钢板桩接岸结构加固方法的有限元分析

孟 静，朱崇诚

（交通部天津水运工程科学研究所水工构造物检测、诊断与加固技术交通行业重点实验室，天津300456）

钢板桩接岸结构加固方法的有限元分析

孟 静，朱崇诚

（交通部天津水运工程科学研究所水工构造物检测、诊断与加固技术交通行业重点实验室，天津300456）

在深入剖析钢板桩接岸结构破损机理的基础上，提出了3种加固方案，即帽板加固法、局部外包法和地连墙替代法。通过有限元分析软件ANSYS建立了有限元模型，分别对接岸结构及土体变形特征和钢板桩等结构的受力进行了分析，并对3种加固方案的施工可行性进行了比较。最终确定局部外包法为最终加固方案。

钢板桩；接岸结构；加固；有限元分析；ANSYS

接岸结构是港口工程中常见的一种结构形式，其作用是连接人工建筑物与天然地基，将功能建筑物固定在地基上。对于高桩码头来说就是连接码头结构和岸坡、起挡土作用的结构。随着经济的发展，物流的增加，大规模的港口建设提高了对建筑物结构稳定性及耐久性的要求。钢板桩因具有承载力强、水密性好、施工简便以及耐久性好等优点，成为现代建筑工程界的主流材料，但由于钢板桩本身，容易受到侵蚀破坏，尤其是在海洋环境下，极易发生锈蚀破损，从而缩短了使用年限，造成了大量经济损失。天津港地区就存在许多钢板桩接岸结构锈蚀等问题，亟待解决。

目前国内外有关钢板桩修复加固的方法主要包括局部维修加固法和设置替代挡土结构法2大类。局部维修加固法包括补焊钢板法［1］、局部外包加固法［2］、降低帽梁覆盖高程法［3］、改善墙后土体性能法［4］等；设置替代挡土结构法包括增设地下连续墙法、增设替代钢板桩法［5］等。由于技术条件的制约，实际工程中对钢板桩结构进行修复加固的案例很少。文章以天津港某码头为依托，利用ANSYS软件建立结构加固后的仿真模型，对加固方法产生的变形、内力以及应力进行比较，探讨这些修复加固方法的技术可行性和可靠性。

1 工程概况

天津港某码头为2个万t级泊位的杂货码头，建成于1978年，东西总长363.9 m，为高桩梁板式结构，分为前方承台、后方承台、钢板桩和斜顶桩及帽梁组成的接岸结构3部分，前方承台宽13.5 m，后方承台宽21.1 m，码头顶面标高现为＋5.1 m，码头前沿泥面标高-9.0 m。前方承台由横梁、门机梁、火车板和靠船构件等组成，其中梁均为预应力连续梁，火车板为单向预应力连续板，排架间距为7 m，共有61个排架，分为7个结构段。后方承台上部结构由预应力简支横梁和单向预应力空心简支板等构件构成。前、后方承台基桩均为预应力空心方桩。码头后沿接岸部分是由钢板桩55 cm×55 cm预应力空心斜顶桩和帽梁构成的挡土墙，板桩墙和斜顶桩的连接形式为固接。板桩桩尖打至-15.5 m，斜顶桩桩尖打至-22.0 m，斜顶桩间距为2.33 m。除过渡段外，顶端帽梁设有电缆沟。码头后方斜顶桩共114根，西端斜顶桩9根，过渡段后方斜顶桩共14根。码头后方陆域打砂井排水以加速土体早期固结。

2 加固法有限元模型计算

该码头的接岸结构型式为“钢板桩+斜顶桩+帽梁”，经检测,部分钢板桩已发生锈蚀破损，接岸结构的安全处于不确定状态，无法采取针对性的工程措施，本文通过现场检测［6-7］和有限元分析了解到，该处钢板桩锈蚀成洞或锈蚀后残余厚度低于锈蚀前的80%，必须对钢板桩进行加固［8］，以保证其正常工作。针对提出的钢板桩加固方案，进行了钢板桩加固方案的有限元计算分析，以下主要对支护条件下钢板桩帽板加固方案、局部加固方案［9］和地连墙替代加固方案［10］进行分析。

2.1 帽板加固法计算分析

2.1.1 帽板加固法模型的建立

该方案考虑到泥面以下的钢板桩尚可发挥剩余作用，直接在钢板桩锈洞位置采用帽板式钢筋混凝土加固，将尚能工作的钢板桩通过加固体与斜顶桩连接起来（图1）。模型中加固体材料参数根据混凝土特性确定［11］。

图1 帽板加固方案模型断面图Fig.1 Section view of cap reinforcement

图2 接岸结构及土体侧向位移(帽板加固法)Fig.2 Lateral displacement of link-banked structure and soil (cap reinforcement)

2.1.2 帽板加固后接岸结构及土体变形特征

对帽板法加固后的有限元计算结果进行分析，首先同样对接岸结构及土体的变形特征进行分析，从接岸结构及土体的侧向位移（图2）可以看出，加固后深层土体的侧向位移已得到控制，其位移趋势和数值均可达到钢板桩完好情况的水平（钢板桩完好情况土体最大侧向位移为14.9 mm，帽板加固后为14.7 mm），说明采用帽板加固法能够将锈洞以下的钢板桩与帽梁的共同作用关系重新建立起来，接岸结构及土体的竖向位移值也接近完好情况。单独分析接岸结构的变形特征可知，加固后的接岸结构，其变形特征基本与完好情况相似，钢板桩的侧向位移稍有减少，且锈洞以上的钢板桩已基本失效，而泥面线以下的钢板桩则是通过与其加固体的共同作用实现了接岸结构的功能。从接岸结构的竖向位移特征来看，由于加固体的作用，泥面以下钢板桩在承担竖向荷载作用方面也起到了作用，使得帽梁后的竖向沉降得到了控制。

2.2 局部外包法计算分析

2.2.1 钢板桩局部外包法计算模型的建立

钢板桩局部外包方案是在钢板桩产生锈洞的位置对其进行局部加固，使其恢复到需要的强度和状态，相比帽板加固法，该方法施工难度有所降低，且避免了斜顶桩桩帽与接岸结构固结时产生较大应力。但为了保证局部加固的修复工作能够顺利进行，需要在修复位置设置支护结构，将钢板桩与钢筋焊接起来，再在支护结构内进行混凝土浇筑，针对这一修复方案，建立了数值计算模型进行分析。图3为有限元模型的断面图。模型中加固体材料参数根据混凝土特性确定。

2.2.2 局部外包法加固后接岸结构及土体变形特征

图3 局部外包法模型断面图Fig.3 Section view of local reinforcement

对局部外包法加固后的有限元计算结果进行分析，同样首先对接岸结构及土体的变形特征进行分析，从接岸结构及土体的侧向位移（图4）可以看出，加固之后，深层土体的侧向位移已得到控制，其位移趋势和数值均可达到钢板桩完好情况或帽板加固法后的水平（钢板桩完好情况土体最大侧向位移为14.9 mm，帽板加固后为14.7 mm，局部外包法14.68 mm），说明采用局部外包法能够将锈洞上下的钢板桩连接起来，使得钢板桩接岸结构的体系共同作用得到恢复。

图4 接岸结构及土体侧向位移(局部外包法)Fig.4 Lateral displacement of link-banked structure and soil (local reinforcement)

单独对接岸结构的变形特征进行分析。接岸结构加固之后，其变形特征基本与完好情况相似，钢板桩的侧向位移稍有减少，锈洞以上的钢板桩已基本失效，而泥面线以下的钢板桩则是通过与其加固体的共同作用实现了接岸结构的功能。且由于加固体的作用，泥面以下钢板桩在承担竖向荷载作用方面也起到了作用，使得帽梁后的竖向沉降得到了控制。

2.3 地连墙替代法计算分析

2.3.1 地连墙替代法模型的建立

该方案在接岸结构后方增加地下连续墙替代钢板桩的作用，即在靠近钢板桩的后方增加地连墙，一是可以阻挡后方土体对接岸结构的作用力，二是可以联合泥面以下钢板桩形成双排桩的挡土结构。图5为地连墙的布置位置图。

2.3.2 地连墙替代方案接岸结构及土体变形特征

对地连墙替代方案的有限元计算结果进行分析，从接岸结构及土体侧向位移（图6）来看，地连墙的设置减少了后方土体变形对接岸结构及前方桩基的影响，地连墙与泥面线以下剩余钢板桩的双重作用改善了接岸结构的性能，相比钢板桩完好情况，地连墙设置后的综合接岸结构工作性能更好，其深层土体的侧向位移数值减少了（最大值为13.3 mm），且土体变形对前方岸坡的影响范围也减小了。

同样，由于地连墙的作用，接岸结构位置的竖向位移也大大减少，地连墙不仅阻挡了绝大部分的土压力，也在承担竖向荷载方向起到了较大的作用，减小了其土体变形范围，达到了较好的效果。

图5 地连墙位置断面图Fig.5 Section view of diaphragm wall reinforcement

图6 接岸结构及土体侧向位移图(地连墙替代法)Fig.6 Lateral displacement of link-banked structure and soil（diaphragm wall reinforcement）

图7 接岸结构及地连墙侧向位移图Fig.7 Lateral displacement of linkbanked structure and diaphragm wall

图7为接岸结构及地连墙的侧向位移图，地连墙的侧向位移较大值出现在墙身中部位置，钢板桩的侧向位移体现在桩身下部，地连墙的深度较深，已经穿过了土体变形竖直范围，而钢板桩的深度相对较浅，桩底刚好达到土体变形区域，因此地连墙实际上起到了深层“遮帘桩”的效果。斜顶桩桩身的侧向位移已不明显，这正是地连墙设置后才有的效果。随后又对钢板桩和地连墙的侧向位移进行对比分析，得到钢板桩桩身的侧向位移仅为11 mm，而地连墙的最大侧向位移为12 mm，可见地连墙作用使得墙身前方的土体变形得到控制。同时也减少了接岸结构后方的竖向位移，最大竖向位移为22 mm，较钢板桩完好情况下的28 mm也有所减少。

3 加固方法内力分析及比较

表1 3种加固方法比较Tab.1 Comparison of three reinforcement methods

图8 帽板加固法内力Fig.8 Internal stress of cap reinforcement

图9 局部外包法内力Fig.9 Internal stress of localreinforcement

图10 地连墙替代法内力Fig.10 Internal stress of diaphragm wall reinforcement

上述3种加固方法均能起到改善该码头接岸结构的作用，在此前提下，应对其内力进行比较分析，从定量的计算结果上来判断哪种加固方法更为合理。下面用ANSYS所建立的模型对3种加固方法所产生的内力进行计算。

根据工程的实际情况和《港口工程钢结构设计规范》计算公式［12］进行钢板桩强度计算，并分别取几个关键点进行核算。

通过上述比较可以看出，采用3种加固方法后，其内力均满足规范要求，应进一步进行应力分析比较，以确定最优加固方案。

4 加固方法应力分析及比较

在前面分析结果的基础上，借助于ANSYS软件进一步对3种加固形式的结构应力进行计算，结果如下。

4.1 帽板加固后结构应力分析

接岸结构在采用帽板法加固后，斜顶桩加固桩帽的底部受力相对集中，第一主应力和第三主应力的最大值均出现在这个位置，经ANSYS模型计算，其中第一主应力最大值为34 MPa，第三主应力最大值为37.6 MPa，因此可以在斜顶桩加固桩帽时，适当增加其强度。

4.2 局部外包法加固后混凝土构件应力分析

局部外包法加固后的混凝土构件应力的分析主要包括帽梁结构和加固体，经ANSYS模型计算分析可知，加固混凝土体的海侧方向是受拉的主要区域，最大第一主应力出现在加固体顶端，最大值为2.37 MPa，超过了抗拉强度1.78 MPa，但范围较小，因此在进行加固体配筋时，应适当加强其海侧面配筋。由第三主应力分析可知，主要受压区域为斜顶桩与帽梁连接处和加固体的岸侧，但是应力值都相对较少，对结构没有影响。

4.3 地连墙替代方案结构应力分析

地连墙出现受拉状态的区域非常少，主要受压区域分布在地连墙的后侧靠近土体变形影响的区域，其第三主应力值约为1.8 MPa。

由此可见，帽板加固法使得斜顶桩桩帽加固位置的应力较大，而采用局部外包法和地连墙替代加固法所产生的结构应力在可接受范围，能满足接岸结构的功能要求。虽然地连墙替代加固法控制了接岸结构前方码头及岸坡的变形，且改善了接岸结构的力学性能，但施工难度和造价都比局部外包法高出很多。因此，本文建议采用局部外包法作为该工程的加固方案。

5 比选结果

文章从实用角度对3种钢板桩加固方案进行了有限元计算分析，分别建立了帽板加固方案、局部外包法和地连墙替代法的数值计算模型，在分析计算结果时，分别对接岸结构及土体变形特征和钢板桩等结构的受力进行了分析。直观清晰地看到3种加固方法的优劣，有助于选择最终施工方案，3种加固方法的综合比较结果如下。

（1）帽板加固法的实质是将泥面以下的钢板桩与斜顶桩和帽梁连接起来，重新实现了接岸结构的功能，基本可以达到钢板桩完好情况的水平，但斜顶桩桩帽位置加固体的受力较大，可能出现加固后受力破损。

（2）地连墙替代法是将地连墙替代钢板桩作为接岸结构，实质是剩余钢板桩与地连墙综合起来作为接岸结构。因此，进一步强化了地连墙替代方案的加固效果，但其施工难度和工程量都较大。

（3）局部外包法的实质是将泥面以下的钢板桩与上部剩余钢板桩及帽梁连接起来，改善锈洞位置钢板桩的受力传递，重新实现接岸结构的功能，加固效果基本可以达到钢板桩完好情况的水平，钢板桩及结构的受力也均能满足要求，且造价合理，故为本文所推荐。

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Finite element analysis on reinforcement of link-banked structure of steel sheet pile

MENG Jing，ZHU Chong-cheng
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Key Laboratory of Harbor&Marine Structure Safety，Ministry of Communications，Tianjin 300456，China）

Based on the damage mechanism of link-banked structure of steel sheet pile，three reinforcement methods such as cap reinforcement，local reinforcement and diaphragm wall reinforcement were proposed in this paper.A finite element model was established with the finite element analysis software ANSYS to analyze the forces acted on steel sheet piles and the deformation characteristics of soil and link-banked structures，and the construction feasibility of the three reinforcement methods were compared.Finally，the local reinforcement is chosen as the final scheme.

steel sheet pile；link-banked structure；reinforcement；finite element analysis；ANSYS

U 656.1+13；TV 223.2+2

A

1005-8443（2010）05-0403-06

西部交通建设科技项目基金（2009328000084）

孟静（1981-），女，河南省人，助理研究员，主要从事港口设施检测评估工作。

Biography：MENG Jing（1981-），female，assistant professor.