HUC组合支护结构的有限元分析

2020-12-01余振锡

四川建材 2020年11期

王鹏，余振锡，余浩

(安徽工业大学建筑工程学院，安徽马鞍山 243002)

0 前言

近年来，随着我国城市建设和钢铁行业的快速发展，钢板桩作为一种新型绿色的建筑材料进入大家的视野，其被普遍地使用在基坑支护、河道护岸及防洪、围堰等实际工程中。据统计，我国每年的钢板桩消耗大约仅占全球的1%，保持在3万 t左右，远远不及日本和欧美国家的使用量。虽然单纯的钢板桩支护可以有效地发挥挡土止水的作用，但由于其截面模量较小，因而使用时具有一定的约束性，不能适用于有较大较深和控制比较严格的基坑中。针对这种情况，各种新型组合钢板桩支护型式应运而生。相对于传统的钢板桩，新型组合钢板桩截面模量明显增大，也因而开拓了组合钢板桩在各方面的应用。组合钢板桩虽然在国内应用较少，但其在国外的应用已经相当广泛，目前一般采用钢板桩、H型钢和钢管桩等交叉组合型式，如钢管与钢板桩组合支护型式、HSW组合钢板桩支护型式、HZ组合钢板桩支护型式、H+Hat组合型式等[1-4]。

本文研究的是H型钢与拉森钢板桩组合的新型支护结构形式(HUC),它不仅弥补了钢板桩刚度不足，而且避免了H型钢用于工程的造价高以及浪费的缺点，同时止水效果较好。国内对于此结构形式的研究并不是很多，在新型组合形式下的刚度变化分析均不是很全面，虽然在实际工程中有了成功案例，但理论研究落后于实际应用，所以对这方面的一些研究是非常具有理论和现实意义的。

图1 HUC组合支护结构

1 模型建立

为了方便对比，HUC结构的H型钢和钢板桩部件，同纯钢板桩结构一样都施加了相等的垂直于表面的三角形荷载，分析步、边界条件、相互约束都同样布置。两种结构模型桩长都取12 m，桩两端限制水平和竖直位移，桩间锁扣采用小企口连接，模型中相互约束设置为绑定。荷载采用三角形形式垂直于桩体分布，因为考虑到实际应用中支护桩主要承受土压力，而土压力分布形式近似于三角形，其中HUC结构采用的是700×300×13×24 (mm)的型号的H型钢和FSP-IV型号钢板桩，纯钢板桩结构同样采用的是FSP-IV钢板桩。考虑到两边的H型钢和钢板桩对分析的结构单元有约束作用，取三个单元进行建模，并对中间的一个单元进行分析。两者数值分析模型如图2所示。

(a)HUC结构

(b)钢板桩结构

(c)荷载布置图图2 HUC结构与纯钢板桩结构对比分析模型

2 模拟结果与分析

2.1 应力分析

图3是不同支护形式在结构模型右侧荷载为0.1 MPa时的应力云图。图3(a)是纯钢板桩结构的应力图，其最大应力值为225 MPa，最大应力出现在桩两端且桩身中部的应力也达到了150 MPa以上。图3(b)为HUC结构最右侧加载0.1 MPa时候的应力图，此情况下最大应力为103.8 MPa，最大应力在桩身底部，中部次突出部分应力为60 MPa左右，其余部分均未超过60 MPa。

(a)钢板桩结构

(b)HUC结构图3 两种支护形式应力云图

图4是底部荷载为0.1 MPa时，取纯钢板桩结构中的一根钢板桩、HUC组合结构中的H型钢和U型钢板桩所得出的桩身应力对比曲线图。从曲线中可以看出，在HUC组合支护结构中的钢板桩应力值明显低于传统钢板桩结构。因此可以推断，HUC组合支护结构拥有比纯钢板桩更高的刚度，且比较合理，节省钢材，经济性好。从图4可知，此时组合支护结构中的钢板桩最大应力为103.8 MPa，与纯钢板桩支护结构中最大应力相比降低了54%。由此可知，HUC组合支护结构相比钢板桩更加安全，钢板桩应力较小处于安全范围；H型钢整体应力较大，但除两端以外，其余部分应力不高且都较平缓，说明组合结构中充分发挥了H型钢的作用。

图4 桩身应力对比曲线

2.2 位移分析

图5是不同支护结构在荷载为0.1 MPa作用下沿桩身位移云图。从图5中可知，钢板桩最大位移为25.43 mm,组合支护结构最大位移为11.86 mm，且两种支护结构的最大位移出现位置都是在中间靠右部位。

(a)钢板桩结构

(b)HUC结构图5 两种支护形式位移云图

图6是纯钢板桩结构中的钢板桩、HUC组合结构中的钢板桩在不同荷载分析步下沿桩身位移曲线图。从曲线图可以看出，在同样加载0.1 MPa时，HUC组合结构中的钢板桩最大位移，比纯钢板桩位移减少了13.57 mm。由此可以看出，HUC组合支护结构在位移约束比纯钢板桩有了很大的提升，这是因为H型钢的刚度远大于U型钢板桩的刚度，H型钢的加入使得组合支护结构的刚度远大于纯钢板桩支护结构，更能约束结构的变形。