鋼板樁圍堰參數敏感性分析

賈江坤 王希瑞

摘要：為確保鋼板樁圍堰施工過程中各構件良好的力學性能，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進行力學分析，結合關鍵構件應力位移變形變化曲線，多角度探明各參數與構件之間的變化規律。結果表明：內支撐空間布置數量和鋼板樁內壁厚度對鋼板樁圍堰各構件敏感性指數最大達到0.89，而封底混凝土厚度對圍堰結構的最大敏感性指數僅為0.07，因此內支撐空間布置數量和鋼板樁內壁厚度為鋼板樁圍堰力學性能最主要的敏感性參數，可為類似圍堰設計提供參考。

關鍵詞：鋼板樁;圍堰;敏感性分析;模型參數;力學分析

0 引言

近些年來，隨著我國經濟建設越來越繁榮，社會生產力得到了極大的提高，對于交通建設的要求也越來越嚴格。在此期間出現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、水文條件復雜、河床沖刷大、地質條件復雜、施工干擾大等，給橋梁承臺基礎施工帶來了很大的難度，而鋼板樁圍堰的廣泛應用解決了這些困難[1]。但目前鋼板樁圍堰的設計存在一定的缺陷，作為臨時支護結構，設計人員通常只對每個構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果，從而忽視了圍堰結構的整體受力[2-3]。同時，目前鮮有針對鋼板樁圍堰結構參數敏感性的分析研究，難以有針對性地優化鋼板樁圍堰設計[4]。考慮到這些問題將導致施工過程中出現空間嚴重不足、材料嚴重浪費的情況，因此有必要對鋼板圍堰結構進行敏感性分析[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個敏感性參數進行力學分析，得到敏感性最高的參數，研究成果可為類似鋼板樁圍堰設計提供一定的參考。

1 參數敏感性分析原理

參數敏感性分析是一種從定量分析的角度研究有關因素發生某種變化對一個關鍵指標或一組關鍵指標影響程度的不確定分析技術。從本質上講，就是通過逐一改變相關變量的取值來解釋關鍵指標大小受這些因素變化影響的規律。局部敏感性分析因其分析原理簡單、實際可操作性強等優點，是參數敏感性分析中使用最多的方法，主要用于細化模型參數對其關鍵指標輸出結果的影響程度的研究。[=XQS（]鋼板樁圍堰參數敏感性分析/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敏感性進行分析，通過改變一定區域內的模型參數值，分析輸出結果的變化。所采用的數學模型基本公式為：

Ii=ΔOΔFi×FiO（1）

式中：I——參數敏感性指數;

O——模型模擬輸出結果;

F——影響O的因子（參數）。

參數敏感性指數分類標準如表1所示。

本文針對目前鋼板樁圍堰結構設計缺陷的現象對其進行參數敏感性分析，在鋼板樁圍堰構造中選取敏感性參數。本文選擇的三個參數有內支撐空間布置數量、鋼板樁截面厚度、封底混凝土厚度等。將模型參數內支撐空間布置數量變化幅度設為33.3%，鋼板樁截面厚度變化幅度也設為33.3%，封底混凝土厚度上下波動25%。

2 工程概況

某跨河大橋基礎承臺施工采用鋼板樁圍堰施工，水中墩由12根樁及承臺構成，承臺采用整體式結構，圍堰尺寸設計為28.8 m（橫橋向）×10.4 m（順橋向）。鋼板樁圍堰內支撐圍檁選取雙拼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，設計厚度為1.5 m。承臺底面標高為+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 各參數敏感性分析

3.1 內支撐空間布置數量

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

內支撐的力學性能參數主要包括材料空間間距和空間布置數量。本文選擇空間布置數量作為敏感性參數分析。原有的內支撐布置數量為3道，通過在原有布置數量基礎上變化±33.3%，將內支撐空間布置數量設置為2道、3道、4道、5道，采用控制變量法，其他參數不變，僅改變內支撐空間布置數量。不同內支撐空間布置數量的應力、位移變形數值如表2所示。

從表2可以看出，隨著內支撐空間布置數量的變小，鋼板樁圍堰各構件的最大應力和位移變形變大。當布置2道內支撐時，此時鋼板樁的最大應力為213.11 MPa，最大位移變形為24.23 mm;內支撐的最大應力為189.32 MPa，最大位移變形為11.32 mm。根據規范可知，鋼板樁和內支撐的應力設計限值為215 MPa，位移變形的設計限值分別為29.5 mm和12.75 mm。因此，為保證施工安全，至少要布置3道內支撐。

將表2數值代入式（1），得到鋼板樁圍堰在改變內支撐布置數量時的應力、位移變形敏感性指標如表3所示。

根據表3可知，鋼板樁圍堰各構件的應力、位移變形對內部支撐空間數量的變化比較敏感。內支撐空間布置數量是鋼板樁圍堰力學性能最重要的敏感參數，它能更好地反映鋼板樁的情況。為探明圍堰結構的應力和位移變形隨內支撐空間布置數量的變化規律，得到不同內部支撐數量下各構件的應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，整體鋼板樁結構的應力、位移變形隨著內支撐數量的增加而減小。鋼板樁的應力隨著內支撐數量的增加而迅速減小，因為內支撐相當于圍堰結構中的支撐，鋼板樁構件相當于支撐上面的連續梁。支座越多，梁的凈跨度越小，梁的峰值應力也越小。因此，鋼板樁圍堰結構的各個構件的應力可以通過增加內部支撐位的數量來得到更好的改善。

3.2 鋼板樁內壁厚度

鋼板樁作為圍堰的主要構件，其內壁截面厚度不同，也會導致其力學性能有所差別。鋼板樁的內壁厚度是影響圍堰整體剛度的主要因素，鋼板樁的內壁厚度增加，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件之間發生變化，由此應對鋼板樁內壁厚度進行參數敏感性分析。

影響鋼板樁的力學性能參數主要分為兩種形式：材料特性和截面厚度。本文選擇鋼板樁內壁厚度作為敏感性參數分析。原有的鋼板樁內壁厚度為15 mm，通過在原有鋼板樁內壁厚度基礎上變化±33.3%，設定為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件的應力、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，各構件的應力以及位移變形都在降低，鋼板樁應力在厚度為20 mm時為最低，而厚度為10 mm時鋼板樁和內支撐應力位移變形均最大，鋼板樁和內支撐最大應力分別為182.32 MPa和152.42 MPa，最大位移變形分別為21.32 mm和11.46 mm。雖然沒有達到設計限值，為保證鋼板樁圍堰結構安全，故設計時鋼板樁厚度宜≥10 mm。將表4數值代入式（1）得到改變鋼板樁內壁厚度時的應力、位移變形敏感性指數如表5所示。

依據表5所得，鋼板樁圍堰各構件應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性能主要的敏感性參數之一。鋼板樁圍堰結構應力位移變形隨鋼板樁厚度的變化規律如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可知，鋼板樁圍堰各構件的應力位移變形隨鋼板樁厚度減小而增大，板厚為10 mm時應力和位移變形最大。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支撐的應力值明顯降低。所以，可通過加大鋼板樁厚度來改善鋼板樁圍堰結構各構件的應力和位移變形。

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件之一，對鋼板樁圍堰整體穩定性起到了至關重要的作用，其抵抗水頭差在圍堰區域的浮拖力，方可進行承臺施工。通常情況下封底混凝土厚度越大，對于鋼板樁圍堰結構抗浮穩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件之一，現對封底混凝土進行參數敏感性分析。

影響封底混凝土的力學性能參數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進行研究。原封底混凝土厚度為2.0 m，依據在原間距基礎上變化25%，現設置厚度為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件的應力、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，鋼板樁和內支撐的應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，此時鋼板樁最大應力為129.34 MPa，最大位移為16.14 mm;內支撐最大應力為131.24 MPa，最大位移為9.01 mm，均滿足規范設計限值。

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

根據表7所知，鋼板樁力學性能對封底混凝土厚度變化不敏感，同時內支撐力學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支撐力學性能改善不明顯。

4 結語

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進行力學分析，探明各參數與構件之間的變化規律，得到如下結論：

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

（2）封底混凝土厚度變化對鋼板樁圍堰各構件力學變化較小，其敏感性指數最大僅為0.07。鋼板樁和內支撐的力學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支撐力學性能改善不明顯。

（3）在圍堰結構設計過程中，通過調整鋼板樁內壁厚度和內支撐空間布置數量兩個參數，可以有效地改善鋼板樁圍堰結構的受力狀態。

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