李格平 ，郭 暢 ，駱 城 ，熊洪峰 ，3

（1.天津港航工程有限公司，天津300457；2.交通部天津水運工程科學研究所水工構造物檢測、診斷與加固技術交通行業(yè)重點實驗室，天津300456；3.哈爾濱工程大學船舶工程學院，哈爾濱150001）

斜頂樁鋼板樁擋土結構是依靠斜頂樁提供水平抵抗力，帽梁連接斜頂樁與鋼板樁，鋼板樁將上部水平力傳至土層深處進而減小岸坡變形的結構型式。根據(jù)《天津港碼頭設施2008年秋季調查報告》［1］可知，天津港某碼頭鋼板樁擋土結構在惡劣的海洋環(huán)境中因銹蝕、電化學腐蝕、海浪沖刷等作用，出現(xiàn)了嚴重的銹蝕破損現(xiàn)象［2］。為了保障碼頭的安全使用，亟需對鋼板樁擋土結構進行加固。

鋼板樁擋土結構加固方法的研究還處于理論階段，在經(jīng)濟性和施工難易度2個指標的制約下，能用于工程實際的加固方法現(xiàn)在還不多見，本文運用ANSYS有限元模型對工程實例進行數(shù)值分析，對鋼板樁擋土結構加固方案進行比選，尋求能夠運用于工程實際的最優(yōu)加固方案。

1 工程概況

碼頭的鋼板樁擋土結構為鋼板樁+斜頂樁+帽梁型式。擋土結構是由厚45 cm的預應力板樁墻、55 cm×55 cm的預應力空心斜頂樁和帽梁構成的擋土墻，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-22.0 m，相鄰斜頂樁間距為3.5 m。其碼頭局部斷面見圖1。

根據(jù)現(xiàn)場測試可知，該鋼板樁擋土結構的大多數(shù)鋼板樁只剩下80%的殘余厚度（鋼板樁原厚度為15 mm，80%的殘余厚度為12 mm），部分破損嚴重區(qū)域的鋼板樁已出現(xiàn)了300 mm×500 mm的銹洞（圖2）。

2 ANSYS有限元計算模型的建立

為了準確模擬樁土之間的摩擦力，考慮各構件之間力傳遞的復雜性，本文采用實體單元solid45。各構件之間的連接形式均為固接。為減小建模的難度并能劃分出計算相對精確的規(guī)則網(wǎng)格，采用式（1）、式（2）對U形鋼板樁進行一定的簡化。根據(jù)碼頭結構段的對稱性，沿碼頭岸線方向取3.5 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）。模型示意圖見圖3，有限元模型網(wǎng)格見圖4。模型的底面設為全約束；由于模型在岸-海方向選取了足夠的長度，故不考慮X方向的位移，模型前后兩側僅設置X方向的約束；模型的左右兩側設為對稱約束［3］。

圖1 碼頭局部斷面圖Fig.1 Local section view of the pier

圖2 鋼板樁銹洞位置Fig.2 Position of corrosion on steel sheet pile

式中：EC、ES分別為計算彈性模量和鋼的彈性模量；IS、AS分別為U形鋼板樁的慣性矩和截面面積，鋼板樁的截面面積和慣性矩參照《港口工程鋼結構設計規(guī)范》［4］（JTJ283-99）；IC、AC分別為計算模型中連續(xù)墻的慣性矩和截面面積。

3 鋼板樁銹蝕及破損情況的有限元分析

本文采用ANSYS有限元分別計算了鋼板樁在完好狀態(tài)下、銹蝕情況下（還有80%的殘余厚度）、局部破損（300 mm×500 mm的銹洞）情況下，在后方堆場設計荷載為5 T/m2的豎向荷載下，土體的最大水平位移和鋼板樁的最大壓應力，計算結果見表1。

由表1可以看出：（1）鋼板樁在完好狀態(tài)下，土體的最大水平位移要比銹蝕或者破損狀態(tài)的最大水平位移小得多。這是由于鋼板樁在受到后方土體壓力作用時，形成了一種超靜定梁的結構（上面固接在斜頂樁，下面沿X方向支撐在土上）。鋼板樁在完好狀態(tài)時其剛度較大，在同樣的主動土壓力作用時，其變形較小，從上支座到下支座間的板樁引起的板樁另一側的被動土壓力較小，而使大多數(shù)的主動土壓力在板樁的作用下傳遞到了土體的深處，土體的最大水平位移較?。讳摪鍢朵P蝕或者破損后其抗彎剛度下降，在土體上部對鋼板樁的另一側產(chǎn)生了較大的被動土壓力，主動土壓力就不能很好地傳遞到土體深處。故使土體的最大水平位移有所增加。（2）在完好狀態(tài)下，鋼板樁的最大壓應力也比銹蝕或者破損情況下板樁的壓應力要小的多，并且根據(jù)《港口工程鋼結構設計規(guī)范》Q235鋼材的抗彎強度設計值為f=215 N/mm2，鋼板樁在銹蝕區(qū)域板樁的應力和破損情況下銹洞附近完好板樁的應力均超過了215 N/mm2，板樁處于不安全狀態(tài)。

表1 鋼板樁在銹蝕及破損情況下的土體最大水平位移和板樁最大壓應力Tab.1 Soil maximum horizontal displacement and sheet pile maximum compression stress under conditions of corrosion and localized damage

4 鋼板樁修復加固方案

修復加固方法大致可以分為局部維修加固法和設置替代擋土結構法2大類。局部維修加固法包括補焊鋼板法、局部外包加固法、降低帽梁覆蓋高程法、改善墻后土體性能法等；設置替代擋土結構法包括增設地下連續(xù)墻法、增設替代鋼板樁法等［5］。

鋼板樁出現(xiàn)銹洞破損，最直接的方法就是焊接鋼板修復，再作涂料防銹處理；但是補焊的鋼板同鋼板樁形成電偶，補焊的鋼板作為陽極很快被消耗，這就導致二次銹蝕問題［6］。改善墻后土體法雖然工程造價低，但加固效果較差，主要用于新建碼頭，不適用于本工程。地下連續(xù)墻法、增設替代鋼板樁法不僅會影響碼頭的正常作業(yè)，而且工程量巨大，工程造價高。

根據(jù)工程特點、預期加固效果等因素，提出帽板加固法和局部外包法2種加固方案。通過建立2種方法的ANSYS有限元模型進行數(shù)值計算，并結合施工可行性和經(jīng)濟性推薦最優(yōu)方案。

4.1 帽板加固法

4.1.1 帽板加固介紹

帽板加固法的優(yōu)點是施工作業(yè)面不涉及碼頭面以上，無需開挖碼頭擋土墻后方土體，施工簡便，不影響生產(chǎn)；缺點是會給斜頂樁增加一定的彎矩。帽板加固法具體內容和要點如下。

（1）帽板式鋼筋混凝土加固體分為加固板和斜頂樁外包體2部分，有關尺寸可在下列數(shù)據(jù)基礎上進行調整：加固板長L＝3 500 mm+550 mm+300 mm＝4 350 mm，根據(jù)斜頂樁間距調整；加固板厚A＝300 mm，設置凈保護層50 mm，雙側雙向配筋；加固板高H＝1 500 mm，根據(jù)鋼板樁頂部銹蝕破損情況，從泥面向下開挖至鋼板樁剩余厚度滿足要求處，加固板高度據(jù)此調整。斜頂樁外包混凝土尺寸為沿樁周外擴150 mm，其高度與加固板同高，施工有困難時也可以略小于加固板高度。對于已經(jīng)鉸接外包的斜頂樁可以利用原外包體形成對加固板的支撐。

（2）為加強整體性，應在帽梁底部栽錨筋，加固板底部附近的鋼板樁上焊拉筋，其他高度焊抗剪器。所以焊接金屬均應處于加固混凝土保護內。

4.1.2 帽板加固法的有限元分析

考慮到泥面以下的鋼板樁尚可發(fā)揮剩余作用，直接在鋼板樁銹洞位置采用帽板式鋼筋混凝土加固，將尚能工作的鋼板樁通過加固體與斜頂樁連接起來，帽板加固法方案見圖5。

計算得到帽梁加固法下土體的最大側向位移為14.7 mm，說明采用帽板加固法能夠將銹洞以下的鋼板樁與帽梁的共同作用重新建立關系。土體的側向位移見圖6。通過計算得到鋼板樁的最大壓應力為195 N/mm2，小于Q235鋼材的抗彎強度設計值為f=215 N/mm2，板樁處于安全狀態(tài)。但是鋼板樁在土體豎向摩擦力的作用下下沉，會使斜頂樁受到很大的彎矩，帽板加固法使原本斜頂樁產(chǎn)生的抵抗主動土壓力的水平力作用點向下移，進一步增大了斜頂樁受到的彎矩；雖然帽板加固法對斜頂樁上部進行了外包加固，但是結合第一主應力和第三主應力，斜頂樁加固樁帽的底部受力相對集中，第一主應力和第三主應力的最大值均出現(xiàn)在這個位置，其中第一主應力最大值為34 MPa，第三主應力最大值為37.6 MPa。這是斜頂樁在上述彎矩作用下的結果，雖然斜頂樁受到的水平力會產(chǎn)生一定的反彎矩，斜頂樁受到的彎矩會沿帽梁底部向下有一定的降低，但是在斜頂樁加固樁帽底部的彎矩還未減小到安全彎矩，故還應對斜頂樁進行一定的加固，即通過計算在帽板加固法加固樁帽的底部一定長度內再進行外包加固。外包樁帽、澆筑帽板以及結構的不規(guī)則性使鋼筋配置和尺寸確定比較繁瑣。

4.2 局部外包法

4.2.1 局部外包法介紹

考慮到帽板加固法中斜頂樁的受彎特性和現(xiàn)場施工難度，提出了對破損鋼板樁采用鋼筋混凝土局部外包法。該方法優(yōu)點是施工可操作性強，不會影響斜頂樁的受力性能；缺點是利用了原部分銹損的鋼板樁。

局部外包法方案要點如下：（1）用鋼筋混凝土板加固鋼板樁銹蝕破損部分（類似“夾板法”接骨處理）；（2）在鋼板樁破損上下焊接錨筋生根，使其與外包體形成整體作用，共同受力；（3）在鋼板樁原排水孔位置，依然預留排水孔；（4）加固體底部可按極端低水位-1.29 m設計；（5）如采用干法施工，需局部掀開碼頭后承臺一跨面板，進行深層支護施工，清泥形成施工作業(yè)面，然后澆筑鋼筋混凝土加固體。

4.2.2 局部外包法的有限元分析

鋼板樁局部外包方案是在鋼板樁產(chǎn)生銹洞的位置，對鋼板樁進行局部加固，使鋼板樁恢復到需要的強度和狀態(tài)。局部外包法方案見圖7。

計算得到帽梁加固方法下土體的最大側向位移為14.68 mm，說明采用局部法能夠將銹洞上下的鋼板樁連接起來，使鋼板樁接岸結構體系的共同作用得到恢復。土體的側向位移見圖8。通過有限元得到局部外包法下的鋼板樁彎矩圖（圖9）和軸力圖（圖10），然后根據(jù)式（3）［7］得到鋼板樁的最大壓應力為93 N/mm2（高程-2 m處），處于安全狀態(tài)。

對局部外包法加固后的混凝土構件（帽梁結構和加固體）進行應力分析，通過分析第一主應力圖可知，加固混凝土體的海側方向是受拉的主要區(qū)域，最大第一主應力出現(xiàn)在加固體頂端，最大值為2.37 MPa，超過了抗拉強度1.78 MPa，但范圍較小，但是加固體在向海側配有鋼筋，只要適當增加配筋率便能滿足抗拉條件。由第三主應力分析可知，主要受壓區(qū)域為斜頂樁與帽梁連接處和加固體的岸側，但是應力值都相對較小，對結構沒有影響。

5 結論

本文針對天津港某碼頭鋼板樁銹蝕破損特征并考慮加固的經(jīng)濟性、施工可行性等因素，提出了2種加固比選方案：帽板加固法和局部外包法。綜合有限元計算分析結果，帽板加固法可以將泥面以下的鋼板樁與斜頂樁和帽梁連接起來，重新實現(xiàn)了接岸結構的功能，但是斜頂樁樁帽位置加固體的受力較大。局部外包法是在鋼板樁產(chǎn)生銹洞的位置采用鋼筋混凝土外包，計算接岸結構變形特征分析結果表明，其加固效果也可基本達到鋼板樁完好情況的水平，鋼板樁及結構的受力也能滿足要求。

綜合以上加固方案的特點及數(shù)值分析結果，推薦在鋼板樁產(chǎn)生銹洞位置采用局部外包法對鋼板樁進行加固，該方案施工難度相對較低、可操作性較強、工程量小、不影響碼頭的正常作業(yè)，且加固后接岸結構的變形和受力也能滿足使用要求。

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