋼板樁強度不滿足要求。

6 小結(jié)

建立了鋼板樁接岸結(jié)構(gòu)與岸坡相互作用的有限元模型，分別進行了鋼板樁完好情況、銹蝕情況下的計算，并分別對接岸結(jié)構(gòu)及土體變形特征、鋼板樁受力特征進行了分析。

綜合以上計算分析結(jié)果可知，鋼板樁在完好情況下，接岸結(jié)構(gòu)能夠較好地實現(xiàn)其結(jié)構(gòu)性能，具有較好的阻擋土體變形和承擔(dān)上部荷載的能力，并且強度滿足要求。在銹蝕后殘余80%厚度的情況下，鋼板樁接岸結(jié)構(gòu)性能有所降低，且在樁頂至樁身高程-4.5 m位置，鋼板樁將無法滿足強度要求，土體的變形明顯增大，接岸結(jié)構(gòu)處于較危險狀態(tài)。鋼板樁在局部破壞（銹蝕成洞）的情況下，銹洞位置的鋼板樁不能滿足強度設(shè)計要求，僅靠泥面線以下的剩余鋼板樁實現(xiàn)接岸擋土功能，土體變形將增大，對接岸結(jié)構(gòu)本身的穩(wěn)定也造成了影響，接岸結(jié)構(gòu)中斜頂樁和鋼板樁的共同作用將無法實現(xiàn)。采用有限元分析方法分析鋼板樁接岸結(jié)構(gòu)的殘余承載力，不僅可以得到接岸結(jié)構(gòu)及土體的變形特征，還可以對鋼板樁的強度進行核算，是一種有效的分析方法。

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