加勁拱肋對改善冷彎鋼板樁局部屈曲性能的探究

劉春陽　張淑華　陳光明　孫興毅

(河海大學港口海岸與近海工程學院　南京　210098)

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加勁拱肋對改善冷彎鋼板樁局部屈曲性能的探究

劉春陽張淑華陳光明孫興毅

(河海大學港口海岸與近海工程學院南京210098)

摘要：冷彎薄壁型鋼與熱軋型鋼相比，具有許多優越之處，正日益廣泛地應用于工程結構之中.由于冷彎鋼板樁具有薄板壁、大截面的形狀，在向地面打樁等情況下受到軸向壓力可能會導致局部的屈曲變形.因此，對冷彎鋼板樁進行截面優化，提高屈曲強度很有必要.文中對現階段采取加勁拱肋的方案進行分析，經過ANSYS軟件進行有限元模擬，發現這一方案可以有效的改善結構受力，提高抗屈曲能力，說明加勁拱肋值得在鋼板樁結構中進行推廣.

關鍵詞：冷彎鋼板樁；加勁拱肋；局部屈曲

劉春陽(1991- )：男，碩士生，主要研究領域為港航工程結構

0引言

鋼板樁工法以前在我國主要應用于橋梁建設的臨時圍堰和基礎工程的臨時擋土等臨時性的工程.但現在，鋼板樁不僅應用于臨時結構中，也廣泛適用于橋梁結構[1-2]、護岸、碼頭靠岸、擋土墻等各種各樣的永久性結構中.

鋼板樁產品根據其制造方法不同可以分為熱軋鋼板樁和冷彎鋼板樁.傳統市場上鋼板樁工法的主角是熱軋鋼板樁，但是后來由于工程結構需要具有更高經濟性的產品，具有輕量、品種豐富、生產效率高等特點的冷彎鋼板樁逐漸得到了廣泛的運用.

冷彎薄壁型鋼構件是由鋼片、鋼帶或鋼板通過冷加工成型，可以采用輥式冷彎成型或由折彎機折彎成型[3-4].它具有以下的優點：(1)鋼材材質強度大，品質安定；(2)與熱軋鋼板樁相比，質量較輕，有較好的經濟效益；(3)與熱軋鋼板樁相比，品種豐富，可以選擇最為合適的設計方案.

雖然冷彎鋼板樁有著優良的性能，但正是由于其具有薄板壁、大截面的截面形狀，在打樁等情況下，結構受到軸向壓力可能會導致局部的屈曲變形.局部屈曲受各鋼板部分的板寬、板厚，以及截面形狀的影響，在現有的應對方案中，采取加勁拱肋是一種簡單有效的辦法，不過該方案的具體效果在相關規范中并未提及.

文中就鋼板樁腹板采取加勁拱肋對提高結構抗屈曲能力的效果進行了探討，對比有無加勁拱肋下結構的屈曲特性，得出了相關結論，希望為實際工程提供參考.

1結構選型及局部屈曲介紹

鋼板樁有多種截面形式，其中U型鋼板樁是比較有代表性的品種，該結構有以下優點.

1) U型鋼板樁規格型號豐富.

2) 根據歐標設計生產，結構形式對稱，有利于重復使用，在重復使用上與熱軋等同.

3) 由于生產便捷，與組合樁配套使用時候可在出廠前預先訂制.

4) 生產設計及生產周期短，鋼板樁性能可根據客戶要求而定.

由于具備以上優點，U型鋼板樁受到廣泛的應用，有較大的研究意義，文中以其為例進行加勁拱肋對屈曲的影響分析，結構設置加勁拱肋前后的截面見圖1.

圖1　截面示意圖

局部屈曲是指在壓力作用下只發生板件的彎曲，并且各相鄰板件之間棱線保持挺直，不會發生橫向變形，屈曲發生后構件截面輪廓形狀與屈曲前保持一致[5].板件的局部屈曲在澳大利亞規范(AS/NZS4600)[6]中的定義為：變形僅包含板件的彎曲，而各相鄰板件的交線不發生橫向變形的屈曲模式.由于鋼板樁腹板的高厚比較大，局部屈曲通常首先在腹板發生.鋼板樁局部屈曲示意圖見圖2.

圖2　局部屈曲示意圖

2分析模型

2.1有限元模型

文中建立有限元模型，分析單片鋼板樁在軸向受力下，在有無加勁拱肋兩種情況下的局部屈曲情況.鋼板樁有限元模型采取shell63單元，鋼材彈性模量E=210 GPa，屈服強度值為σy=345 MPa，泊松比為0.3.

鋼板樁約束及加載示意圖見圖3(X-Y平面視圖).兩側邊分別約束Y，Z方向位移，上邊約束X，Z方向位移及繞X，Y軸的轉角，下邊約束X，Y，Z方向位移及繞X，Y軸的轉角.鋼板樁上邊施加等值均布荷載.

圖3　約束及加載示意圖

2.2屈曲分析過程

屈曲分析一般分為特征值屈曲分析和非線性屈曲分析2個過程.

首先要進行特征值屈曲分析，也就是彈性穩定分析，求出臨界屈曲荷載值.具體在ANSYS中的操作是在模型上邊施加均布荷載，設置分析類型，求出屈曲荷載系數，將該系數乘以所施加的荷載，結果就是臨界屈曲荷載.

其次進行非線性分析，非線性穩定性分析是在非線性靜力分析理論基礎上，對結構施加逐級增大的荷載直到結構失穩破壞，然后再對結構發生失穩時的臨界荷載進行分析[7].弧長法是ANSYS軟件中進行非線性分析的有效方法，該方法也是非線性分析的一種主流方法，尤其在非線性屈曲極值點附近的分析方面優勢明顯.弧長法前提是存在一個真實的平衡路徑位移增量空間，然后將由弧長所控制的荷載增量按自動加載方案逐級加載，加載時應注意沿著平衡路徑迭代位移增量的大小和方向加載，從而可以搜索到滿足平衡方程的平衡路徑[8].具體在ANSYS中的操作是將特征值屈曲分析計算得到的屈曲荷載施加到結構上，打開大變形，設置時間和步長，計算輸出位移最大節點的荷載-位移曲線.

文中先進行特征值屈曲分析，再進行非線性屈曲分析.繪制出各種情況下，整個結構的位移最大節點的荷載位移曲線，由曲線得出真實的屈曲荷載，并總結相關規律.

3算例計算

3.1尺寸參數

鋼板樁截面尺寸參數見圖4.相關尺寸如下：腹板寬為b，整體板寬為B，腹板高為h.有拱肋結構中，由于加勁拱肋為弧形，與無拱肋相比，多了弧線段寬度b′，以及高度h′兩個尺寸參數.

找相關鋼板樁型號，選取截面尺寸參數為：b=300 mm，B=600 mm，h=200 mm，b′=50 mm，h′=20 mm.記該截面為截面a，板厚取為10 mm，板長取為1 000 mm.

圖4　截面參數示意圖

3.2特征值屈曲分析

根據3.1的尺寸建立好模型并劃分網格，在模型上邊施加單位荷載1 MPa，設置分析類型為特征值屈曲，首先激活預應力效應，進行靜力分析，然后計算一階屈曲模態，獲取屈曲荷載系數.

經過計算，得出兩種結構屈曲模態見圖5，屈曲荷載系數分別為1.4×109和1.84×109.由此可求得臨界屈曲荷載為1.4×108，1.84×109MPa.

圖5　a截面特征值屈曲模態

由圖5可見：

1) 2種情況下局部屈曲均發生在受軸向力的一端，這是復合實際情況的.

2) 有拱肋的結構的屈曲荷載系數有了較大的提高，而且最大位移有所減少.但由于特征值屈曲并不能完全反應結構的真實屈曲情況，具體的結果還需要進行非線性屈曲的計算嚴重.

3.3非線性屈曲分析

非線性分析中，由于臨界屈曲荷載并不一定完全反應結構受力特性，將其放大1.3倍施加到上邊上以保證結構達到屈曲，在軟件中考慮大變形效應，設置時間長度為1 s，步長為100步，進行非線性屈曲計算.

計算結束后，提取結構位移最大節點的荷載-位移曲線，見圖6.

圖6　a截面荷載-位移曲線

由圖6可見，未設置加勁拱肋的結構，其荷載-位移曲線在均布荷載達到1 300 MPa時，有一個明顯的拐點，此后，曲線斜率遠遠小于拐點之前，即在荷載達到1 300 MPa之后結構變形速度迅速加快，最終發生失穩.因此可以認為1 300 MPa為為設置加勁拱肋結構的屈曲荷載，而達到這一荷載時，結構的位移為4 mm.而有拱肋結構的荷載-位移曲線較為平滑但斜率也在逐漸減小.可以認為達到1 800 MPa時進入屈服狀態，此時結構最大位移為7 mm.分析可得以下結論：

1) 有拱肋結構在荷載達到1 800 MPa后，位移增加速度較快，可認為達到屈服，該荷載遠大于無拱肋結構的屈曲荷載.說明添加拱肋可以提高打樁過程中結構承受錘擊力的大小.由于鋼板樁打樁過程中地質條件的不確定性，錘擊力往往存在較大的變化.在土層阻力較大時，最終確定的錘擊力就較大，如果采取加勁拱肋的結構，在打樁時可以選擇更大的錘擊力，從而提高打樁效率，節約成本.

2) 有拱肋結構不僅屈曲荷載大于無拱肋結構，而且結構位移方面也有一定優勢.對比相同荷載下，兩種結構的位移值可以發現，有拱肋結構的位移值均小于無拱肋結構.因此在相同錘擊力下有拱肋結構變形小.如果結構的變形較大且持續時間較長，就有可能在結束受力后無法恢復原狀，而且也會帶來內部損傷.因此有拱肋結構減小了打樁過程對結構的損傷，保證了結構安全可靠.

3) 和無拱肋結構相比，有拱肋結構荷載-位移曲線斜率變化較為緩慢，該特性說明采取加勁拱肋可以一定程度的地改善結構受力性能.如果打樁力是逐步遞增的，有拱肋結構由于變形開展較慢，可以通過觀測結構變形，及時采取措施，而無拱肋結構由于荷載大于一定數值后變形急劇增加，在施工人員發現之前結構可能已經發生破壞，存在一定的工程隱患.

不過這里只進行了一種樁型的計算，還不具備規律性，需要選取其他截面尺寸的U型鋼板樁進行計算，驗算結論的正確性.

3.4算例驗證

局部屈曲的影響因素很多，包括板的截面尺寸、板長等.對于打樁這一特殊過程，受力集中于板樁端部，局部屈曲也發生在樁端的有限區域，故板長的增加對局部屈曲影響有限.所以文中主要考慮板的截面尺寸，即采取不同型號的鋼板樁時，有無加勁拱肋對局部屈曲的影響.

對應3.1中的尺寸參數，另取2種截面尺寸的鋼板樁.具體尺寸如下：截面b(750 mm×250 mm)：b=400 mm，B=750 mm，h=250 mm，b′=50 mm，h′=20 mm；截面c(900 mm×300 mm)：b=450 mm，B=900 mm，h=300 mm，b′=50 mm，h′=20 mm.

2種截面板寬均為10 mm，板長均為1 000 mm，分別按有拱肋和無拱肋進行計算，得出相應結果見圖7、圖8.

圖7　b截面計算結果

圖8　c截面計算結果

根據計算，b截面鋼板樁，無拱肋結構屈曲荷載系數8.68×108，臨界屈曲荷載為8.68×108MPa；有拱肋結構屈曲荷載系數1.4×109，臨界屈曲荷載為1.4×109MPa.進行非線性計算后，由荷載-位移曲線讀出無拱肋結構屈曲荷載為700 MPa，有拱肋結構屈曲荷載為15 00 MPa.

c截面鋼板樁，無拱肋結構屈曲荷載系數6.34×108，臨界屈曲荷載為6.34×108MPa；有拱肋結構屈曲荷載系數8.29×108，臨界屈曲荷載為8.29×108MPa.進行非線性計算后由荷載-位移曲線讀出無拱肋結構屈曲荷載為600 MPa，有拱肋結構屈曲荷載800 MPa.

將本節中的計算數據及圖表進行分析，結合3.2中算例結果可總結如下規律：

1) 3種截面尺寸對應的有拱肋結構的屈曲荷載值均大于無拱肋結構，相同荷載作用下，有拱肋結構位移更小，且有拱肋結構的荷載-位移曲線均比無拱肋結構要平緩.3.1中的3點結論得到了較好的驗證，即采用有拱肋結構提高了結構達到屈曲所能承受的荷載，相同荷載下結構位移較小，而且結構的荷載-位移曲線較為平緩.

2) 3組結果之間比較發現，隨著截面尺寸的增加，無拱肋結構和有拱肋結構的屈曲荷載均有降低，說明大截面尺寸的鋼板樁由于腹板面積更大，更容易發生局部屈曲變形，因此在鋼板樁結構的設計階段，要兼顧經濟效益與工程實際，不能一味選取大截面鋼板樁，要考慮打樁的難度.

而如果必須采用較大截面鋼板樁且打樁難度又較大時，要重視拱肋結構的作用，選取有拱肋的鋼板樁以提高打樁效果.

4結 束 語

文中進行了3種截面尺寸的鋼板樁結構在有無加勁拱肋情況下的局部屈曲分析，發現設置了加勁拱肋的鋼板樁結構在受力性能上有了很大改善，達到屈曲時承受的荷載也有較大的提高.說明加勁拱肋可以有效的地改善鋼板樁局部屈曲現象，隨著大截面薄壁鋼板樁運用的越來越普遍，重視加勁拱肋對結構受力性能的提高有較大的工程意義.

參 考 文 獻

[1]聶細鋒,張清華.波形鋼腹板組合箱梁扭轉及畸變效應關鍵影響因素研究[J].四川建筑科學研究,2014,40(5):46-49.

[2]任順,李文虎,任大龍.波形鋼腹板PC組合連續箱梁橋有限元靜力分析[J].四川建筑科學研究,2013,39(2):85-89.

[3]于煒文.冷成型鋼結構設計[M].董軍，夏冰青,譯．北京：中國水利水電出版社，2003.

[4]陳雪庭，張中權.冷彎薄壁型鋼結構構件[M].北京：中國鐵道出版社，1990.

[5]姚永紅.腹板V形加勁冷彎薄壁卷邊槽鋼軸壓柱穩定性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2012.

[6]Standards.Cold-Formed Steel Structures，AS/NZS 4600[S]. Australia：Australian/New Zealand Standard，2005.

[7]楊健.波形鋼腹板PC組合箱梁腹板穩定性研究[D].蘭州:蘭州交通大學,2014.

[8]鄒新軍.基樁屈曲穩定分析的理論與試驗研究[D].長沙:湖南大學,2005.

Research about Stiffened Web to Improve

Local Buckling of Cold-formed Steel Sheet Pile

LIU ChunyangZHANG ShuhuaCHEN GuangmingSUN Xingyi

(CollegeofHarbor，CoastalandOffshoreEngineering，HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract：Cold-formed thin-walled steel is used increasingly in a wide range of construction due to its many advantages compared with hot-rolled steel. Because of the shape of a thin wall and a large cross-section, the structure receives axial compression which may lead to local buckling when it is piled into the soil. Therefore, cross-section optimization of the cold-formed steel sheet pile to improve the buckling strength is necessary. For the plan of a stiffened web, through finite element simulation of ANSYS , it is found that this scheme can effectively improve the ability to resist buckling, it is worthwhile to be promoted in the steel sheet pile structure.

Key words：cold-formed steel sheet pile; stiffened web; local buckling

收稿日期：2015-12-06

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.01.034

中圖法分類號：TU352