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浅析钢管与钢板桩支护结构有限元

2019/11/15 阅读:

摘要:钢管与钢板桩组合支护结构(PUC)作为一种新型组合支护结构,理论较少,为了突出它相较于传统钢板桩和钢管桩的优点,采用ABAQUS有限元软件对三种支护结构进行建模分析,结果显示:PUC支护结构承载能力较单一钢板桩结构有很大的提升,且并没有低于钢管很多。

关键词:PUC;钢板桩;钢管桩;数值分析

前言

钢管与钢板桩组合支护结构(PUC)是基坑支护工程中较为新颖的一种组合支护结构,是将钢管与钢板桩进行交叉组合使用,如图1所示。钢板桩由于自身刚度较小,作为支护结构使用时常变形较大,对基坑挖深较深,周边环境较复杂的项目不宜采用,通过钢板桩与其他形式的钢材构件进行组合,可以提高组合体的刚度,进而拓宽钢板桩的应用范围,目前国内已有这方面的尝试[1-5]。钢管桩支护结构是将抗弯刚度大的钢管采用锁口连接而形成的排桩结构,对于桩侧土的约束效果不错,但是无法限制桩间土中水的流失。钢管与钢板桩组合支护结构采用钢管与钢板桩进行组合,同时具备了两者的优点,并弥补了两者的不足。近年来,不少基坑开挖工程中已经采用了这种支护结构,但是理论研究不足,严重滞后于工程实例。因此,本文将采用ABAQUS有限元软件对PUC组合支护结构与传统钢板桩、传统钢管桩进行数值模拟对比分析。

1数值分析模型

(见图2)为了排除其他因素的影响,钢板桩、钢管桩支护结构、PUC组合支护结构模拟模型的荷载、边界等条件一致,桩长均为12000mm,两端约束水平和竖直位移。其中,钢板桩模拟采用的钢板桩型号为FSP-IV,钢管桩模拟采用的是外径426mm、厚度为10mm的钢管,而PUC组合支护结构采用上述型号的钢板桩和钢管进行组合,并采用图2(a)所示的组合形式。荷载采用三角形形式,主要考虑到在实际工程中支护结构承受的荷载主要来源于土压力,而土压力在分布形式上近似于三角形,这样更接近实际工况。

2结果分析

图3为三种支护结构在荷载为1000kN/m2作用下沿桩身的位移云图。从图3中可以看出,钢管桩支护结构的最大位移为20.5mm,钢板桩最大位移为88.77mm,组合支护结构最大位移为32.80mm,且三种支护结构的最大位移出现位置一样,都是在接近中间部位。图4是取钢板桩中的钢板、钢管桩中的钢管、组合支护结构中的钢管和钢板在荷载为1000kN/m2时沿桩身位移应力曲线图。从曲线图可以看出,在不同荷载作用下PUC组合支护结构的钢管与钢板桩的位移曲线几乎是重叠在一起的,说明两者位移基本相同。其中,在荷载为1000kN/m2时、组合支护结构中的钢板与钢管最大位移为32.8mm,相较于钢板桩支护结构位移减少了55.97mm,相较于钢管桩支护结构增加了12.3mm。以此可以看出,组合支护结构较钢板桩支护结构在位移约束方面由较大的提升上,这是因为钢管的刚度远大于钢板,钢管的加入使得PUC组合支护结构的刚度远大于钢板桩支护结构;而相对于钢管桩支护结构,虽然PUC组合支护结构的位移要大于钢管桩,但是两者相差并不大。

3结论

1)相较于单一钢板桩结构,PUC组合支护结构的承载能力更高,应对基坑变形能力更好,在较深、较复杂的基坑中应用更具有优势。2)PUC组合支护结构比钢管桩更节省材料,更具有经济性,且钢管桩不具有止水效果,而PUC由于钢板桩的存在具有一定的止水能力。3)将PUC支护结构应用于基坑工程中比传统钢板桩、钢管桩更具有优势,其前景十分广阔。

参考文献:

[1]何雪松,王建兰,李仁民,等.组合钢板桩在软土基坑支护中的应用[J].山西建筑,2015,41(29):72-73.

[2]汤永根.CAZ组合钢板桩的沉桩施工[J].建筑施工,2002,24(1):10-13.

[3]王定武.HZ/AZ组合钢板桩施工技术[J].水运工程,2011,36(12):167-170.

[4]赵海丰.H+Hat组合钢板桩在基坑工程中的适用性研究[J].人民长江,2012,58(10):27-31.

[5]马玉臣.大型组合钢板桩振动下沉桩施工工艺及应用[J].中国水运,2008,30(7):74-75.

作者:李雪峰 余振锡 王鹏 单位:安徽工业大学建筑工程学院

浅析钢管与钢板桩支护结构有限元

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