双排钢板桩围堰钢拉杆有限元分析

何　勇，张　浩，杨晓霞，蔡　伟

(杭州市南排工程建设管理处，浙江 杭州　310019)



双排钢板桩围堰钢拉杆有限元分析

何勇，张浩，杨晓霞，蔡伟

(杭州市南排工程建设管理处，浙江 杭州310019)

摘要：通过建立双排钢板桩围堰体系弹塑性模型，采用UGNX7.5中的Nastran有限元分析模块对整体钢板桩的静态刚强度进行计算，得到围堰施工、正常使用、校核水位3种工况共8个组合下钢拉杆的应力、应变分布规律.该分析方法用于杭州三堡排涝工程进水口双排钢板桩围堰设计，双排钢板桩间距取值比较合理，结构较经济，使用中整体稳定性较好，有效发挥了钢板桩和钢拉杆的材料性能.

关键词：间距；应力应变；钢拉杆：双排钢板桩

双排钢板桩结构型式的临时围堰具有钢板桩工厂化生产，质量、材质、形态可信赖；能实行各种线型和形态；施工便捷，进度快；锁口止水性能好；易拆，可重复利用等特点，从而在国内外港口、交通、水利工程的基坑围护、围堰中广泛应用[1-3].国内外采用数值模拟计算对双排钢板桩受力特性、工作性状、结构特性研究较多[4-8]，主要模拟和分析了钢板桩各组件在施工加载过程中应力、应变等特性.钢拉杆是提升双排钢板桩整体性和稳定性的重要构件，目前专门针对双排钢板桩钢拉杆的计算和分析较少.本文通过建立双排钢板桩围堰体系弹塑性模型，采用有限元分析模块对整体钢板桩的静态刚强度进行计算，得到围堰各种工况下钢拉杆应力、应变的分布和变化情况，分析了钢板桩间距对钢拉杆的影响，得出钢拉杆在双排钢板桩中的一般特性，对双排钢板桩结构设计过程中钢拉杆和钢板桩间距的选择有参考意义.

1钢板桩围堰主要参数

杭州三堡排涝工程进水口临时围堰环境复杂，有保障通航安全、防撞、防冲刷、防渗等要求，采用了双排钢板桩结构，选用拉森IV型冷弯钢板桩[9].双排钢板桩围堰总长222.3 m，围堰顶高3.8 m，顶宽6 m，围堰内外侧钢板桩桩深15m，桩顶高3.5 m，桩底高-11.5 m，桩顶设围檩，对应两排桩之间采用钢拉杆，钢拉杆材质Q345、φ40 mm，钢拉杆间距1.6 m，双排钢板桩之间填砂质粉土，其断面(见图1).设计常水位1.5 m，校核水位3.31 m.

2钢拉杆有限元计算

2.1模型及网格

通过三维有限元计算中弹塑性模型解算水利工程应力、应变有较多应用[10-11]，由于钢拉杆主要受钢板桩应变影响，对钢板桩产生约束，钢板桩受承受土体、水体、车载荷等影响，故建立双排钢板桩围堰体系三维模型，采用UGNX7.5中的Nastran有限元分析模块，选用弹塑性本构模型中的德鲁克-普拉格模型(简称D-P模)解算，根据土体的基本物理性，得到主要受力土层中土体本构模型的参数取值，将这些参数作为初始值应用于该数值模拟.该结构由单元钢板桩、钢拉杆组件、砂质粉土及抛石层组成，由于材质各不相同，其三者之间的网格配对采用Interfaces(分界面)数据交换传送.双排钢板桩采用整体分析法，为简化计算，截取4对钢板桩进行研究，其三维模型(见图1).

各部件进行网格划分及材料参数取值(见表1、表2)，总单元大小为58 990个.

图1　断面图及三维模型

编号部件名称网格类型单元大小/mm单个数材料①双排钢板桩CHEXA81012440Q345B②砂质粉土CTETR84034528/③钢拉杆CHEXA853256Q345B④抛石CQUAD4258766/

表2　材料物理力学参数

2.2计算工况和边界条件

对双排钢板桩围堰施工、正常使用、校核水位下3个工况8个组合工作状态进行计算，各工况对应围堰工作状态，填土高程，内、外江水位，车载情况等(见表3).双排钢板桩边界条件：钢板桩自重和各工况下砂质粉土(含水)自重；钢板桩外侧水压力根据运河水加载；基坑内测根据施工工况水位加载；假定抛石层界面无滑移，给出固定约束；汽车荷载取后轴单轴20 t，考虑1.5安全系数，由后4个轮面平均分配，按照轮面尺寸均布荷载加载在拉杆位置，单轮面承载73.5 kN，不考虑行车动载影响.

表3　各工况计算状态组合

2.3有限元计算结果

为有针对性的比较分析，本文给出围堰施工阶段、正常使用阶段、校核水位阶段有代表性的钢拉杆和位移云图，分别是计算编号3、编号5编号7(见图2～图4)，给出了计算题编号5钢板桩应力和位移见图5，各工况计算数据汇总于表4.

表4　各工况钢拉杆应力和位移数据

图2　编号3拉杆应力和位移

图3　编号5拉杆应力和位移

图4　编号7拉杆应力和位移

图5　编号5双排钢板桩应力和位移

3钢拉杆应力应变分析

3.1钢拉杆受力情况分析

工况2和工况3时围堰已经投入使用，从双排钢板桩的应力和位移云图5可看出外侧钢板桩承受被动土压力，内侧钢板桩承受主动土压力，钢拉杆随着内外钢板桩的变形而产生应力和应变.各工况钢拉杆应力和位移表明，最大应力在两端调节螺栓端面部位，数值是质心应力的2.1～5.0倍不等，属于局部应力集中，且最大应力和水位差呈线性变化，不通时双排钢板桩范围内钢拉杆质心应力应变沿轴线分布较均匀.

3.2钢拉杆沿程分析

对工况三校核水位下不通车和通车时的钢拉杆沿其轴线方向建立坐标系，绘制出应力和位移曲线(见图6).发现钢拉杆两端应力受钢板桩应变影响线性增加，在套筒螺栓处应力突变明显；钢拉杆受到应力对车载荷敏感，不通车时其应力随着轴线的增加均匀一致，位移由内测向外侧线性降低，一旦通车，应力在不同部位沿轴线分布变化不一，且相同工况位移值有车载荷是无车载荷的15.3倍，最大应力集中在两端，最大应变值发生在钢拉杆的中间部位.

图6　编号8拉杆轴线应力和位移分布

3.3钢拉杆作用分析

为更直观的观测钢拉杆对钢板桩的影响，将计算编号5的钢拉杆完全取消，并对模型进行解算，其结果见图7，与图5相比，应力值和位移值明显正大，最大应力值由124.51增大到400.01 MPa，是原来的3.21倍，最大位移值由23.01增大到68.3 mm，是原来的2.97倍，从而表明钢拉杆作为刚性约束必不可少，其在一定程度上降低钢板桩的应力和位移.

4钢板桩间距对钢拉杆的影响

由于钢板桩的高度与运河汛期水位有关，同时上述整体模型有限元计算方法假定底面无滑移，使得其高度为定值，故可转而对钢板桩间距对钢拉杆应力影响分析.钢拉杆直径和间距不变，设钢板桩间距为1 m、2 m、4 m、6 m、8 m、10 m、15 m、20 m共8种工况在正常使用情况下(外江水位1.5 m，内江水位-3.2 m)分析钢板桩、钢拉杆的应力和位移，计算结果(见表5、图8).计算结果表明钢板桩间距0.7～1.5倍H(钢板桩高度)钢板桩的、钢拉杆的最大应力和位移值适中，能发挥钢板桩和钢拉杆的材料性能，结构较经济，对有车载荷要求的双排钢板桩间距建议选择大值.

图7　无钢拉杆双排钢板桩应力和位移云图

钢板桩距离/m内侧钢板桩最大应力/MPa外侧钢板桩最大应力/MPa钢板桩最大移位/cm钢拉杆最大应力/MPa钢拉杆最大移位/mm1209.4614.38.938564.714.5592164.6417.96.544389.433.2174113.4286.45.147244.772.144688.4164.94.357181.851.587880.1145.64.047164.921.1911071.9122.43.112132.700.6491563.893.41.387107.910.4252060.967.61.00473.480.347

图8　间距与钢板桩和钢拉杆应力应变关系曲线

5结论

(1)钢拉杆是提高双排钢板桩整体工作性能的重要构件，钢拉杆应力应变大小与内外水位差呈线性关系，受车载荷影响的双排钢板桩应力应变影响分析值得引起重视.

(2)计算结果表明钢板桩间距取0.7～1.5倍H(钢板桩高度)，钢板桩的、钢拉杆的最大应力和位移值适中，结构较经济.

(3)模型解算过程中发现外江流速使得外侧钢板桩表面压力减小，改变了钢板桩围堰变形程度和方向，对钢板桩钢拉杆有一定影响，值得我们进一步研究.

(4)该分析方法用于杭州三堡排涝工程进水口双排钢板桩围堰设计，双排钢板桩间距取值比较合理，结构较经济，使用中整体稳定性较好，有效发挥了钢板桩和钢拉杆的材料性能.

参考文献：

[1]刘树勋.日本钢板桩设计[J].港工技术通讯,1979(6):67-84.

[2]科技情报科.水利工程施工所用的两种钢板桩围堰[J].人民长江,1979(5):40-50.

[3]鲍林根.封闭钢板桩施工[J].建筑施工,1980(8):13-20.

[4]崔春义,黄建,孙占琦,等.不同水位下钢板桩围堰工作性状有限元分析[J].广西大学学报(自然科学版),2010,35(1):187-192.

[5]杨德健,王铁成,尹建峰.双排桩支护结构受力特征与土压力计算分析[J].建筑科学,2007,23(9):12-15.

[6]叶国良,肖大平.双排桩变形与应力分析[J].港口工程,1996(5):17-23.

[7]尹建峰,李卫平,张宗胜,等.双排桩支护结构受力特点与影响因素研究[J].天津城市建设学院学报,2007,13(2):100-103.

[8]江杰.船坞双排钢板桩围堰施工过程的数值模拟分析[J].水运工程,2011,461(12):144-147.

[9]何勇.大型泵站进水口双排钢板桩围堰设计和安全性分析[J].浙江水利科技,2014,42(6):50-55.

[10]邹冰,陈晓东,周建芬.ANSYS8.0在软基复杂水工结构分析中的应用[J].浙江水利水电专科学校学报,2003,15(4):36-39.

[11]尚祖峰，刘海禄，何钰龙,等.墙后填土对悬臂式挡土墙应力位移影响[J].浙江水利水电专科学校学报,2014,26(3):66-69.

Finite-element Analysis on Steel Tie Rod of Double-Row Steel Sheet Pile Cofferdam

HE Yong, ZHANG Hao, YANG Xiao-xia, CAI Wei

(Construction and Management Office of Southern Hangzhou, Hangzhou 310019, China)

Abstract:Elastic-plastic model of double-row steel sheet pile cofferdam system was established and Nastran finite-element analysis module of UGNX7.5 was adopted to calculate the static rigidity and intensity of the overall steel sheet pile, thus to obtain the stress and strain distribution rule of steel tie rod under 8 combined working conditions including cofferdam construction, normal use and check water level. During the construction phase of cofferdams, the stress of steel tie rods increased linearly along with increasing loading cubic meter of earth and vehicle load. Under normal use conditions, lateral steel sheet piles undertook passive earth pressure and increasing vehicle load, which further enhanced stress of steel tie rods; the stress of steel tie rods linearly increased when outer river water level rose. The check flood level with simultaneous loading of vehicle load was the most unfavorable condition for steel tie rods; the displacement value of steel tie rods with vehicle load was 15.3 times of that without vehicle load, as the middle part was yielded. Meanwhile, the influence of steel sheet pile spacing on steel tie rods was analyzed, as the stress of steel tie rods decreased along with increasing spacing. The optimum steel sheet pile spacing was approximately 1.0 time of the cofferdam height; however, when transport service was required, the steel sheet pile spacing should be enhanced.

Key words:spacing; stress-strain; steel tie rod; double-row steel sheet pile

收稿日期：2015-10-28

作者简介：何勇(1974-)，男，四川广元人,高级工程师，主要研究方向：泵站工程技术.

中图分类号：TU753.62

文献标志码：A

文章编号：1008-536X(2016)04-0058-06