加勁拱肋對(duì)改善冷彎鋼板樁局部屈曲性能的探究

劉春陽(yáng)　張淑華　陳光明　孫興毅

(河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院　南京　210098)

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加勁拱肋對(duì)改善冷彎鋼板樁局部屈曲性能的探究

劉春陽(yáng)張淑華陳光明孫興毅

(河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院南京210098)

摘要：冷彎薄壁型鋼與熱軋型鋼相比，具有許多優(yōu)越之處，正日益廣泛地應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)之中.由于冷彎鋼板樁具有薄板壁、大截面的形狀，在向地面打樁等情況下受到軸向壓力可能會(huì)導(dǎo)致局部的屈曲變形.因此，對(duì)冷彎鋼板樁進(jìn)行截面優(yōu)化，提高屈曲強(qiáng)度很有必要.文中對(duì)現(xiàn)階段采取加勁拱肋的方案進(jìn)行分析，經(jīng)過ANSYS軟件進(jìn)行有限元模擬，發(fā)現(xiàn)這一方案可以有效的改善結(jié)構(gòu)受力，提高抗屈曲能力，說明加勁拱肋值得在鋼板樁結(jié)構(gòu)中進(jìn)行推廣.

關(guān)鍵詞：冷彎鋼板樁；加勁拱肋；局部屈曲

劉春陽(yáng)(1991- )：男，碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)楦酆焦こ探Y(jié)構(gòu)

0引言

鋼板樁工法以前在我國(guó)主要應(yīng)用于橋梁建設(shè)的臨時(shí)圍堰和基礎(chǔ)工程的臨時(shí)擋土等臨時(shí)性的工程.但現(xiàn)在，鋼板樁不僅應(yīng)用于臨時(shí)結(jié)構(gòu)中，也廣泛適用于橋梁結(jié)構(gòu)[1-2]、護(hù)岸、碼頭靠岸、擋土墻等各種各樣的永久性結(jié)構(gòu)中.

鋼板樁產(chǎn)品根據(jù)其制造方法不同可以分為熱軋鋼板樁和冷彎鋼板樁.傳統(tǒng)市場(chǎng)上鋼板樁工法的主角是熱軋鋼板樁，但是后來由于工程結(jié)構(gòu)需要具有更高經(jīng)濟(jì)性的產(chǎn)品，具有輕量、品種豐富、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)的冷彎鋼板樁逐漸得到了廣泛的運(yùn)用.

冷彎薄壁型鋼構(gòu)件是由鋼片、鋼帶或鋼板通過冷加工成型，可以采用輥式冷彎成型或由折彎?rùn)C(jī)折彎成型[3-4].它具有以下的優(yōu)點(diǎn)：(1)鋼材材質(zhì)強(qiáng)度大，品質(zhì)安定；(2)與熱軋鋼板樁相比，質(zhì)量較輕，有較好的經(jīng)濟(jì)效益；(3)與熱軋鋼板樁相比，品種豐富，可以選擇最為合適的設(shè)計(jì)方案.

雖然冷彎鋼板樁有著優(yōu)良的性能，但正是由于其具有薄板壁、大截面的截面形狀，在打樁等情況下，結(jié)構(gòu)受到軸向壓力可能會(huì)導(dǎo)致局部的屈曲變形.局部屈曲受各鋼板部分的板寬、板厚，以及截面形狀的影響，在現(xiàn)有的應(yīng)對(duì)方案中，采取加勁拱肋是一種簡(jiǎn)單有效的辦法，不過該方案的具體效果在相關(guān)規(guī)范中并未提及.

文中就鋼板樁腹板采取加勁拱肋對(duì)提高結(jié)構(gòu)抗屈曲能力的效果進(jìn)行了探討，對(duì)比有無加勁拱肋下結(jié)構(gòu)的屈曲特性，得出了相關(guān)結(jié)論，希望為實(shí)際工程提供參考.

1結(jié)構(gòu)選型及局部屈曲介紹

鋼板樁有多種截面形式，其中U型鋼板樁是比較有代表性的品種，該結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn).

1) U型鋼板樁規(guī)格型號(hào)豐富.

2) 根據(jù)歐標(biāo)設(shè)計(jì)生產(chǎn)，結(jié)構(gòu)形式對(duì)稱，有利于重復(fù)使用，在重復(fù)使用上與熱軋等同.

3) 由于生產(chǎn)便捷，與組合樁配套使用時(shí)候可在出廠前預(yù)先訂制.

4) 生產(chǎn)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)周期短，鋼板樁性能可根據(jù)客戶要求而定.

由于具備以上優(yōu)點(diǎn)，U型鋼板樁受到廣泛的應(yīng)用，有較大的研究意義，文中以其為例進(jìn)行加勁拱肋對(duì)屈曲的影響分析，結(jié)構(gòu)設(shè)置加勁拱肋前后的截面見圖1.

圖1　截面示意圖

局部屈曲是指在壓力作用下只發(fā)生板件的彎曲，并且各相鄰板件之間棱線保持挺直，不會(huì)發(fā)生橫向變形，屈曲發(fā)生后構(gòu)件截面輪廓形狀與屈曲前保持一致[5].板件的局部屈曲在澳大利亞規(guī)范(AS/NZS4600)[6]中的定義為：變形僅包含板件的彎曲，而各相鄰板件的交線不發(fā)生橫向變形的屈曲模式.由于鋼板樁腹板的高厚比較大，局部屈曲通常首先在腹板發(fā)生.鋼板樁局部屈曲示意圖見圖2.

圖2　局部屈曲示意圖

2分析模型

2.1有限元模型

文中建立有限元模型，分析單片鋼板樁在軸向受力下，在有無加勁拱肋兩種情況下的局部屈曲情況.鋼板樁有限元模型采取shell63單元，鋼材彈性模量E=210 GPa，屈服強(qiáng)度值為σy=345 MPa，泊松比為0.3.

鋼板樁約束及加載示意圖見圖3(X-Y平面視圖).兩側(cè)邊分別約束Y，Z方向位移，上邊約束X，Z方向位移及繞X，Y軸的轉(zhuǎn)角，下邊約束X，Y，Z方向位移及繞X，Y軸的轉(zhuǎn)角.鋼板樁上邊施加等值均布荷載.

圖3　約束及加載示意圖

2.2屈曲分析過程

屈曲分析一般分為特征值屈曲分析和非線性屈曲分析2個(gè)過程.

首先要進(jìn)行特征值屈曲分析，也就是彈性穩(wěn)定分析，求出臨界屈曲荷載值.具體在ANSYS中的操作是在模型上邊施加均布荷載，設(shè)置分析類型，求出屈曲荷載系數(shù)，將該系數(shù)乘以所施加的荷載，結(jié)果就是臨界屈曲荷載.

其次進(jìn)行非線性分析，非線性穩(wěn)定性分析是在非線性靜力分析理論基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)施加逐級(jí)增大的荷載直到結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞，然后再對(duì)結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)時(shí)的臨界荷載進(jìn)行分析[7].弧長(zhǎng)法是ANSYS軟件中進(jìn)行非線性分析的有效方法，該方法也是非線性分析的一種主流方法，尤其在非線性屈曲極值點(diǎn)附近的分析方面優(yōu)勢(shì)明顯.弧長(zhǎng)法前提是存在一個(gè)真實(shí)的平衡路徑位移增量空間，然后將由弧長(zhǎng)所控制的荷載增量按自動(dòng)加載方案逐級(jí)加載，加載時(shí)應(yīng)注意沿著平衡路徑迭代位移增量的大小和方向加載，從而可以搜索到滿足平衡方程的平衡路徑[8].具體在ANSYS中的操作是將特征值屈曲分析計(jì)算得到的屈曲荷載施加到結(jié)構(gòu)上，打開大變形，設(shè)置時(shí)間和步長(zhǎng)，計(jì)算輸出位移最大節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線.

文中先進(jìn)行特征值屈曲分析，再進(jìn)行非線性屈曲分析.繪制出各種情況下，整個(gè)結(jié)構(gòu)的位移最大節(jié)點(diǎn)的荷載位移曲線，由曲線得出真實(shí)的屈曲荷載，并總結(jié)相關(guān)規(guī)律.

3算例計(jì)算

3.1尺寸參數(shù)

鋼板樁截面尺寸參數(shù)見圖4.相關(guān)尺寸如下：腹板寬為b，整體板寬為B，腹板高為h.有拱肋結(jié)構(gòu)中，由于加勁拱肋為弧形，與無拱肋相比，多了弧線段寬度b′，以及高度h′兩個(gè)尺寸參數(shù).

找相關(guān)鋼板樁型號(hào)，選取截面尺寸參數(shù)為：b=300 mm，B=600 mm，h=200 mm，b′=50 mm，h′=20 mm.記該截面為截面a，板厚取為10 mm，板長(zhǎng)取為1 000 mm.

圖4　截面參數(shù)示意圖

3.2特征值屈曲分析

根據(jù)3.1的尺寸建立好模型并劃分網(wǎng)格，在模型上邊施加單位荷載1 MPa，設(shè)置分析類型為特征值屈曲，首先激活預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，進(jìn)行靜力分析，然后計(jì)算一階屈曲模態(tài)，獲取屈曲荷載系數(shù).

經(jīng)過計(jì)算，得出兩種結(jié)構(gòu)屈曲模態(tài)見圖5，屈曲荷載系數(shù)分別為1.4×109和1.84×109.由此可求得臨界屈曲荷載為1.4×108，1.84×109MPa.

圖5　a截面特征值屈曲模態(tài)

由圖5可見：

1) 2種情況下局部屈曲均發(fā)生在受軸向力的一端，這是復(fù)合實(shí)際情況的.

2) 有拱肋的結(jié)構(gòu)的屈曲荷載系數(shù)有了較大的提高，而且最大位移有所減少.但由于特征值屈曲并不能完全反應(yīng)結(jié)構(gòu)的真實(shí)屈曲情況，具體的結(jié)果還需要進(jìn)行非線性屈曲的計(jì)算嚴(yán)重.

3.3非線性屈曲分析

非線性分析中，由于臨界屈曲荷載并不一定完全反應(yīng)結(jié)構(gòu)受力特性，將其放大1.3倍施加到上邊上以保證結(jié)構(gòu)達(dá)到屈曲，在軟件中考慮大變形效應(yīng)，設(shè)置時(shí)間長(zhǎng)度為1 s，步長(zhǎng)為100步，進(jìn)行非線性屈曲計(jì)算.

計(jì)算結(jié)束后，提取結(jié)構(gòu)位移最大節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線，見圖6.

圖6　a截面荷載-位移曲線

由圖6可見，未設(shè)置加勁拱肋的結(jié)構(gòu)，其荷載-位移曲線在均布荷載達(dá)到1 300 MPa時(shí)，有一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，此后，曲線斜率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于拐點(diǎn)之前，即在荷載達(dá)到1 300 MPa之后結(jié)構(gòu)變形速度迅速加快，最終發(fā)生失穩(wěn).因此可以認(rèn)為1 300 MPa為為設(shè)置加勁拱肋結(jié)構(gòu)的屈曲荷載，而達(dá)到這一荷載時(shí)，結(jié)構(gòu)的位移為4 mm.而有拱肋結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線較為平滑但斜率也在逐漸減小.可以認(rèn)為達(dá)到1 800 MPa時(shí)進(jìn)入屈服狀態(tài)，此時(shí)結(jié)構(gòu)最大位移為7 mm.分析可得以下結(jié)論：

1) 有拱肋結(jié)構(gòu)在荷載達(dá)到1 800 MPa后，位移增加速度較快，可認(rèn)為達(dá)到屈服，該荷載遠(yuǎn)大于無拱肋結(jié)構(gòu)的屈曲荷載.說明添加拱肋可以提高打樁過程中結(jié)構(gòu)承受錘擊力的大小.由于鋼板樁打樁過程中地質(zhì)條件的不確定性，錘擊力往往存在較大的變化.在土層阻力較大時(shí)，最終確定的錘擊力就較大，如果采取加勁拱肋的結(jié)構(gòu)，在打樁時(shí)可以選擇更大的錘擊力，從而提高打樁效率，節(jié)約成本.

2) 有拱肋結(jié)構(gòu)不僅屈曲荷載大于無拱肋結(jié)構(gòu)，而且結(jié)構(gòu)位移方面也有一定優(yōu)勢(shì).對(duì)比相同荷載下，兩種結(jié)構(gòu)的位移值可以發(fā)現(xiàn)，有拱肋結(jié)構(gòu)的位移值均小于無拱肋結(jié)構(gòu).因此在相同錘擊力下有拱肋結(jié)構(gòu)變形小.如果結(jié)構(gòu)的變形較大且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，就有可能在結(jié)束受力后無法恢復(fù)原狀，而且也會(huì)帶來內(nèi)部損傷.因此有拱肋結(jié)構(gòu)減小了打樁過程對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷，保證了結(jié)構(gòu)安全可靠.

3) 和無拱肋結(jié)構(gòu)相比，有拱肋結(jié)構(gòu)荷載-位移曲線斜率變化較為緩慢，該特性說明采取加勁拱肋可以一定程度的地改善結(jié)構(gòu)受力性能.如果打樁力是逐步遞增的，有拱肋結(jié)構(gòu)由于變形開展較慢，可以通過觀測(cè)結(jié)構(gòu)變形，及時(shí)采取措施，而無拱肋結(jié)構(gòu)由于荷載大于一定數(shù)值后變形急劇增加，在施工人員發(fā)現(xiàn)之前結(jié)構(gòu)可能已經(jīng)發(fā)生破壞，存在一定的工程隱患.

不過這里只進(jìn)行了一種樁型的計(jì)算，還不具備規(guī)律性，需要選取其他截面尺寸的U型鋼板樁進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)算結(jié)論的正確性.

3.4算例驗(yàn)證

局部屈曲的影響因素很多，包括板的截面尺寸、板長(zhǎng)等.對(duì)于打樁這一特殊過程，受力集中于板樁端部，局部屈曲也發(fā)生在樁端的有限區(qū)域，故板長(zhǎng)的增加對(duì)局部屈曲影響有限.所以文中主要考慮板的截面尺寸，即采取不同型號(hào)的鋼板樁時(shí)，有無加勁拱肋對(duì)局部屈曲的影響.

對(duì)應(yīng)3.1中的尺寸參數(shù)，另取2種截面尺寸的鋼板樁.具體尺寸如下：截面b(750 mm×250 mm)：b=400 mm，B=750 mm，h=250 mm，b′=50 mm，h′=20 mm；截面c(900 mm×300 mm)：b=450 mm，B=900 mm，h=300 mm，b′=50 mm，h′=20 mm.

2種截面板寬均為10 mm，板長(zhǎng)均為1 000 mm，分別按有拱肋和無拱肋進(jìn)行計(jì)算，得出相應(yīng)結(jié)果見圖7、圖8.

圖7　b截面計(jì)算結(jié)果

圖8　c截面計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算，b截面鋼板樁，無拱肋結(jié)構(gòu)屈曲荷載系數(shù)8.68×108，臨界屈曲荷載為8.68×108MPa；有拱肋結(jié)構(gòu)屈曲荷載系數(shù)1.4×109，臨界屈曲荷載為1.4×109MPa.進(jìn)行非線性計(jì)算后，由荷載-位移曲線讀出無拱肋結(jié)構(gòu)屈曲荷載為700 MPa，有拱肋結(jié)構(gòu)屈曲荷載為15 00 MPa.

c截面鋼板樁，無拱肋結(jié)構(gòu)屈曲荷載系數(shù)6.34×108，臨界屈曲荷載為6.34×108MPa；有拱肋結(jié)構(gòu)屈曲荷載系數(shù)8.29×108，臨界屈曲荷載為8.29×108MPa.進(jìn)行非線性計(jì)算后由荷載-位移曲線讀出無拱肋結(jié)構(gòu)屈曲荷載為600 MPa，有拱肋結(jié)構(gòu)屈曲荷載800 MPa.

將本節(jié)中的計(jì)算數(shù)據(jù)及圖表進(jìn)行分析，結(jié)合3.2中算例結(jié)果可總結(jié)如下規(guī)律：

1) 3種截面尺寸對(duì)應(yīng)的有拱肋結(jié)構(gòu)的屈曲荷載值均大于無拱肋結(jié)構(gòu)，相同荷載作用下，有拱肋結(jié)構(gòu)位移更小，且有拱肋結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線均比無拱肋結(jié)構(gòu)要平緩.3.1中的3點(diǎn)結(jié)論得到了較好的驗(yàn)證，即采用有拱肋結(jié)構(gòu)提高了結(jié)構(gòu)達(dá)到屈曲所能承受的荷載，相同荷載下結(jié)構(gòu)位移較小，而且結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線較為平緩.

2) 3組結(jié)果之間比較發(fā)現(xiàn)，隨著截面尺寸的增加，無拱肋結(jié)構(gòu)和有拱肋結(jié)構(gòu)的屈曲荷載均有降低，說明大截面尺寸的鋼板樁由于腹板面積更大，更容易發(fā)生局部屈曲變形，因此在鋼板樁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)階段，要兼顧經(jīng)濟(jì)效益與工程實(shí)際，不能一味選取大截面鋼板樁，要考慮打樁的難度.

而如果必須采用較大截面鋼板樁且打樁難度又較大時(shí)，要重視拱肋結(jié)構(gòu)的作用，選取有拱肋的鋼板樁以提高打樁效果.

4結(jié) 束 語

文中進(jìn)行了3種截面尺寸的鋼板樁結(jié)構(gòu)在有無加勁拱肋情況下的局部屈曲分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)置了加勁拱肋的鋼板樁結(jié)構(gòu)在受力性能上有了很大改善，達(dá)到屈曲時(shí)承受的荷載也有較大的提高.說明加勁拱肋可以有效的地改善鋼板樁局部屈曲現(xiàn)象，隨著大截面薄壁鋼板樁運(yùn)用的越來越普遍，重視加勁拱肋對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能的提高有較大的工程意義.

參 考 文 獻(xiàn)

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Research about Stiffened Web to Improve

Local Buckling of Cold-formed Steel Sheet Pile

LIU ChunyangZHANG ShuhuaCHEN GuangmingSUN Xingyi

(CollegeofHarbor，CoastalandOffshoreEngineering，HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract：Cold-formed thin-walled steel is used increasingly in a wide range of construction due to its many advantages compared with hot-rolled steel. Because of the shape of a thin wall and a large cross-section, the structure receives axial compression which may lead to local buckling when it is piled into the soil. Therefore, cross-section optimization of the cold-formed steel sheet pile to improve the buckling strength is necessary. For the plan of a stiffened web, through finite element simulation of ANSYS , it is found that this scheme can effectively improve the ability to resist buckling, it is worthwhile to be promoted in the steel sheet pile structure.

Key words：cold-formed steel sheet pile; stiffened web; local buckling

收稿日期：2015-12-06

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.01.034

中圖法分類號(hào)：TU352