钢板桩围堰参数敏感性分析

贾江坤 王希瑞

摘要：为确保钢板桩围堰施工过程中各构件良好的力学性能，文章基于敏感性分析原理，采用Midas Civil软件建立钢板桩围堰有限元模型并针对三个敏感性参数进行力学分析，结合关键构件应力位移变形变化曲线，多角度探明各参数与构件之间的变化规律。结果表明：内支撑空间布置数量和钢板桩内壁厚度对钢板桩围堰各构件敏感性指数最大达到0.89，而封底混凝土厚度对围堰结构的最大敏感性指数仅为0.07，因此内支撑空间布置数量和钢板桩内壁厚度为钢板桩围堰力学性能最主要的敏感性参数，可为类似围堰设计提供参考。

关键词：钢板桩;围堰;敏感性分析;模型参数;力学分析

0 引言

近些年来，随着我国经济建设越来越繁荣，社会生产力得到了极大的提高，对于交通建设的要求也越来越严格。在此期间出现了一大批跨大江大河的桥梁工程，施工过程中所遇到的困难不断增多，例如施工工期紧、水文条件复杂、河床冲刷大、地质条件复杂、施工干扰大等，给桥梁承台基础施工带来了很大的难度，而钢板桩围堰的广泛应用解决了这些困难[1]。但目前钢板桩围堰的设计存在一定的缺陷，作为临时支护结构，设计人员通常只对每个构件单独进行受力分析，然后简单地组合成钢板桩围堰整体计算结果，从而忽视了围堰结构的整体受力[2-3]。同时，目前鲜有针对钢板桩围堰结构参数敏感性的分析研究，难以有针对性地优化钢板桩围堰设计[4]。考虑到这些问题将导致施工过程中出现空间严重不足、材料严重浪费的情况，因此有必要对钢板围堰结构进行敏感性分析[5-6]。本文拟以某钢板桩围堰为研究对象，基于敏感性分析原理对3个敏感性参数进行力学分析，得到敏感性最高的参数，研究成果可为类似钢板桩围堰设计提供一定的参考。

1 参数敏感性分析原理

参数敏感性分析是一种从定量分析的角度研究有关因素发生某种变化对一个关键指标或一组关键指标影响程度的不确定分析技术。从本质上讲，就是通过逐一改变相关变量的取值来解释关键指标大小受这些因素变化影响的规律。局部敏感性分析因其分析原理简单、实际可操作性强等优点，是参数敏感性分析中使用最多的方法，主要用于细化模型参数对其关键指标输出结果的影响程度的研究。[=XQS（]钢板桩围堰参数敏感性分析/贾江坤，王希瑞[=JP2] 本文主要采用局部敏感性分析方法针对钢板桩围堰各参数敏感性进行分析，通过改变一定区域内的模型参数值，分析输出结果的变化。所采用的数学模型基本公式为：

Ii=ΔOΔFi×FiO（1）

式中：I——参数敏感性指数;

O——模型模拟输出结果;

F——影响O的因子（参数）。

参数敏感性指数分类标准如表1所示。

本文针对目前钢板桩围堰结构设计缺陷的现象对其进行参数敏感性分析，在钢板桩围堰构造中选取敏感性参数。本文选择的三个参数有内支撑空间布置数量、钢板桩截面厚度、封底混凝土厚度等。将模型参数内支撑空间布置数量变化幅度设为33.3%，钢板桩截面厚度变化幅度也设为33.3%，封底混凝土厚度上下波动25%。

2 工程概况

某跨河大桥基础承台施工采用钢板桩围堰施工，水中墩由12根桩及承台构成，承台采用整体式结构，围堰尺寸设计为28.8 m（横桥向）×10.4 m（顺桥向）。钢板桩围堰内支撑围檩选取双拼HN500×200型钢以及双拼HN700×300型钢，横、斜撑选取630 mm×10 mm钢管。水下封底混凝土选用C20水下混凝土，设计厚度为1.5 m。承台底面标高为+1 197.25 m，洪水期最高水位为+1 206.99 m，枯水期最高水位为+1 203.99 m，最大水深约5 m，水位变化幅度为2 m左右。钢板桩围堰详细布置图如图1和图2所示。

3 各参数敏感性分析

3.1 内支撑空间布置数量

钢板桩围堰中的内支撑是维系钢板桩四面受力的结构之一，对钢板桩围堰的整体稳定性起着重要作用。它是钢板桩围堰的重要组成部分之一。内支撑所承受的轴向力直接来自于钢板桩内壁传递的荷载，它是钢板桩围堰结构中承受最大集中荷载的部件。由于其结构特点，内支撑受力小、变形小，能保持整个围堰结构的稳定，因此是作为钢板桩围堰最重要的组成部分之一，应对其空间布置数量进行参数敏感性分析。

内支撑的力学性能参数主要包括材料空间间距和空间布置数量。本文选择空间布置数量作为敏感性参数分析。原有的内支撑布置数量为3道，通过在原有布置数量基础上变化±33.3%，将内支撑空间布置数量设置为2道、3道、4道、5道，采用控制变量法，其他参数不变，仅改变内支撑空间布置数量。不同内支撑空间布置数量的应力、位移变形数值如表2所示。

从表2可以看出，随着内支撑空间布置数量的变小，钢板桩围堰各构件的最大应力和位移变形变大。当布置2道内支撑时，此时钢板桩的最大应力为213.11 MPa，最大位移变形为24.23 mm;内支撑的最大应力为189.32 MPa，最大位移变形为11.32 mm。根据规范可知，钢板桩和内支撑的应力设计限值为215 MPa，位移变形的设计限值分别为29.5 mm和12.75 mm。因此，为保证施工安全，至少要布置3道内支撑。

将表2数值代入式（1），得到钢板桩围堰在改变内支撑布置数量时的应力、位移变形敏感性指标如表3所示。

根据表3可知，钢板桩围堰各构件的应力、位移变形对内部支撑空间数量的变化比较敏感。内支撑空间布置数量是钢板桩围堰力学性能最重要的敏感参数，它能更好地反映鋼板桩的情况。为探明围堰结构的应力和位移变形随内支撑空间布置数量的变化规律，得到不同内部支撑数量下各构件的应力位移变形情况如图3和图4所示。

从图3和图4可以看出，整体钢板桩结构的应力、位移变形随着内支撑数量的增加而减小。钢板桩的应力随着内支撑数量的增加而迅速减小，因为内支撑相当于围堰结构中的支撑，钢板桩构件相当于支撑上面的连续梁。支座越多，梁的净跨度越小，梁的峰值应力也越小。因此，钢板桩围堰结构的各个构件的应力可以通过增加内部支撑位的数量来得到更好的改善。

3.2 钢板桩内壁厚度

钢板桩作为围堰的主要构件，其内壁截面厚度不同，也会导致其力学性能有所差别。钢板桩的内壁厚度是影响围堰整体刚度的主要因素，钢板桩的内壁厚度增加，围堰的整体刚度也随之增强，此时钢板桩围堰的整体受力分布在构件之间发生变化，由此应对钢板桩内壁厚度进行参数敏感性分析。

影响钢板桩的力学性能参数主要分为两种形式：材料特性和截面厚度。本文选择钢板桩内壁厚度作为敏感性参数分析。原有的钢板桩内壁厚度为15 mm，通过在原有钢板桩内壁厚度基础上变化±33.3%，设定为10 mm、15 mm、20 mm、25 mm，通过控制变量法仅改变钢板桩厚度，而其他参数保持不变，分别建立不同钢板桩厚度的有限元模型，通过有限元分析得到的钢板桩围堰各构件的应力、位移变形情况如表4所示。

从表4可知，随着钢板桩厚度增加，各构件的应力以及位移变形都在降低，钢板桩应力在厚度为20 mm时为最低，而厚度为10 mm时钢板桩和内支撑应力位移变形均最大，钢板桩和内支撑最大应力分别为182.32 MPa和152.42 MPa，最大位移变形分别为21.32 mm和11.46 mm。虽然没有达到设计限值，为保证钢板桩围堰结构安全，故设计时钢板桩厚度宜≥10 mm。将表4数值代入式（1）得到改变钢板桩内壁厚度时的应力、位移变形敏感性指数如表5所示。

依据表5所得，钢板桩围堰各构件应力位移变形对钢板桩厚度变化均敏感，钢板桩厚度为钢板桩围堰力学性能主要的敏感性参数之一。钢板桩围堰结构应力位移变形随钢板桩厚度的变化规律如图5和图6所示。

由图5和图6可知，钢板桩围堰各构件的应力位移变形随钢板桩厚度减小而增大，板厚为10 mm时应力和位移变形最大。随着钢板桩厚度的增加，钢板桩围堰整体刚度得到很大的提升，因此在相同荷载作用下钢板桩和内支撑的应力值明显降低。所以，可通过加大钢板桩厚度来改善钢板桩围堰结构各构件的应力和位移变形。

3.3 封底混凝土厚度

封底混凝土作为围堰中起到防水渗漏作用的重要构件之一，对钢板桩围堰整体稳定性起到了至关重要的作用，其抵抗水头差在围堰区域的浮拖力，方可进行承台施工。通常情况下封底混凝土厚度越大，对于钢板桩围堰结构抗浮稳定性及封底混凝土强度越有利，所以作为钢板桩围堰重要的构件之一，现对封底混凝土进行参数敏感性分析。

影响封底混凝土的力学性能参数主要分为材料特性和厚度两种形式，本文选取厚度这个参数进行研究。原封底混凝土厚度为2.0 m，依据在原间距基础上变化25%，现设置厚度为1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m，通过控制变量法仅改变封底混凝土厚度，而其他参数保持不变，分别建立不同封底混凝土厚度的有限元模型，分析得到的钢板桩围堰各构件的应力、位移变形情况如表6所示。

依表6可知，随着封底混凝土厚度的增大，钢板桩和内支撑的应力位移变形均有所减小，但变化幅度较小。封底混凝土厚度为1.5 m时，此时钢板桩最大应力为129.34 MPa，最大位移为16.14 mm;内支撑最大应力为131.24 MPa，最大位移为9.01 mm，均满足规范设计限值。

将表6数值代入式（1），得到改变封底混凝土厚度时钢板桩围堰应力位移变形敏感性指数如表7所示。

根据表7所知，钢板桩力学性能对封底混凝土厚度变化不敏感，同时内支撑力学性能对封底混凝土厚度变化只有一般敏感，因此封底混凝土厚度对钢板桩和内支撑力学性能改善不明显。

4 结语

本文基于敏感性分析原理，采用Midas Civil软件建立钢板桩围堰有限元模型并针对三个敏感性最高的参数进行力学分析，探明各参数与构件之间的变化规律，得到如下结论：

（1）钢板桩围堰各构件应力位移变形对内支撑空间布置数量和钢板桩内壁厚度变化敏感，其敏感性指数最大达到0.89。内支撑空间布置数量和钢板桩内壁厚度为钢板桩围堰力学性能最主要敏感性参数。

（2）封底混凝土厚度变化对钢板桩围堰各构件力学变化较小，其敏感性指数最大仅为0.07。钢板桩和内支撑的力学性能对封底混凝土厚度变化不敏感，因此封底混凝土厚度对钢板桩和内支撑力学性能改善不明显。

（3）在围堰结构设计过程中，通过调整钢板桩内壁厚度和内支撑空间布置数量两个参数，可以有效地改善钢板桩围堰结构的受力状态。

参考文献：

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