賈江坤 王希瑞

摘要：為確保鋼板樁圍堰施工過程中各構(gòu)件良好的力學(xué)性能，文章基于敏感性分析原理，采用Midas Civil軟件建立鋼板樁圍堰有限元模型并針對三個敏感性參數(shù)進行力學(xué)分析，結(jié)合關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)力位移變形變化曲線，多角度探明各參數(shù)與構(gòu)件之間的變化規(guī)律。結(jié)果表明：內(nèi)支撐空間布置數(shù)量和鋼板樁內(nèi)壁厚度對鋼板樁圍堰各構(gòu)件敏感性指數(shù)最大達到0.89，而封底混凝土厚度對圍堰結(jié)構(gòu)的最大敏感性指數(shù)僅為0.07，因此內(nèi)支撐空間布置數(shù)量和鋼板樁內(nèi)壁厚度為鋼板樁圍堰力學(xué)性能最主要的敏感性參數(shù)，可為類似圍堰設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼板樁;圍堰;敏感性分析;模型參數(shù);力學(xué)分析

0 引言

近些年來，隨著我國經(jīng)濟建設(shè)越來越繁榮，社會生產(chǎn)力得到了極大的提高，對于交通建設(shè)的要求也越來越嚴(yán)格。在此期間出現(xiàn)了一大批跨大江大河的橋梁工程，施工過程中所遇到的困難不斷增多，例如施工工期緊、水文條件復(fù)雜、河床沖刷大、地質(zhì)條件復(fù)雜、施工干擾大等，給橋梁承臺基礎(chǔ)施工帶來了很大的難度，而鋼板樁圍堰的廣泛應(yīng)用解決了這些困難[1]。但目前鋼板樁圍堰的設(shè)計存在一定的缺陷，作為臨時支護結(jié)構(gòu)，設(shè)計人員通常只對每個構(gòu)件單獨進行受力分析，然后簡單地組合成鋼板樁圍堰整體計算結(jié)果，從而忽視了圍堰結(jié)構(gòu)的整體受力[2-3]。同時，目前鮮有針對鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性的分析研究，難以有針對性地優(yōu)化鋼板樁圍堰設(shè)計[4]?？紤]到這些問題將導(dǎo)致施工過程中出現(xiàn)空間嚴(yán)重不足、材料嚴(yán)重浪費的情況，因此有必要對鋼板圍堰結(jié)構(gòu)進行敏感性分析[5-6]。本文擬以某鋼板樁圍堰為研究對象，基于敏感性分析原理對3個敏感性參數(shù)進行力學(xué)分析，得到敏感性最高的參數(shù)，研究成果可為類似鋼板樁圍堰設(shè)計提供一定的參考。

1 參數(shù)敏感性分析原理

參數(shù)敏感性分析是一種從定量分析的角度研究有關(guān)因素發(fā)生某種變化對一個關(guān)鍵指標(biāo)或一組關(guān)鍵指標(biāo)影響程度的不確定分析技術(shù)。從本質(zhì)上講，就是通過逐一改變相關(guān)變量的取值來解釋關(guān)鍵指標(biāo)大小受這些因素變化影響的規(guī)律。局部敏感性分析因其分析原理簡單、實際可操作性強等優(yōu)點，是參數(shù)敏感性分析中使用最多的方法，主要用于細化模型參數(shù)對其關(guān)鍵指標(biāo)輸出結(jié)果的影響程度的研究。[=XQS（]鋼板樁圍堰參數(shù)敏感性分析/賈江坤，王希瑞[=JP2] 本文主要采用局部敏感性分析方法針對鋼板樁圍堰各參數(shù)敏感性進行分析，通過改變一定區(qū)域內(nèi)的模型參數(shù)值，分析輸出結(jié)果的變化。所采用的數(shù)學(xué)模型基本公式為：

Ii=ΔOΔFi×FiO（1）

式中：I——參數(shù)敏感性指數(shù);

O——模型模擬輸出結(jié)果;

F——影響O的因子（參數(shù)）。

參數(shù)敏感性指數(shù)分類標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

本文針對目前鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷的現(xiàn)象對其進行參數(shù)敏感性分析，在鋼板樁圍堰構(gòu)造中選取敏感性參數(shù)。本文選擇的三個參數(shù)有內(nèi)支撐空間布置數(shù)量、鋼板樁截面厚度、封底混凝土厚度等。將模型參數(shù)內(nèi)支撐空間布置數(shù)量變化幅度設(shè)為33.3%，鋼板樁截面厚度變化幅度也設(shè)為33.3%，封底混凝土厚度上下波動25%。

2 工程概況

某跨河大橋基礎(chǔ)承臺施工采用鋼板樁圍堰施工，水中墩由12根樁及承臺構(gòu)成，承臺采用整體式結(jié)構(gòu)，圍堰尺寸設(shè)計為28.8 m（橫橋向）×10.4 m（順橋向）。鋼板樁圍堰內(nèi)支撐圍檁選取雙拼HN500×200型鋼以及雙拼HN700×300型鋼，橫、斜撐選取630 mm×10 mm鋼管。水下封底混凝土選用C20水下混凝土，設(shè)計厚度為1.5 m。承臺底面標(biāo)高為+1 197.25 m，洪水期最高水位為+1 206.99 m，枯水期最高水位為+1 203.99 m，最大水深約5 m，水位變化幅度為2 m左右。鋼板樁圍堰詳細布置圖如圖1和圖2所示。

3 各參數(shù)敏感性分析

3.1 內(nèi)支撐空間布置數(shù)量

鋼板樁圍堰中的內(nèi)支撐是維系鋼板樁四面受力的結(jié)構(gòu)之一，對鋼板樁圍堰的整體穩(wěn)定性起著重要作用。它是鋼板樁圍堰的重要組成部分之一。內(nèi)支撐所承受的軸向力直接來自于鋼板樁內(nèi)壁傳遞的荷載，它是鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)中承受最大集中荷載的部件。由于其結(jié)構(gòu)特點，內(nèi)支撐受力小、變形小，能保持整個圍堰結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，因此是作為鋼板樁圍堰最重要的組成部分之一，應(yīng)對其空間布置數(shù)量進行參數(shù)敏感性分析。

內(nèi)支撐的力學(xué)性能參數(shù)主要包括材料空間間距和空間布置數(shù)量。本文選擇空間布置數(shù)量作為敏感性參數(shù)分析。原有的內(nèi)支撐布置數(shù)量為3道，通過在原有布置數(shù)量基礎(chǔ)上變化±33.3%，將內(nèi)支撐空間布置數(shù)量設(shè)置為2道、3道、4道、5道，采用控制變量法，其他參數(shù)不變，僅改變內(nèi)支撐空間布置數(shù)量。不同內(nèi)支撐空間布置數(shù)量的應(yīng)力、位移變形數(shù)值如表2所示。

從表2可以看出，隨著內(nèi)支撐空間布置數(shù)量的變小，鋼板樁圍堰各構(gòu)件的最大應(yīng)力和位移變形變大。當(dāng)布置2道內(nèi)支撐時，此時鋼板樁的最大應(yīng)力為213.11 MPa，最大位移變形為24.23 mm;內(nèi)支撐的最大應(yīng)力為189.32 MPa，最大位移變形為11.32 mm。根據(jù)規(guī)范可知，鋼板樁和內(nèi)支撐的應(yīng)力設(shè)計限值為215 MPa，位移變形的設(shè)計限值分別為29.5 mm和12.75 mm。因此，為保證施工安全，至少要布置3道內(nèi)支撐。

將表2數(shù)值代入式（1），得到鋼板樁圍堰在改變內(nèi)支撐布置數(shù)量時的應(yīng)力、位移變形敏感性指標(biāo)如表3所示。

根據(jù)表3可知，鋼板樁圍堰各構(gòu)件的應(yīng)力、位移變形對內(nèi)部支撐空間數(shù)量的變化比較敏感。內(nèi)支撐空間布置數(shù)量是鋼板樁圍堰力學(xué)性能最重要的敏感參數(shù)，它能更好地反映鋼板樁的情況。為探明圍堰結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移變形隨內(nèi)支撐空間布置數(shù)量的變化規(guī)律，得到不同內(nèi)部支撐數(shù)量下各構(gòu)件的應(yīng)力位移變形情況如圖3和圖4所示。

從圖3和圖4可以看出，整體鋼板樁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移變形隨著內(nèi)支撐數(shù)量的增加而減小。鋼板樁的應(yīng)力隨著內(nèi)支撐數(shù)量的增加而迅速減小，因為內(nèi)支撐相當(dāng)于圍堰結(jié)構(gòu)中的支撐，鋼板樁構(gòu)件相當(dāng)于支撐上面的連續(xù)梁。支座越多，梁的凈跨度越小，梁的峰值應(yīng)力也越小。因此，鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)的各個構(gòu)件的應(yīng)力可以通過增加內(nèi)部支撐位的數(shù)量來得到更好的改善。

3.2 鋼板樁內(nèi)壁厚度

鋼板樁作為圍堰的主要構(gòu)件，其內(nèi)壁截面厚度不同，也會導(dǎo)致其力學(xué)性能有所差別。鋼板樁的內(nèi)壁厚度是影響圍堰整體剛度的主要因素，鋼板樁的內(nèi)壁厚度增加，圍堰的整體剛度也隨之增強，此時鋼板樁圍堰的整體受力分布在構(gòu)件之間發(fā)生變化，由此應(yīng)對鋼板樁內(nèi)壁厚度進行參數(shù)敏感性分析。

影響鋼板樁的力學(xué)性能參數(shù)主要分為兩種形式：材料特性和截面厚度。本文選擇鋼板樁內(nèi)壁厚度作為敏感性參數(shù)分析。原有的鋼板樁內(nèi)壁厚度為15 mm，通過在原有鋼板樁內(nèi)壁厚度基礎(chǔ)上變化±33.3%，設(shè)定為10 mm、15 mm、20 mm、25 mm，通過控制變量法僅改變鋼板樁厚度，而其他參數(shù)保持不變，分別建立不同鋼板樁厚度的有限元模型，通過有限元分析得到的鋼板樁圍堰各構(gòu)件的應(yīng)力、位移變形情況如表4所示。

從表4可知，隨著鋼板樁厚度增加，各構(gòu)件的應(yīng)力以及位移變形都在降低，鋼板樁應(yīng)力在厚度為20 mm時為最低，而厚度為10 mm時鋼板樁和內(nèi)支撐應(yīng)力位移變形均最大，鋼板樁和內(nèi)支撐最大應(yīng)力分別為182.32 MPa和152.42 MPa，最大位移變形分別為21.32 mm和11.46 mm。雖然沒有達到設(shè)計限值，為保證鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)安全，故設(shè)計時鋼板樁厚度宜≥10 mm。將表4數(shù)值代入式（1）得到改變鋼板樁內(nèi)壁厚度時的應(yīng)力、位移變形敏感性指數(shù)如表5所示。

依據(jù)表5所得，鋼板樁圍堰各構(gòu)件應(yīng)力位移變形對鋼板樁厚度變化均敏感，鋼板樁厚度為鋼板樁圍堰力學(xué)性能主要的敏感性參數(shù)之一。鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)應(yīng)力位移變形隨鋼板樁厚度的變化規(guī)律如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可知，鋼板樁圍堰各構(gòu)件的應(yīng)力位移變形隨鋼板樁厚度減小而增大，板厚為10 mm時應(yīng)力和位移變形最大。隨著鋼板樁厚度的增加，鋼板樁圍堰整體剛度得到很大的提升，因此在相同荷載作用下鋼板樁和內(nèi)支撐的應(yīng)力值明顯降低。所以，可通過加大鋼板樁厚度來改善鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的應(yīng)力和位移變形。

3.3 封底混凝土厚度

封底混凝土作為圍堰中起到防水滲漏作用的重要構(gòu)件之一，對鋼板樁圍堰整體穩(wěn)定性起到了至關(guān)重要的作用，其抵抗水頭差在圍堰區(qū)域的浮拖力，方可進行承臺施工。通常情況下封底混凝土厚度越大，對于鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定性及封底混凝土強度越有利，所以作為鋼板樁圍堰重要的構(gòu)件之一，現(xiàn)對封底混凝土進行參數(shù)敏感性分析。

影響封底混凝土的力學(xué)性能參數(shù)主要分為材料特性和厚度兩種形式，本文選取厚度這個參數(shù)進行研究。原封底混凝土厚度為2.0 m，依據(jù)在原間距基礎(chǔ)上變化25%，現(xiàn)設(shè)置厚度為1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m，通過控制變量法僅改變封底混凝土厚度，而其他參數(shù)保持不變，分別建立不同封底混凝土厚度的有限元模型，分析得到的鋼板樁圍堰各構(gòu)件的應(yīng)力、位移變形情況如表6所示。

依表6可知，隨著封底混凝土厚度的增大，鋼板樁和內(nèi)支撐的應(yīng)力位移變形均有所減小，但變化幅度較小。封底混凝土厚度為1.5 m時，此時鋼板樁最大應(yīng)力為129.34 MPa，最大位移為16.14 mm;內(nèi)支撐最大應(yīng)力為131.24 MPa，最大位移為9.01 mm，均滿足規(guī)范設(shè)計限值。

將表6數(shù)值代入式（1），得到改變封底混凝土厚度時鋼板樁圍堰應(yīng)力位移變形敏感性指數(shù)如表7所示。

根據(jù)表7所知，鋼板樁力學(xué)性能對封底混凝土厚度變化不敏感，同時內(nèi)支撐力學(xué)性能對封底混凝土厚度變化只有一般敏感，因此封底混凝土厚度對鋼板樁和內(nèi)支撐力學(xué)性能改善不明顯。

4 結(jié)語

本文基于敏感性分析原理，采用Midas Civil軟件建立鋼板樁圍堰有限元模型并針對三個敏感性最高的參數(shù)進行力學(xué)分析，探明各參數(shù)與構(gòu)件之間的變化規(guī)律，得到如下結(jié)論：

（1）鋼板樁圍堰各構(gòu)件應(yīng)力位移變形對內(nèi)支撐空間布置數(shù)量和鋼板樁內(nèi)壁厚度變化敏感，其敏感性指數(shù)最大達到0.89。內(nèi)支撐空間布置數(shù)量和鋼板樁內(nèi)壁厚度為鋼板樁圍堰力學(xué)性能最主要敏感性參數(shù)。

（2）封底混凝土厚度變化對鋼板樁圍堰各構(gòu)件力學(xué)變化較小，其敏感性指數(shù)最大僅為0.07。鋼板樁和內(nèi)支撐的力學(xué)性能對封底混凝土厚度變化不敏感，因此封底混凝土厚度對鋼板樁和內(nèi)支撐力學(xué)性能改善不明顯。

（3）在圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，通過調(diào)整鋼板樁內(nèi)壁厚度和內(nèi)支撐空間布置數(shù)量兩個參數(shù)，可以有效地改善鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。

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