HUC組合支護(hù)結(jié)構(gòu)的有限元分析

王 鵬，余振錫，余 浩

(安徽工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002)

0 前 言

近年來，隨著我國城市建設(shè)和鋼鐵行業(yè)的快速發(fā)展，鋼板樁作為一種新型綠色的建筑材料進(jìn)入大家的視野，其被普遍地使用在基坑支護(hù)、河道護(hù)岸及防洪、圍堰等實(shí)際工程中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年的鋼板樁消耗大約僅占全球的1%，保持在3萬 t左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及日本和歐美國家的使用量。雖然單純的鋼板樁支護(hù)可以有效地發(fā)揮擋土止水的作用，但由于其截面模量較小，因而使用時(shí)具有一定的約束性，不能適用于有較大較深和控制比較嚴(yán)格的基坑中。針對這種情況，各種新型組合鋼板樁支護(hù)型式應(yīng)運(yùn)而生。相對于傳統(tǒng)的鋼板樁，新型組合鋼板樁截面模量明顯增大，也因而開拓了組合鋼板樁在各方面的應(yīng)用。組合鋼板樁雖然在國內(nèi)應(yīng)用較少，但其在國外的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，目前一般采用鋼板樁、H型鋼和鋼管樁等交叉組合型式，如鋼管與鋼板樁組合支護(hù)型式、HSW組合鋼板樁支護(hù)型式、HZ組合鋼板樁支護(hù)型式、H+Hat組合型式等[1-4]。

本文研究的是H型鋼與拉森鋼板樁組合的新型支護(hù)結(jié)構(gòu)形式(HUC),它不僅彌補(bǔ)了鋼板樁剛度不足，而且避免了H型鋼用于工程的造價(jià)高以及浪費(fèi)的缺點(diǎn)，同時(shí)止水效果較好。國內(nèi)對于此結(jié)構(gòu)形式的研究并不是很多，在新型組合形式下的剛度變化分析均不是很全面，雖然在實(shí)際工程中有了成功案例，但理論研究落后于實(shí)際應(yīng)用，所以對這方面的一些研究是非常具有理論和現(xiàn)實(shí)意義的。

圖1 HUC組合支護(hù)結(jié)構(gòu)

1 模型建立

為了方便對比，HUC結(jié)構(gòu)的H型鋼和鋼板樁部件，同純鋼板樁結(jié)構(gòu)一樣都施加了相等的垂直于表面的三角形荷載，分析步、邊界條件、相互約束都同樣布置。兩種結(jié)構(gòu)模型樁長都取12 m，樁兩端限制水平和豎直位移，樁間鎖扣采用小企口連接，模型中相互約束設(shè)置為綁定。荷載采用三角形形式垂直于樁體分布，因?yàn)榭紤]到實(shí)際應(yīng)用中支護(hù)樁主要承受土壓力，而土壓力分布形式近似于三角形，其中HUC結(jié)構(gòu)采用的是700×300×13×24 (mm)的型號的H型鋼和FSP-IV型號鋼板樁，純鋼板樁結(jié)構(gòu)同樣采用的是FSP-IV鋼板樁?？紤]到兩邊的H型鋼和鋼板樁對分析的結(jié)構(gòu)單元有約束作用，取三個(gè)單元進(jìn)行建模，并對中間的一個(gè)單元進(jìn)行分析。兩者數(shù)值分析模型如圖2所示。

(a)HUC結(jié)構(gòu)

(b)鋼板樁結(jié)構(gòu)

(c)荷載布置圖圖2 HUC結(jié)構(gòu)與純鋼板樁結(jié)構(gòu)對比分析模型

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力分析

圖3是不同支護(hù)形式在結(jié)構(gòu)模型右側(cè)荷載為0.1 MPa時(shí)的應(yīng)力云圖。圖3(a)是純鋼板樁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力圖，其最大應(yīng)力值為225 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在樁兩端且樁身中部的應(yīng)力也達(dá)到了150 MPa以上。圖3(b)為HUC結(jié)構(gòu)最右側(cè)加載0.1 MPa時(shí)候的應(yīng)力圖，此情況下最大應(yīng)力為103.8 MPa，最大應(yīng)力在樁身底部，中部次突出部分應(yīng)力為60 MPa左右，其余部分均未超過60 MPa。

(a)鋼板樁結(jié)構(gòu)

(b)HUC結(jié)構(gòu)圖3 兩種支護(hù)形式應(yīng)力云圖

圖4是底部荷載為0.1 MPa時(shí)，取純鋼板樁結(jié)構(gòu)中的一根鋼板樁、HUC組合結(jié)構(gòu)中的H型鋼和U型鋼板樁所得出的樁身應(yīng)力對比曲線圖。從曲線中可以看出，在HUC組合支護(hù)結(jié)構(gòu)中的鋼板樁應(yīng)力值明顯低于傳統(tǒng)鋼板樁結(jié)構(gòu)。因此可以推斷，HUC組合支護(hù)結(jié)構(gòu)擁有比純鋼板樁更高的剛度，且比較合理，節(jié)省鋼材，經(jīng)濟(jì)性好。從圖4可知，此時(shí)組合支護(hù)結(jié)構(gòu)中的鋼板樁最大應(yīng)力為103.8 MPa，與純鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)中最大應(yīng)力相比降低了54%。由此可知，HUC組合支護(hù)結(jié)構(gòu)相比鋼板樁更加安全，鋼板樁應(yīng)力較小處于安全范圍；H型鋼整體應(yīng)力較大，但除兩端以外，其余部分應(yīng)力不高且都較平緩，說明組合結(jié)構(gòu)中充分發(fā)揮了H型鋼的作用。

圖4 樁身應(yīng)力對比曲線

2.2 位移分析

圖5是不同支護(hù)結(jié)構(gòu)在荷載為0.1 MPa作用下沿樁身位移云圖。從圖5中可知，鋼板樁最大位移為25.43 mm,組合支護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移為11.86 mm，且兩種支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大位移出現(xiàn)位置都是在中間靠右部位。

(a)鋼板樁結(jié)構(gòu)

(b)HUC結(jié)構(gòu)圖5 兩種支護(hù)形式位移云圖

圖6是純鋼板樁結(jié)構(gòu)中的鋼板樁、HUC組合結(jié)構(gòu)中的鋼板樁在不同荷載分析步下沿樁身位移曲線圖。從曲線圖可以看出，在同樣加載0.1 MPa時(shí)，HUC組合結(jié)構(gòu)中的鋼板樁最大位移，比純鋼板樁位移減少了13.57 mm。由此可以看出，HUC組合支護(hù)結(jié)構(gòu)在位移約束比純鋼板樁有了很大的提升，這是因?yàn)镠型鋼的剛度遠(yuǎn)大于U型鋼板樁的剛度，H型鋼的加入使得組合支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度遠(yuǎn)大于純鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，更能約束結(jié)構(gòu)的變形。

圖6 鋼板樁位移對比曲線

3 結(jié) 論

1)HUC組合支護(hù)結(jié)構(gòu)由于H型鋼的加入，強(qiáng)度明顯增大，樁身位移明顯變小，所以能夠更好地限制基坑的位移發(fā)展，可以應(yīng)用于更深更復(fù)雜的基坑。

2)HUC組合支護(hù)結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)了單一鋼板樁的剛度不足，在提升整體剛度的同時(shí)，充分發(fā)揮了H型鋼的作用，應(yīng)力分布平緩且止水效果良好，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

3)HUC組合支護(hù)結(jié)構(gòu)相比較其他支護(hù)形式，在施工、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)方面都有一定的優(yōu)勢，在綠色支護(hù)蓬勃發(fā)展的今天，其發(fā)展前景十分廣闊。

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