加劲拱肋对改善冷弯钢板桩局部屈曲性能的探究

刘春阳　张淑华　陈光明　孙兴毅

(河海大学港口海岸与近海工程学院　南京　210098)



加劲拱肋对改善冷弯钢板桩局部屈曲性能的探究

刘春阳张淑华陈光明孙兴毅

(河海大学港口海岸与近海工程学院南京210098)

摘要：冷弯薄壁型钢与热轧型钢相比，具有许多优越之处，正日益广泛地应用于工程结构之中.由于冷弯钢板桩具有薄板壁、大截面的形状，在向地面打桩等情况下受到轴向压力可能会导致局部的屈曲变形.因此，对冷弯钢板桩进行截面优化，提高屈曲强度很有必要.文中对现阶段采取加劲拱肋的方案进行分析，经过ANSYS软件进行有限元模拟，发现这一方案可以有效的改善结构受力，提高抗屈曲能力，说明加劲拱肋值得在钢板桩结构中进行推广.

关键词：冷弯钢板桩；加劲拱肋；局部屈曲

刘春阳(1991- )：男，硕士生，主要研究领域为港航工程结构

0引言

钢板桩工法以前在我国主要应用于桥梁建设的临时围堰和基础工程的临时挡土等临时性的工程.但现在，钢板桩不仅应用于临时结构中，也广泛适用于桥梁结构[1-2]、护岸、码头靠岸、挡土墙等各种各样的永久性结构中.

钢板桩产品根据其制造方法不同可以分为热轧钢板桩和冷弯钢板桩.传统市场上钢板桩工法的主角是热轧钢板桩，但是后来由于工程结构需要具有更高经济性的产品，具有轻量、品种丰富、生产效率高等特点的冷弯钢板桩逐渐得到了广泛的运用.

冷弯薄壁型钢构件是由钢片、钢带或钢板通过冷加工成型，可以采用辊式冷弯成型或由折弯机折弯成型[3-4].它具有以下的优点：(1)钢材材质强度大，品质安定；(2)与热轧钢板桩相比，质量较轻，有较好的经济效益；(3)与热轧钢板桩相比，品种丰富，可以选择最为合适的设计方案.

虽然冷弯钢板桩有着优良的性能，但正是由于其具有薄板壁、大截面的截面形状，在打桩等情况下，结构受到轴向压力可能会导致局部的屈曲变形.局部屈曲受各钢板部分的板宽、板厚，以及截面形状的影响，在现有的应对方案中，采取加劲拱肋是一种简单有效的办法，不过该方案的具体效果在相关规范中并未提及.

文中就钢板桩腹板采取加劲拱肋对提高结构抗屈曲能力的效果进行了探讨，对比有无加劲拱肋下结构的屈曲特性，得出了相关结论，希望为实际工程提供参考.

1结构选型及局部屈曲介绍

钢板桩有多种截面形式，其中U型钢板桩是比较有代表性的品种，该结构有以下优点.

1) U型钢板桩规格型号丰富.

2) 根据欧标设计生产，结构形式对称，有利于重复使用，在重复使用上与热轧等同.

3) 由于生产便捷，与组合桩配套使用时候可在出厂前预先订制.

4) 生产设计及生产周期短，钢板桩性能可根据客户要求而定.

由于具备以上优点，U型钢板桩受到广泛的应用，有较大的研究意义，文中以其为例进行加劲拱肋对屈曲的影响分析，结构设置加劲拱肋前后的截面见图1.

图1　截面示意图

局部屈曲是指在压力作用下只发生板件的弯曲，并且各相邻板件之间棱线保持挺直，不会发生横向变形，屈曲发生后构件截面轮廓形状与屈曲前保持一致[5].板件的局部屈曲在澳大利亚规范(AS/NZS4600)[6]中的定义为：变形仅包含板件的弯曲，而各相邻板件的交线不发生横向变形的屈曲模式.由于钢板桩腹板的高厚比较大，局部屈曲通常首先在腹板发生.钢板桩局部屈曲示意图见图2.

图2　局部屈曲示意图

2分析模型

2.1有限元模型

文中建立有限元模型，分析单片钢板桩在轴向受力下，在有无加劲拱肋两种情况下的局部屈曲情况.钢板桩有限元模型采取shell63单元，钢材弹性模量E=210 GPa，屈服强度值为σy=345 MPa，泊松比为0.3.

钢板桩约束及加载示意图见图3(X-Y平面视图).两侧边分别约束Y，Z方向位移，上边约束X，Z方向位移及绕X，Y轴的转角，下边约束X，Y，Z方向位移及绕X，Y轴的转角.钢板桩上边施加等值均布荷载.

图3　约束及加载示意图

2.2屈曲分析过程

屈曲分析一般分为特征值屈曲分析和非线性屈曲分析2个过程.

首先要进行特征值屈曲分析，也就是弹性稳定分析，求出临界屈曲荷载值.具体在ANSYS中的操作是在模型上边施加均布荷载，设置分析类型，求出屈曲荷载系数，将该系数乘以所施加的荷载，结果就是临界屈曲荷载.

其次进行非线性分析，非线性稳定性分析是在非线性静力分析理论基础上，对结构施加逐级增大的荷载直到结构失稳破坏，然后再对结构发生失稳时的临界荷载进行分析[7].弧长法是ANSYS软件中进行非线性分析的有效方法，该方法也是非线性分析的一种主流方法，尤其在非线性屈曲极值点附近的分析方面优势明显.弧长法前提是存在一个真实的平衡路径位移增量空间，然后将由弧长所控制的荷载增量按自动加载方案逐级加载，加载时应注意沿着平衡路径迭代位移增量的大小和方向加载，从而可以搜索到满足平衡方程的平衡路径[8].具体在ANSYS中的操作是将特征值屈曲分析计算得到的屈曲荷载施加到结构上，打开大变形，设置时间和步长，计算输出位移最大节点的荷载-位移曲线.

文中先进行特征值屈曲分析，再进行非线性屈曲分析.绘制出各种情况下，整个结构的位移最大节点的荷载位移曲线，由曲线得出真实的屈曲荷载，并总结相关规律.

3算例计算

3.1尺寸参数

钢板桩截面尺寸参数见图4.相关尺寸如下：腹板宽为b，整体板宽为B，腹板高为h.有拱肋结构中，由于加劲拱肋为弧形，与无拱肋相比，多了弧线段宽度b′，以及高度h′两个尺寸参数.

找相关钢板桩型号，选取截面尺寸参数为：b=300 mm，B=600 mm，h=200 mm，b′=50 mm，h′=20 mm.记该截面为截面a，板厚取为10 mm，板长取为1 000 mm.

图4　截面参数示意图

3.2特征值屈曲分析

根据3.1的尺寸建立好模型并划分网格，在模型上边施加单位荷载1 MPa，设置分析类型为特征值屈曲，首先激活预应力效应，进行静力分析，然后计算一阶屈曲模态，获取屈曲荷载系数.

经过计算，得出两种结构屈曲模态见图5，屈曲荷载系数分别为1.4×109和1.84×109.由此可求得临界屈曲荷载为1.4×108，1.84×109MPa.

图5　a截面特征值屈曲模态

由图5可见：

1) 2种情况下局部屈曲均发生在受轴向力的一端，这是复合实际情况的.

2) 有拱肋的结构的屈曲荷载系数有了较大的提高，而且最大位移有所减少.但由于特征值屈曲并不能完全反应结构的真实屈曲情况，具体的结果还需要进行非线性屈曲的计算严重.

3.3非线性屈曲分析

非线性分析中，由于临界屈曲荷载并不一定完全反应结构受力特性，将其放大1.3倍施加到上边上以保证结构达到屈曲，在软件中考虑大变形效应，设置时间长度为1 s，步长为100步，进行非线性屈曲计算.

计算结束后，提取结构位移最大节点的荷载-位移曲线，见图6.

图6　a截面荷载-位移曲线

由图6可见，未设置加劲拱肋的结构，其荷载-位移曲线在均布荷载达到1 300 MPa时，有一个明显的拐点，此后，曲线斜率远远小于拐点之前，即在荷载达到1 300 MPa之后结构变形速度迅速加快，最终发生失稳.因此可以认为1 300 MPa为为设置加劲拱肋结构的屈曲荷载，而达到这一荷载时，结构的位移为4 mm.而有拱肋结构的荷载-位移曲线较为平滑但斜率也在逐渐减小.可以认为达到1 800 MPa时进入屈服状态，此时结构最大位移为7 mm.分析可得以下结论：

1) 有拱肋结构在荷载达到1 800 MPa后，位移增加速度较快，可认为达到屈服，该荷载远大于无拱肋结构的屈曲荷载.说明添加拱肋可以提高打桩过程中结构承受锤击力的大小.由于钢板桩打桩过程中地质条件的不确定性，锤击力往往存在较大的变化.在土层阻力较大时，最终确定的锤击力就较大，如果采取加劲拱肋的结构，在打桩时可以选择更大的锤击力，从而提高打桩效率，节约成本.

2) 有拱肋结构不仅屈曲荷载大于无拱肋结构，而且结构位移方面也有一定优势.对比相同荷载下，两种结构的位移值可以发现，有拱肋结构的位移值均小于无拱肋结构.因此在相同锤击力下有拱肋结构变形小.如果结构的变形较大且持续时间较长，就有可能在结束受力后无法恢复原状，而且也会带来内部损伤.因此有拱肋结构减小了打桩过程对结构的损伤，保证了结构安全可靠.

3) 和无拱肋结构相比，有拱肋结构荷载-位移曲线斜率变化较为缓慢，该特性说明采取加劲拱肋可以一定程度的地改善结构受力性能.如果打桩力是逐步递增的，有拱肋结构由于变形开展较慢，可以通过观测结构变形，及时采取措施，而无拱肋结构由于荷载大于一定数值后变形急剧增加，在施工人员发现之前结构可能已经发生破坏，存在一定的工程隐患.

不过这里只进行了一种桩型的计算，还不具备规律性，需要选取其他截面尺寸的U型钢板桩进行计算，验算结论的正确性.

3.4算例验证

局部屈曲的影响因素很多，包括板的截面尺寸、板长等.对于打桩这一特殊过程，受力集中于板桩端部，局部屈曲也发生在桩端的有限区域，故板长的增加对局部屈曲影响有限.所以文中主要考虑板的截面尺寸，即采取不同型号的钢板桩时，有无加劲拱肋对局部屈曲的影响.

对应3.1中的尺寸参数，另取2种截面尺寸的钢板桩.具体尺寸如下：截面b(750 mm×250 mm)：b=400 mm，B=750 mm，h=250 mm，b′=50 mm，h′=20 mm；截面c(900 mm×300 mm)：b=450 mm，B=900 mm，h=300 mm，b′=50 mm，h′=20 mm.

2种截面板宽均为10 mm，板长均为1 000 mm，分别按有拱肋和无拱肋进行计算，得出相应结果见图7、图8.

图7　b截面计算结果

图8　c截面计算结果

根据计算，b截面钢板桩，无拱肋结构屈曲荷载系数8.68×108，临界屈曲荷载为8.68×108MPa；有拱肋结构屈曲荷载系数1.4×109，临界屈曲荷载为1.4×109MPa.进行非线性计算后，由荷载-位移曲线读出无拱肋结构屈曲荷载为700 MPa，有拱肋结构屈曲荷载为15 00 MPa.

c截面钢板桩，无拱肋结构屈曲荷载系数6.34×108，临界屈曲荷载为6.34×108MPa；有拱肋结构屈曲荷载系数8.29×108，临界屈曲荷载为8.29×108MPa.进行非线性计算后由荷载-位移曲线读出无拱肋结构屈曲荷载为600 MPa，有拱肋结构屈曲荷载800 MPa.

将本节中的计算数据及图表进行分析，结合3.2中算例结果可总结如下规律：

1) 3种截面尺寸对应的有拱肋结构的屈曲荷载值均大于无拱肋结构，相同荷载作用下，有拱肋结构位移更小，且有拱肋结构的荷载-位移曲线均比无拱肋结构要平缓.3.1中的3点结论得到了较好的验证，即采用有拱肋结构提高了结构达到屈曲所能承受的荷载，相同荷载下结构位移较小，而且结构的荷载-位移曲线较为平缓.

2) 3组结果之间比较发现，随着截面尺寸的增加，无拱肋结构和有拱肋结构的屈曲荷载均有降低，说明大截面尺寸的钢板桩由于腹板面积更大，更容易发生局部屈曲变形，因此在钢板桩结构的设计阶段，要兼顾经济效益与工程实际，不能一味选取大截面钢板桩，要考虑打桩的难度.

而如果必须采用较大截面钢板桩且打桩难度又较大时，要重视拱肋结构的作用，选取有拱肋的钢板桩以提高打桩效果.

4结 束 语

文中进行了3种截面尺寸的钢板桩结构在有无加劲拱肋情况下的局部屈曲分析，发现设置了加劲拱肋的钢板桩结构在受力性能上有了很大改善，达到屈曲时承受的荷载也有较大的提高.说明加劲拱肋可以有效的地改善钢板桩局部屈曲现象，随着大截面薄壁钢板桩运用的越来越普遍，重视加劲拱肋对结构受力性能的提高有较大的工程意义.

参 考 文 献

[1]聂细锋,张清华.波形钢腹板组合箱梁扭转及畸变效应关键影响因素研究[J].四川建筑科学研究,2014,40(5):46-49.

[2]任顺,李文虎,任大龙.波形钢腹板PC组合连续箱梁桥有限元静力分析[J].四川建筑科学研究,2013,39(2):85-89.

[3]于炜文.冷成型钢结构设计[M].董军，夏冰青,译．北京：中国水利水电出版社，2003.

[4]陈雪庭，张中权.冷弯薄壁型钢结构构件[M].北京：中国铁道出版社，1990.

[5]姚永红.腹板V形加劲冷弯薄壁卷边槽钢轴压柱稳定性能研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2012.

[6]Standards.Cold-Formed Steel Structures，AS/NZS 4600[S]. Australia：Australian/New Zealand Standard，2005.

[7]杨健.波形钢腹板PC组合箱梁腹板稳定性研究[D].兰州:兰州交通大学,2014.

[8]邹新军.基桩屈曲稳定分析的理论与试验研究[D].长沙:湖南大学,2005.

Research about Stiffened Web to Improve

Local Buckling of Cold-formed Steel Sheet Pile

LIU ChunyangZHANG ShuhuaCHEN GuangmingSUN Xingyi

(CollegeofHarbor，CoastalandOffshoreEngineering，HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract：Cold-formed thin-walled steel is used increasingly in a wide range of construction due to its many advantages compared with hot-rolled steel. Because of the shape of a thin wall and a large cross-section, the structure receives axial compression which may lead to local buckling when it is piled into the soil. Therefore, cross-section optimization of the cold-formed steel sheet pile to improve the buckling strength is necessary. For the plan of a stiffened web, through finite element simulation of ANSYS , it is found that this scheme can effectively improve the ability to resist buckling, it is worthwhile to be promoted in the steel sheet pile structure.

Key words：cold-formed steel sheet pile; stiffened web; local buckling

收稿日期：2015-12-06

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.01.034

中图法分类号：TU352