何遠威　麥桂林

摘要：由于U型鋼板樁結(jié)構(gòu)特殊的鎖口聯(lián)接形式，在彎曲荷載作用下，鋼板樁結(jié)構(gòu)的相關(guān)力學(xué)特性的分析計算具有很大的不確定性。通過進行室內(nèi)U型鋼板樁彎曲試驗，分析鋼板樁的撓度、樁端鎖口滑移量、橫截面應(yīng)變，較為系統(tǒng)地研究了鋼板樁在受彎作用下的抗彎力學(xué)特性等機理。結(jié)果表明：鎖口不作處理且支座間距較大時，組合鋼板樁可以發(fā)生較大變形，抗彎剛度相對單樁剛度無明顯提升;不同的支座間距對組合鋼板樁抗彎剛度有不同影響，支座間距的減小，有助于抗彎能力的提升。說明實際工程中鋼板樁豎向支撐、圍檁的間距不宜過大。

關(guān)鍵詞：U型鋼板樁;彎曲試驗;鎖口聯(lián)結(jié);抗彎剛度

中圖分類號：TU4;TG142.1 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2022）07-0175-06

Study on flexural mechanical properties of U-shaped steel sheet pile

HE Yuanwei MAI Guilin

（1. South China University of Technology， School of Civil Engineering and Transportation，? Guangzhou510640， China;? 2. Guangdong Architectural Design and Research Institute Co.，Ltd.，? Guangzhou510000， China;? 3. Guangdong Poly City Development Co.， LTD， Guangzhou 510000， China）

Abstract：Due to the special locking form of U-shaped steel sheet pile structure， the analysis and calculation of related mechanical properties of steel sheet pile structure under bending load have great uncertainty. Based on the U-shaped steel sheet pile bending test in the laboratory， the deflection， relative slip of the pile end lock and the cross-section strain of the steel sheet pile are analyzed， and the mechanism of the bending mechanical properties of the steel sheet pile under bending is systematically studied. The results show that when the locking joints are not treated and the bearing spacing is large， the composite steel sheet pile can have large deformation， and the flexure stiffness of composite steel sheet pile is not significantly improved. Different support spacing has different influences on the flexural stiffness of composite steel sheet pile. The reduction of support spacing is conducive to the improvement of flexural capacity. Therefore， the spacing between vertical support and enclosing purlin of steel sheet pile should not be too large in practical engineering.

Key words： U-shaped steel sheet pile; bending test; locking joint; bending stiffness

U型鋼板樁是一種腹板兩邊帶有特殊鎖口的型鋼，其具有輕質(zhì)高強、止水性能好、可重復(fù)使用等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在橋梁、水利等圍堰工程，以及建筑、市政等基坑工程和堤防等防滲工程領(lǐng)域中[1-2]。

在組合鋼板樁墻中，鋼板樁間鎖口咬合的程度會導(dǎo)致鎖口間存在不同的剪力傳遞狀態(tài)，致使樁墻在承載過程中的抗彎剛度不一致，這將對樁墻的變形、受力分析及設(shè)計施工等產(chǎn)生較大的影響。樁墻在實際工作過程中，鎖口間剪力傳遞狀態(tài)介于完全剪力傳遞狀態(tài)與零剪力傳遞狀態(tài)之間，見圖1;傳遞狀態(tài)取決于樁與樁之間鎖口的相互聯(lián)接作用[3-4]，實際工程中鋼板樁抗彎剛度介于理想樁墻和單根鋼板樁抗彎剛度之間。

1試驗概況

1.1試驗鋼板樁結(jié)構(gòu)設(shè)計

試驗結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路考慮了以下因素：工程中當(dāng)鋼板樁墻的寬度足夠大時，可以認(rèn)為每片鋼板樁均會受到其兩側(cè)鋼板樁的側(cè)向約束，使得鋼板樁只發(fā)生沿樁長方向的縱向彎曲變形?？紤]到室內(nèi)試驗加載條件難以對樁墻內(nèi)多片鋼板樁進行合理約束，也難以對多片鋼板樁完全同步施加均等荷載。因此，設(shè)計了一個試驗底座，其橫截面面積、高度、慣性矩與上層鋼板樁相同，以及形心位置在豎向與上層鋼板樁保持對稱，從而使兩者抗彎剛度一致。將單片鋼板樁與試驗底座通過鎖扣上下扣接，見圖2;下層底座約束上層鋼板樁的側(cè)向位移，使試驗中的上層鋼板樁變形狀態(tài)保持實際工程情況相同。

1.2試驗方案

本文試驗主要研究鋼板樁受彎狀態(tài)下的力學(xué)性能，采用6 m長的組合鋼板樁構(gòu)件進行室內(nèi)抗彎試驗。試驗采用單調(diào)靜力加載方式，其為一次性加載破壞試驗，壓力均勻增大，加載系統(tǒng)形式如圖3所示。試驗主要測量內(nèi)容為構(gòu)件的樁身撓度值、樁端鎖口處相對滑移量及跨中橫截面的正應(yīng)變值。

2試驗結(jié)果及分析

2.1材性試驗數(shù)據(jù)分析

通過截取鋼板樁腹板材料作為試樣（厚度：12 mm，寬度：15 mm）進行拉伸試驗，通過相關(guān)測試數(shù)據(jù)求得材料的屈服強度、彈性模量等力學(xué)特征值，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析及有限元模擬提供基本指導(dǎo)參數(shù)。將材性試驗所得的數(shù)據(jù)進行整理，結(jié)果如表1所示 。

通過數(shù)據(jù)得試件鋼材的平均屈服應(yīng)變：

ε=f/E=1 635 με

2.2荷載-撓度關(guān)系曲線

跨中截面荷載-撓度曲線，結(jié)果如圖4所示。其中，實線為試件跨中截面所對應(yīng)的荷載-撓度曲線，虛線為對應(yīng)的單樁理論計算值。

由圖4可以看出，對于試件隨荷載的變化規(guī)律，共分為2個階段：在荷載為0～100 kN時，跨中截面撓度隨荷載值呈線性增長;在100～140 kN時，試件進入屈服階段，跨中截面撓度曲線增長趨勢逐漸發(fā)生轉(zhuǎn)變，由開始的線性增長轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性增長，撓度隨荷載變化的增長速率逐漸加大。然后，撓度增長迅速，試件發(fā)生較大變形，此時可認(rèn)為試件已經(jīng)到達承載能力極限狀態(tài)而喪失抵抗變形的能力。同時，試驗樁身撓度值曲線均接近于單樁理論撓度計算值曲線;在同級荷載下，試驗的撓度值較單樁理論計算值略小，反映了鋼板樁組合結(jié)構(gòu)的抗彎剛度與單樁抗彎剛度接近，較單樁抗彎剛度理論計算值略有增大。

結(jié)合所測數(shù)據(jù)，試驗構(gòu)件屈服時的跨中撓度值為36.5 mm，并在試件屈服后逐漸增長，可達到55.3 mm，體現(xiàn)出鋼板樁在荷載作用下可以發(fā)生較大變形，試件屈服后可繼續(xù)承擔(dān)原有的荷載甚至一定增量的荷載。說明鋼板樁為一種大變形構(gòu)件，在大變形下仍具有承載能力;在以往的研究中，也發(fā)現(xiàn)鋼板樁變形值很大但仍處于正常安全狀態(tài)的情況[5]。反映了實際工程中當(dāng)鋼板樁出現(xiàn)屈服時仍然有一定的安全預(yù)警及應(yīng)急處理時間，可通過相應(yīng)的處理措施保障結(jié)構(gòu)的安全。

2.3鎖口滑移量變化規(guī)律

鋼板樁鎖口間相對滑移量的大小可反映出樁間鎖口的咬合程度，滑移量小，則鎖口間咬合作用越強烈;滑移量大，則鎖口間咬合作用越弱。在鋼板樁受彎過程中，鎖口接觸面上產(chǎn)生的摩擦力越大，對鎖口接觸面約束就越強烈，從而限制鎖口間相對滑移量的增長，滑移量的抑制與鋼板樁抗彎剛度的增長是密切相關(guān)的。試驗中，在試件的樁端處沿樁身縱向布置位移計，以測得鎖口間的滑移量，樁端鎖口滑移量與荷載關(guān)系如圖5所示。

由圖5可以看出，隨著荷載增大，樁端鎖口相對滑移量近似線性增長，滑移量曲線接近于單樁的相對滑移量理論計算值。反映了試件鎖口間接觸面一直處于相對自由滑移狀態(tài)，上層鋼板樁與下層底座間沒有明顯的鎖口聯(lián)接作用，鎖口間的咬合程度較弱。

2.4橫截面應(yīng)變分布規(guī)律

對跨中橫截面所測的正應(yīng)變數(shù)據(jù)進行整理分析，結(jié)果如圖6所示。實線表示試驗橫截面應(yīng)變值實測數(shù)據(jù)，虛線表示單樁橫截面應(yīng)變值理論計算值。

從圖6可以看出，隨著荷載的增大，截面各測點應(yīng)變值也相應(yīng)不斷增大，正應(yīng)變沿著截面高度近似呈線性分布，且每級荷載作用下實測應(yīng)變值曲線與單樁理論計算值曲線較為接近。

為了進一步分析鋼板樁截面正應(yīng)變的變化趨勢，采用歸一化數(shù)據(jù)處理方法，即把每級荷載作用下的應(yīng)變值除于相應(yīng)彎矩值大小，得出其單位彎矩值下的應(yīng)變值，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出，試驗中每級荷載下的橫截面歸一化應(yīng)變值曲線近似重合，且接近于單樁橫截面應(yīng)變值歸一化曲線。說明隨著荷載的增大橫截面正應(yīng)變值未降低增長速率，仍呈現(xiàn)線性增長趨勢，表明了鋼板樁墻抗彎剛度無明顯提升。

2.5彎矩-曲率關(guān)系確定抗彎剛度

在相關(guān)研究及分析計算中對抗彎剛度的取值往往按照理想樁墻的抗彎剛度進行折減，但不同的文獻給出的折減系數(shù)差別較大，如在對新光大橋橋墩鋼板樁圍堰支護體系分析中采取樁墻剛度折減系數(shù)為0.5[6];對鋼板樁圍堰在不同于常規(guī)施工工序下產(chǎn)生的變形和內(nèi)力特性研究中采取的折減系數(shù)為0.3[7];采用Pu32型鋼板樁進行室內(nèi)試驗，發(fā)現(xiàn)鋼板樁鎖口自由時其截面慣性矩大小接近于單樁慣性矩大小，相當(dāng)于折減系數(shù)約為0.28[8-9];通過有限元模擬發(fā)現(xiàn)不同組合工況下鋼板樁抗彎剛度的折減系數(shù)一般在 0.5～0.8[10-11]。

根據(jù)相關(guān)計算公式：

EI=M/Φ

式中：曲率Φ根據(jù)橫截面正應(yīng)變估算可得;M為截面對應(yīng)彎矩值。

由上式可知，截面彎矩與曲率成正比例關(guān)系，兩者的比值反映的是試件抗彎剛度值，整理出試件跨中截面剛度值隨荷載的關(guān)系曲線如圖8所示。從總體來看，試件抗彎剛度平均值為9.55E+09 kN·mm，占理想樁墻抗彎剛度約37.2%，即折減理想樁墻抗彎剛度0.372[14];試件的抗彎剛度較單樁抗彎剛度理論值提高不多，與上文根據(jù)鋼板樁樁身撓度曲線分析的結(jié)論相吻合。

2.6橫截面中性軸位置移動

據(jù)報道，對獵德大橋鋼板樁圍堰監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)樁間剪力傳遞會使得樁墻的中性軸偏離單樁形心位置而逐漸靠近鎖口，導(dǎo)致樁墻的剛度不斷提高[5]。

通過分析發(fā)現(xiàn)，試驗中鋼板樁中性軸的位置隨著加載而發(fā)生移動，具體如圖9所示。

由圖9可以看出，中性軸位置可移動至距鎖口底92.9 mm左右，較單樁中性軸位置移動距離約有3.7 mm?？傮w來看，相比單樁樁墻，試件中性軸位置往鎖口處略有靠近，但偏移量較小。究其原因，是由于實際工作U型鋼板樁鎖口摩擦對上層鋼板樁拉應(yīng)變有抑制作用，導(dǎo)致受拉區(qū)應(yīng)變增長速率較受壓區(qū)應(yīng)變增長較慢，中性軸向靠近鎖口處移動。而試件中性軸的移動距離較小，說明試驗中試件鎖口處摩擦作用較小，鎖口間滑移作用較大，導(dǎo)致鋼板樁抗彎剛度提升不明顯。

綜上所述，根據(jù)鋼板樁樁身撓度、樁端鎖口處相對滑移量、橫截面正應(yīng)變值等方面的測試數(shù)據(jù)結(jié)果，并結(jié)合橫截面中性軸移動等數(shù)據(jù)分析，說明在6 m跨長、鎖口不作處理的鋼板樁墻試驗中，鋼板樁墻抗彎剛度增加不明顯。

2.7有限元計算比對

模型選取的網(wǎng)格單元類型為C3D8R，并采用掃掠網(wǎng)格劃分技術(shù)解決鋼板樁截面的不規(guī)則問題，選擇面對面的接觸離散方法來模擬鎖扣的接觸問題。結(jié)合鋼板樁材性試驗，選取模型參數(shù)：彈性模量為193.9 GPa，泊松比為0.3。有限元模型主最終變形圖，如圖10所示。

選取相同加載工況下，6 m跨長的組合鋼板樁有限元計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進行對比驗證，具體結(jié)果如圖11所示。

從圖 11可知，現(xiàn)場試驗測得的鋼板樁跨中撓度值與有限元計算結(jié)果趨勢一致，且數(shù)值相對一致。繪制出在90 kN荷載作用下，跨中橫截面距鎖口底不同距離的測點的應(yīng)變分布曲線，結(jié)果如圖12所示。

由圖12可以看出，試驗值與有限元計算結(jié)果也較吻合。

3相關(guān)試驗結(jié)果比對及分析

根據(jù)文獻[3]、文獻[4]、文獻[8]和文獻[9]試驗結(jié)果，整理出鎖口未做處理的各鋼板樁試驗得到的抗彎剛度與單樁抗彎剛度相比較的提升率，結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，文獻[3]、文獻[4]試驗的鋼板樁剛度提升了16.2%，說明了樁墻抗彎剛度有比較明顯的發(fā)揮。而文獻文獻[8]、文獻[9]的試驗反映出樁墻慣性矩?zé)o較大提高，近似于單樁慣性矩，即樁墻剛度無明顯提升，這與本文試驗結(jié)果較為相似。

通過對比分析相關(guān)試驗與本文試驗，可以認(rèn)為以下2個因素綜合影響樁墻剛度的變化。

（1）鎖口咬合情況：文獻[3]、文獻[4]鋼板樁模型鎖口在未受載荷時已完全接觸且咬合緊密，鎖口間沒有任何的縫隙，鎖口接觸面積大，而且在未受力時初始狀態(tài)鎖口即咬合緊密，結(jié)果如圖13（a）所示;因此，試驗過程中鋼板樁鎖口摩擦力較大，加載過程中的抗彎剛度提升較大。而本試驗所采用的實際鋼板樁鎖口咬合后僅有部分表面發(fā)生接觸，如圖13（b）所示;說明鎖口接觸作用較弱，且在未受載荷時鎖口之間空隙較大，試驗過程中鋼板樁鎖口摩擦力較小，從而引起的剛度提升較小，文獻[8]、文獻[9]也存在類似因素;

（2）支座間距：從試驗結(jié)果來看，本文6 m跨度鋼板樁及文獻[8]、文獻[9]試驗中5 m跨度鋼板樁在鎖口未做處理時，剛度增長不明顯;而文獻[6]通過實際工程中鋼板樁支護變形的實測數(shù)據(jù)對鋼板樁抗彎剛度反分析的結(jié)果也表明，跨度2～3 m的鋼板樁抗彎剛度相對于單樁的增加明顯。

為進一步驗證支座間距的影響，專門建立了3 m長度鋼板樁數(shù)值模擬模型進行計算，并與前述6 m長度鋼板樁數(shù)值計算結(jié)果進行比對，發(fā)現(xiàn)跨度3 m的鋼板樁抗彎剛度較單樁抗彎剛度提升9.8%，反映了跨度3 m剛度提升明顯比跨度6 m時的大。究其原因，在荷載作用下，由于支座反力使得樁端支座一定范圍內(nèi)的鎖口處產(chǎn)生較大的接觸壓力，進而增強鎖口摩擦作用力提高抗彎剛度。當(dāng)支座間距較小時，上述作用的影響范圍在整個鋼板樁跨度內(nèi)占比較大，使得鋼板樁樁墻的整體抗彎剛度相對較大。因此，支座間距越小，樁墻抗彎剛度發(fā)揮越明顯。

綜上分析可知，鋼板樁支撐（圍檁）的豎向間距較大時，一方面不利于鋼板樁剛度的提高，對于控制鋼板樁變形及降低鋼板樁截面應(yīng)力不利;另一方面會增大鋼板樁截面上的彎矩，進而也會增大鋼板樁的截面應(yīng)力及變形。

4結(jié)語

（1）本文通過建立U型鋼板樁彎曲試驗裝置可較好地模擬鋼板樁實際受力狀態(tài)。通過試驗發(fā)現(xiàn)，支座間距為6 m的試件，其抗彎剛度折減理想樁墻剛度0.372[16]，較單樁抗彎剛度值略有增大。同時，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)分析及有限元模擬結(jié)果說明，鋼板樁鎖口未做處理且支座間距較大時，樁墻在受荷過程中抗彎剛度提升較小;

（2）在荷載作用下，作為一種柔性材料，鋼板樁可以發(fā)生較大變形，其變形撓度較大時仍然具有一定的承載能力。因此，在實際工程中，當(dāng)鋼板樁出現(xiàn)屈服時仍然有一定的安全預(yù)警及應(yīng)急處理時間，可通過相應(yīng)的處理措施保障其安全;

（3）鋼板樁鎖口間的接觸面積越大，其鎖口的咬合作用越強，鎖口接觸的摩擦作用越大，從而使得鋼板樁在受彎作用下的抗彎剛度越大;

（4）鋼板樁支座間距對于鋼板樁抗彎剛度影響較大。通過分析對比試驗值和有限元分析計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)支座間距的減小，有助于抗彎能力的提升。對于鋼板樁而言，支撐（圍檁）的豎向間距較大不僅會增大鋼板樁截面上的彎矩（在相同荷載條件下），進而增大鋼板樁的截面應(yīng)力和變形，也會導(dǎo)致鋼板樁剛度提升較少，從而降低鋼板樁的承載及控制變形能力。因此，在鋼板樁的工程應(yīng)用中，鋼板樁豎向支撐、圍檁的間距不宜過大。

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