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        HUC組合支護結(jié)構(gòu)的有限元分析

        2020-12-01 04:57:42余振錫
        四川建材 2020年11期
        關(guān)鍵詞:型式型鋼云圖

        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入大家的視野,其被普遍地使用在基坑支護、河道護岸及防洪、圍堰等實際工程中。據(jù)統(tǒng)計,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,遠遠不及日本和歐美國家的使用量。雖然單純的鋼板樁支護可以有效地發(fā)揮擋土止水的作用,但由于其截面模量較小,因而使用時具有一定的約束性,不能適用于有較大較深和控制比較嚴格的基坑中。針對這種情況,各種新型組合鋼板樁支護型式應(yīng)運而生。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型式、HSW組合鋼板樁支護型式、HZ組合鋼板樁支護型式、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結(jié)構(gòu)形式(HUC),它不僅彌補了鋼板樁剛度不足,而且避免了H型鋼用于工程的造價高以及浪費的缺點,同時止水效果較好。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,雖然在實際工程中有了成功案例,但理論研究落后于實際應(yīng)用,所以對這方面的一些研究是非常具有理論和現(xiàn)實意義的。

        圖1 HUC組合支護結(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,因為考慮到實際應(yīng)用中支護樁主要承受土壓力,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,取三個單元進行建模,并對中間的一個單元進行分析。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是不同支護形式在結(jié)構(gòu)模型右側(cè)荷載為0.1 MPa時的應(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 兩種支護形式應(yīng)力云圖

        圖4是底部荷載為0.1 MPa時,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)濟性好。從圖4可知,此時組合支護結(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,組合支護結(jié)構(gòu)最大位移為11.86 mm,且兩種支護結(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,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組合支護結(jié)構(gòu)在位移約束比純鋼板樁有了很大的提升,這是因為H型鋼的剛度遠大于U型鋼板樁的剛度,H型鋼的加入使得組合支護結(jié)構(gòu)的剛度遠大于純鋼板樁支護結(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組合支護結(jié)構(gòu)由于H型鋼的加入,強度明顯增大,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組合支護結(jié)構(gòu)彌補了單一鋼板樁的剛度不足,在提升整體剛度的同時,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)濟效益。

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

        [ID:010453]

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