吳 芳，朱晴漢

(江蘇省太湖水利規(guī)劃設計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215128)

0 引言

H+Hat組合鋼板樁具有剛度大、施工快、循環(huán)利用率高等特點，近年來被廣泛應用于深基坑工程。趙海豐[1]等研究了H+Hat組合型鋼板樁的抗彎截面模量比普通鋼板樁更大，抗彎性能良好，鎖口抗拉試驗和數(shù)值計算結果表明，其實際工作狀態(tài)所承受的荷載遠小于鎖口抗拉破壞的極限荷載。樊金平[2]等模擬了H+Hat組合型鋼板樁在基坑中的應用。趙伏田[3]等數(shù)值模擬了鋼板樁的最佳入土深度。程楠楠[4]等研究了組合鋼板樁的連接方式。關于H+Hat組合鋼板樁位移、應變等力學性能及其主要受力構件的研究目前尚不完善，筆者采用ABAQUS有限元軟件給出具體量化結果，指明組合鋼板樁受力性能提高的主要原因。

1 H+Hat組合鋼板樁的型號模型建立以及加載類型和網(wǎng)格劃分

模型參數(shù)是對材料行為的定量描述，而本構模型則是對研究對象的定性描述。ABAQUS提供了豐富的本構模型，包括線彈性模型、摩爾-庫倫模型及用戶自定義本構模型。純力學本構關系的有胡克定律、牛頓內摩擦定律[5]。每種本構模型精度都不相同，側重點也不一樣。比如，線彈性模型僅有楊氏模量E和泊松比ν兩個參數(shù)。本文研究的本構模型是采用胡克定律下的線彈性結構，研究組合鋼板樁的應力和位移。

有限元建模采用尺寸為550mm×300mm×11mm×8mm的H型鋼與NSP-10H型Hat鋼板樁組合，鋼板樁長14m。Hat鋼板樁屈服強度為400N/mm2，抗拉強度為505N/mm2，H型鋼屈服強度為450N/mm2，抗拉強度為485N/mm2。鋼板樁彈性模量E=210GPa，泊松比μ=0.3。建模的三維截面和軸視圖如圖1所示。

圖1 H+Hat組合型鋼板樁截面圖和軸視圖

為研究H+Hat組合鋼板樁在不同荷載條件下的應力、位移，對其施加均布荷載進行三維建模有限元分析，如圖2所示。

圖2 H+Hat組合鋼板樁模型荷載分布簡圖

網(wǎng)格劃分是決定有限元計算是否收斂的主要影響因素。如圖3所示，網(wǎng)格尺寸選擇5cm，長度14m的H+Hat組合鋼板樁共劃分了18200個網(wǎng)格。

圖3 H+Hat組合鋼板樁模型網(wǎng)格圖

2 H+Hat組合鋼板樁的數(shù)值模擬

ABAQUS三維模擬結果，不僅可反映受力方向上的位移和應力，且在三維坐標軸各個方向上均能給出應力和位移變化。分別采用20、50、80、100、200、300kN/m2，研究H+Hat組合鋼板樁結構性能。

當施加均布荷載q=20kN/m2時，H+Hat組合鋼板樁的應力位移如圖4所示。從圖4中可以看出，最大應力在鉸接處，σ=43.94MPa；最大位移在H+Hat組合鋼板樁中心處，L=0.429cm。

圖4 均布荷載q=20kN/m2條件下的應力、位移云圖

在施加不同均布荷載20、50、80、100、200、300kN/m2時，其對應的最大應力分別為：43.94、101.4、175.8、219.7、439.4、462.2MPa，其對應的位移分別為：0.429、1.074、1.718、2.147、4.294、5.01cm。為了更直觀觀察模擬結果所得的規(guī)律，將以上數(shù)據(jù)做成折線圖。折線圖的橫坐標表示施加的荷載，縱坐標表示H+Hat組合鋼板樁上的最大應力及位移，最大應力及位移和荷載的關系如圖5所示。由圖5可以看出，應力和位移在施加荷載尚未達到屈服應力之前呈線性變化，在達到屈服強度之后，變化規(guī)律呈非線性增加，符合材料力學里均質材料位移和均布荷載的規(guī)律[6]。

圖5 H+Hat組合鋼板樁在不同荷載作用下的最大應力與位移

3 H+Hat組合鋼板樁的結構性能和傳統(tǒng)鋼板樁對比分析

3.1 Hat鋼板樁的結構性能

分析H+Hat組合鋼板樁與傳統(tǒng)鋼板樁結構性能的定量差異，需將其拆分為H型鋼和Hat鋼板樁分別進行模擬，有限元建模采用上一節(jié)的尺寸，考慮NSP-10H型Hat鋼板樁，如圖6所示。

圖6 Hat鋼板樁模型圖

采用均布荷載分別為20、30、40、50、60、70、80kN/m2，以研究Hat鋼板樁的結構性能。

當施加的均布荷載q=20kN/m2時，Hat鋼板樁的應力和位移如圖7所示。由圖7可知，最大應力在鉸接處，σ=138.2MPa；最大位移在H+Hat組合鋼板樁中心處，L=5.67cm。不同荷載作用于Hat鋼板樁上的應力和位移值見表1。

表1 Hat鋼板樁在不同荷載作用下的最大應力和位移值

圖7 Hat樁在均布荷載q=20kN/m2條件下的應力和位移云圖

3.2 H型鋼的結構性能

H型鋼尺寸為40cm×20cm×0.9cm×1.2cm，屈服強度為450N/mm2，抗拉強度為485N/mm2。

同樣，采用均布荷載分別為20、40、60、100、140、180、240kN/m2，以研究H型鋼結構性能。

當施加的均布荷載q=20kN/m2時，H型鋼的應力和位移如圖8所示。由圖8可知，最大應力在鉸接處，σ=73.26MPa；最大位移在H型鋼中心處，L=1.034cm。不同荷載作用在H型鋼的應力和位移值見表2。

表2 H型鋼在不同荷載作用下的最大應力和位移值

圖8 H型鋼在均布荷載q=20kN/m2條件下的應力和位移云圖

3.3 對比分析

將H+Hat組合鋼板樁、Hat鋼板樁、H型鋼在不同荷載作用下的應力和位移進行對比，在沒有達到屈服應力之前，荷載和應力的關系呈線性增加。在相同荷載50kN/m2作用下，Hat鋼板樁產(chǎn)生的最大應力為345.6MPa，H型鋼產(chǎn)生的最大應力是183.7MPa，而H+Hat組合鋼板樁產(chǎn)生的最大應力僅為101.4MPa，如圖9所示。由此可見，H+Hat組合鋼板樁最大應力相比于Hat鋼板樁明顯減小，H+Hat組合樁是Hat鋼板樁的1/13.2倍，H+Hat組合樁是H型鋼的1/2.4倍。所以H+Hat組合鋼板樁的受力特性更優(yōu)于Hat鋼板樁和H型鋼。

圖9 H+Hat組合鋼板樁、Hat鋼板樁和H型鋼在不同荷載作用下應力曲線

相同荷載50kN/m2作用下，Hat鋼板樁的位移為14.18cm，H型鋼板樁的位移時2.586cm，而H+Hat組合鋼板樁的位移只有1.074cm，如圖10所示。相比Hat鋼板樁，H+Hat組合鋼板樁的剛度有了顯著提高，即H+Hat組合樁是Hat鋼板樁的13.2倍，H+Hat組合樁是H型鋼的2.4倍(鋼材未達到屈服強度)，分析表明剛度增強主要來自H型鋼。

圖10 H+Hat組合鋼板樁、Hat鋼板樁和H型鋼在不同荷載作用下位移曲線

4 組合型鋼板樁實例應用

4.1 組合鋼板樁應用背景

吳淞江整治工程是《長江三角洲區(qū)域一體化發(fā)展規(guī)劃綱要》確定的省際重大水利工程，也是《太湖流域防洪規(guī)劃》《太湖流域綜合規(guī)劃》等確定的流域綜合治理骨干工程之一，列入國家172項節(jié)水供水重大水利工程項目。工程的實施可進一步增加太湖洪水外排出路，提高太湖流域和陽澄淀泖區(qū)防洪除澇能力，改善下游地區(qū)水生態(tài)、水資源、水環(huán)境條件，同時提升蘇申內港線航運能力。

工程等別Ⅱ等，防洪標準50年一遇，排澇標準20年一遇。河道堤防工程等級2級，建筑物級別1—2級。地震基本烈度Ⅶ度。

吳淞江蘇申內港線吳中區(qū)甪直鎮(zhèn)東灣村某河段沿河為車流量較大的鎮(zhèn)村級主要交通要道，原設計為新建生態(tài)直立擋墻+筑堤，連片整治后堤頂防汛道路環(huán)島貫通，濱岸帶生態(tài)環(huán)境面貌有待進一步提升。施工期間擋墻基坑開挖需破壞現(xiàn)狀主干路，對當?shù)乩习傩丈a(chǎn)生活造成一定的影響。根據(jù)地方訴求擬結合現(xiàn)場實際情況對上述河段采用無錨定結構懸臂式組合鋼板樁替代原直立擋墻方案。

4.2 組合鋼板樁結構計算

選擇最不利工況計算，墻前水位高程0.50m，墻后水位3.70m。墻后填土高程5.5m，墻前填土高程0.5m。計算簡圖如圖11所示。

圖11 土壓力分布簡圖

(1)入土深度計算[7]

Ka=0.33，Ka2=0.36，Kp=4.71

h1=5.5-3.7=1.8m，h2=3.7-0.5=3.2m

入土點處壓強：q=Kaγh1+Ka′γ浮h2+γ水h2=55.4kN/m2

由KPγ浮Y=q，得入土點深度Y=1.27m

式中，Ka，Ka′—水上和水下主動土壓力系數(shù)；Kp—被動土壓力系數(shù)；γ，γ浮—土的天然容重和土的浮容重，KN/m3；γ水—水的容重，KN/m3；h1—地面至墻后水位豎向距離，m；h2—墻后水位至樁入土點豎向距離，m。

(2)嵌固深度計算

選用布魯姆法計算H+Hat組合鋼板樁嵌固深度，得X=5.49m。所以，板樁的入土深度H=h1+h2+12(Y+X)=13.1m。

(3)求最大彎矩

彎矩最大點在剪力為零處，假設剪力為零點在O點以下a處的距離，則有：

(1)

式中，∑P—主動土壓力、水壓力的合力，kN；a—剪力為零點距離O點的距離，m，求得：a=2.66m。

最大彎矩：

(2)

式中，Pe—合力∑P距離樁底的距離，m。

求得：Mmax=638.1kN·m。

(4)H+Hat組合鋼板樁的型號選取

計算最大彎矩需要的鋼板樁截面模量為：

(3)

式中，f—鋼板樁抗彎強度設計值，N/mm2。

求得：W=4467.19cm3。傳統(tǒng)的U型板樁彈性模量值無法達到此要求，H+Hat組合鋼板樁采用了NSP-10的Hat鋼板樁與截面尺寸為550mm×300mm×11mm×8mm的H型鋼，截面積307cm2/m，截面慣性矩221216cm4/m，截面模量5134cm3/m，截面模量在4068～5134cm3/m之間，符合要求。

(5)采用彈性地基梁法計算最大水平位移為6.97cm，小于JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規(guī)程》規(guī)范允許值10cm，如圖12所示。

圖12 組合鋼板樁樁頂位移圖

(6)采用三角形法計算地表沉降量為9.3cm，小于SL 265—2016《水閘設計規(guī)范》中天然土質地基最大沉降允許值15cm，如圖13所示。

圖13 組合鋼板樁樁頂附近地表沉降圖

(7)懸臂式H+Hat組合鋼板樁的計算不僅包括樁長、樁頂位移及沉降量的計算，還包括整體穩(wěn)定性驗算(瑞典條分法)、抗傾覆穩(wěn)定性驗算、抗隆起驗算、抗管涌驗算。經(jīng)計算，K整體穩(wěn)定=3.02>1.2，K抗傾覆=1.276>1.2，K抗隆起=9.164>1.1；K抗管涌=6.063>1.5，均滿足相關規(guī)范要求。

4.3 經(jīng)濟合理性分析

相同擋土高度下，采用H+Hat組合鋼板樁每延米造價約8000元，而傳統(tǒng)鋼筋混凝土擋墻每延米造價約8500元(含臨時圍堰)，前者每延米節(jié)約500元；此外，采用H+Hat組合鋼板樁施工開挖面小，施工影響范圍內道路、房屋等實物量少、征遷專項費用低、施工便利，相比傳統(tǒng)鋼筋砼擋墻更加經(jīng)濟合理。

5 結論

由Hat鋼板樁和H型鋼組合而成的H+Hat組合型鋼板樁相比傳統(tǒng)鋼板樁具有更大的抗彎剛度，鋼材利用率更高，本文對其采用ABAQUS有限元數(shù)值模擬分析及應用，得到以下結論。

(1)在未達到鋼板樁材料屈服強度之前，H+Hat組合鋼板樁應力、位移與其面層施加荷載呈線性關系，符合材料力學中均質材料應力和均布荷載成線性關系的規(guī)律。

(2)H+Hat組合鋼板樁的應力、位移比Hat鋼板樁和H型鋼均有顯著提高，且H型鋼是H+Hat組合鋼板樁受力特性提高和剛度增強的主要原因。

(3)相比傳統(tǒng)鋼筋混凝土擋墻，H+Hat組合鋼板樁具有造價低、開挖面小、征遷影響少等優(yōu)勢，隨著施工技術的進步和防腐措施的增強，H+Hat組合鋼板樁在永久護岸工程中的應用會越來越廣泛。