HUI组合钢板支护桩的力学性能数值分析

摘" 要：HUI组合钢板支护桩结构通过创新性的截面设计，融合H型钢和钢板桩的优势，表现出良好的力学性能。该文先通过理论方法对其刚度进行计算，后利用有限元方法进行模拟和验证。通过有限元法得到的支护桩挠度曲线与理论计算结果高度吻合，验证计算模型的准确性。在此基础上，探讨组合钢板支护桩在4种工况条件下的应力、变形分布和荷载分配情况，可为组合钢板桩支护结构的设计和施工提供一定的理论依据。

关键词：HUI组合结构；钢板桩；应力；变形；有限元法

中图分类号：TU753.3" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2025）05-0083-04

Abstract： The HUI composite steel sheet pile structure， with its unique cross-sectional design， integrates the advantages of H-shaped steel and steel sheet piles， exhibiting excellent mechanical properties. In this paper， the stiffness of the support pile structure is evaluated through theoretical calculations， and simulated validation is carried out using finite element analysis technology. The simulation results show that the deflection of the support pile structure is highly consistent with the theoretical calculated values， verifying the accuracy of the finite element calculation model. Finally， the stress distribution， deformation distribution， and load distribution of the support pile under different working conditions are explored， providing a theoretical basis for the design and optimization of similar support structures.

Keywords： HUI composite structure; steel sheet pile; stress; deformation; finite element method

钢板桩广泛用于基坑支护和围堰中，然而受到截面模量小的制约，难以用于大型深基坑或变形控制严格的基坑。为克服其无法单独承担较大荷载的不足，科技工作者将钢板桩与其他抗弯刚度较高的钢构件组合使用形成的支护结构，既保留了钢板桩挡土止水优势，又发挥了其他钢构件的强抗弯能力[1-4]。组合钢板桩支护结构通常为传统钢板桩、H型钢或钢管桩等互相组合的形式[5]。

HUI组合钢板支护桩是一种U型钢板桩与H型钢交叉组合布置的新型组合钢板桩，它通过H型钢翼缘上独特的双向锁扣设计，能够在2个相邻H型钢之间灵活地连接数量不等的U型钢板桩，形成了多种截面型式，如2片（或3片）U型钢板桩与1根H型钢间隔布置等，甚至可以将这些形式混合使用。由于其截面形状不规则，其抗弯刚度的计算还缺少依据，本文通过理论分析和有限元方法分析了其力学性能，可为组合钢板桩的推广应用提供参考。

1" 组合钢板支护桩截面

研究对象的截面形式如图1所示，由2根相邻的H型钢通过2根U型钢板桩进行连接。型钢下翼缘的端部焊接了与U型钢板桩匹配的扣件，使得两者紧密连接在一起来共同抵抗水土压力。H型钢的型号为HN700 mm×300 mm×24 mm×13 mm，U型钢板桩采用SP-IV型拉森钢板桩，截面尺寸为400 mm×170 mm×15.5 mm。

1.1" 组合钢板桩的中和轴

2" 有限元计算

如图3所示的计算模型为3个单元的HUI组合钢板桩，H型钢和U型钢板桩均为实体单元，节点数为66 430个，单元数为48 600个。模型边界条件为一端固定约束，另一端为自由端，且在上表面施加20 kN/m2的均布面荷载。

3" 有限元参数分析

分为4种工况进行参数分析：组合钢板桩顶部无支撑（工况①）、H型钢顶部有支撑（工况②）、上部U型钢板桩顶部有支撑（工况③）和下部U型钢板桩有支撑（工况④）。为更贴近实际工程的侧向土压力分布，将均布荷载改为三角形荷载，臂端处荷载为0 kN/m2，固定端边界处为20 kN/m2。

3.1" 应力分布

工况①条件下组合桩的最大应力值为307.0 MPa，另外3种工况下的应力水平都明显较低。图5给出了4种工况下3个构件的应力分布情况。工况①中H型钢和U型钢板桩的应力分布均呈现出明显的抛物线形状，桩顶的应力较小，随着桩身向下，应力逐渐增大。在其他3种工况下，H型钢与上部U型钢板桩的应力分布则表现为横向S型曲线，在桩身底部约1/4长度范围内的应力值随着深度的增加而增大，而在桩身上部约3/4长度范围内的应力分布则更接近于简支梁的应力分布特征；而对下部U型钢板桩而言，其沿桩长的应力变化不太明显，其应力大小均低于H型钢和上部U型钢板桩。

3.2" 水平位移分布

工况①的最大位移为53.43 mm，明显大于另外3种工况，说明在桩顶设置支撑能有效减小钢板桩的位移。图6给出了4种工况下3个构件的水平位移分布情况。工况①下H型钢和2根U型钢板桩的位移十分接近，意味着受力中的组合钢板桩整体性能良好。有利于共同承受外部荷载作用。在其他3种工况下，虽然H型钢和U型钢板桩的位移趋势整体相似，但出现了少量的变形不一致现象，应是由于端部支撑位置发生了差异所致，这在工程实践中值得注意。

3.3" 荷载分配

4" 结论

1）由组合钢板桩的截面惯性矩和抗弯刚度计算公式，得出HUI组合钢板桩的抗弯刚度约为6.89×105 kN·m2。

2）在20 kN/m2均布面荷载作用下，有限元计算得出的组合钢板桩最大挠度值为19.83 mm，与理论计算的最大挠度值19.76 mm非常接近，验证了计算模型的可靠性。

3）在组合钢板桩桩顶设置支撑可以显著减小桩身的应力和位移，能够提高支护结构的整体稳定性和安全性。

4）组合钢板支护桩中，各构件承担的荷载大小与其刚度成正比。H型钢的刚度大，其承受的外荷载也越大，是整个组合结构中的主要承载部分。

参考文献：

[1] 沈智彬，孙树青.管板组合桩结构码头施工工艺与位移沉降分析[J].珠江水运，2024（1）：89-92.

[2] 吴芳，朱晴汉.“H+Hat组合钢板桩”支护力学性能研究及应用[J].水利规划与设计，2023（11）：119-123.

[3] 徐大振，吴强.特殊地质深基坑组合桩钢围堰施工技术研究[J].交通世界，2023（25）：74-176.

[4] 付甦，曾健，杨苏海，等.装配式深水组合钢板桩围堰设计[J].中外公路，2023，43（4）：165-169.

[5] 李雪峰.基于钢管与钢板桩组合支护结构（PUC）的深基坑支护数值模拟及其应用研究[D].马鞍山：安徽工业大学，2019.