淺析鋼管與鋼板樁支護結(jié)構(gòu)有限元范文
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摘要:鋼管與鋼板樁組合支護結(jié)構(gòu)(PUC)作為一種新型組合支護結(jié)構(gòu)，理論較少，為了突出它相較于傳統(tǒng)鋼板樁和鋼管樁的優(yōu)點，采用ABAQUS有限元軟件對三種支護結(jié)構(gòu)進行建模分析，結(jié)果顯示:PUC支護結(jié)構(gòu)承載能力較單一鋼板樁結(jié)構(gòu)有很大的提升，且并沒有低于鋼管很多。
關(guān)鍵詞:PUC;鋼板樁;鋼管樁;數(shù)值分析
前言
鋼管與鋼板樁組合支護結(jié)構(gòu)(PUC)是基坑支護工程中較為新穎的一種組合支護結(jié)構(gòu)，是將鋼管與鋼板樁進行交叉組合使用，如圖1所示。鋼板樁由于自身剛度較小，作為支護結(jié)構(gòu)使用時常變形較大，對基坑挖深較深，周邊環(huán)境較復雜的項目不宜采用，通過鋼板樁與其他形式的鋼材構(gòu)件進行組合，可以提高組合體的剛度，進而拓寬鋼板樁的應用范圍，目前國內(nèi)已有這方面的嘗試［1－5］。鋼管樁支護結(jié)構(gòu)是將抗彎剛度大的鋼管采用鎖口連接而形成的排樁結(jié)構(gòu)，對于樁側(cè)土的約束效果不錯，但是無法限制樁間土中水的流失。鋼管與鋼板樁組合支護結(jié)構(gòu)采用鋼管與鋼板樁進行組合，同時具備了兩者的優(yōu)點，并彌補了兩者的不足。近年來，不少基坑開挖工程中已經(jīng)采用了這種支護結(jié)構(gòu)，但是理論研究不足，嚴重滯后于工程實例。因此，本文將采用ABAQUS有限元軟件對PUC組合支護結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)鋼板樁、傳統(tǒng)鋼管樁進行數(shù)值模擬對比分析。
1數(shù)值分析模型
(見圖2)為了排除其他因素的影響，鋼板樁、鋼管樁支護結(jié)構(gòu)、PUC組合支護結(jié)構(gòu)模擬模型的荷載、邊界等條件一致，樁長均為12000mm，兩端約束水平和豎直位移。其中，鋼板樁模擬采用的鋼板樁型號為FSP－IV，鋼管樁模擬采用的是外徑426mm、厚度為10mm的鋼管，而PUC組合支護結(jié)構(gòu)采用上述型號的鋼板樁和鋼管進行組合，并采用圖2(a)所示的組合形式。荷載采用三角形形式，主要考慮到在實際工程中支護結(jié)構(gòu)承受的荷載主要來源于土壓力，而土壓力在分布形式上近似于三角形，這樣更接近實際工況。
2結(jié)果分析
圖3為三種支護結(jié)構(gòu)在荷載為1000kN/m2作用下沿樁身的位移云圖。從圖3中可以看出，鋼管樁支護結(jié)構(gòu)的最大位移為20.5mm，鋼板樁最大位移為88.77mm，組合支護結(jié)構(gòu)最大位移為32.80mm，且三種支護結(jié)構(gòu)的最大位移出現(xiàn)位置一樣，都是在接近中間部位。圖4是取鋼板樁中的鋼板、鋼管樁中的鋼管、組合支護結(jié)構(gòu)中的鋼管和鋼板在荷載為1000kN/m2時沿樁身位移應力曲線圖。從曲線圖可以看出，在不同荷載作用下PUC組合支護結(jié)構(gòu)的鋼管與鋼板樁的位移曲線幾乎是重疊在一起的，說明兩者位移基本相同。其中，在荷載為1000kN/m2時、組合支護結(jié)構(gòu)中的鋼板與鋼管最大位移為32.8mm，相較于鋼板樁支護結(jié)構(gòu)位移減少了55.97mm，相較于鋼管樁支護結(jié)構(gòu)增加了12.3mm。以此可以看出，組合支護結(jié)構(gòu)較鋼板樁支護結(jié)構(gòu)在位移約束方面由較大的提升上，這是因為鋼管的剛度遠大于鋼板，鋼管的加入使得PUC組合支護結(jié)構(gòu)的剛度遠大于鋼板樁支護結(jié)構(gòu);而相對于鋼管樁支護結(jié)構(gòu)，雖然PUC組合支護結(jié)構(gòu)的位移要大于鋼管樁，但是兩者相差并不大。
3結(jié)論
1)相較于單一鋼板樁結(jié)構(gòu)，PUC組合支護結(jié)構(gòu)的承載能力更高，應對基坑變形能力更好，在較深、較復雜的基坑中應用更具有優(yōu)勢。2)PUC組合支護結(jié)構(gòu)比鋼管樁更節(jié)省材料，更具有經(jīng)濟性，且鋼管樁不具有止水效果，而PUC由于鋼板樁的存在具有一定的止水能力。3)將PUC支護結(jié)構(gòu)應用于基坑工程中比傳統(tǒng)鋼板樁、鋼管樁更具有優(yōu)勢，其前景十分廣闊。
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作者：李雪峰 余振錫 王鵬 單位：安徽工業(yè)大學建筑工程學院