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钢板桩接岸结构加固方法的有限元分析

发布于:2018-08-06 20:25
有限元分析

      接岸结构是港口工程中常见的一种结构形式,其作用是连接人工建筑物与天然地基,将功能建筑物固定在地基上。对于高桩码头来说就是连接码头结构和岸坡、起挡土作用的结构。随着经济的发展,物流的增加,大规模的港口建设提高了对建筑物结构稳定性及耐久性的要求。钢板桩因具有承载力强、水密性好、施工简便以及耐久性好等优点,成为现代建筑工程界的主流材料,但由于钢板桩本身,容易受到侵蚀破坏,尤其是在海洋环境下,极易发生锈蚀破损,从而缩短了使用年限,造成了大量经济损失。天津港地区就存在许多钢板桩接岸结构锈蚀等问题,函待解决。
      目前国内外有关钢板桩修复加固的方法主要包括局部维修加固法和设置替代挡土结构法2大类。局部维修加固法包括补焊钢板法、局部外包加固法、降低帽梁覆盖高程法、改善墙后土体性能法等;设置替代挡土结构法包括增设地下连续墙法、增设替代钢板桩法等。由于技术条件的制约,实际工程中对钢板桩结构进行修复加固的案例很少。以天津港某码头为依托,利用ANSYSApp建立结构加固后的有限元分析模型,对加固方法产生的变形、内力以及应力进行比较,探讨这些修复加固方法的技术可行性和可靠性。
      天津港某码头为2个万t级泊位的杂货码头,建成于1978年,东西总长363.9m,为高桩梁板式结构,分为前方承台、后方承台、钢板桩和斜顶桩及帽梁组成的接岸结构3部分,前方承台宽13.5m,后方承台宽21.1m,码头顶面标高现为+5.1m,码头前沿泥面标高9.0 m。前方承台由横梁、门机梁、火车板和靠船构件等组成,其中梁均为预应力连续梁,火车板为单向预应力连续板,排架间距为7m,共有61个排架,分为7个结构段。后方承台上部结构由预应力简支横梁和单向预应力空心简支板等构件构成。前、后方承台基桩均为预应力空心方桩。码头后沿接岸部分是由钢板桩55 cmx55 cm预应力空心斜顶桩和帽梁构成的挡土墙,板桩墙和斜顶桩的连接形式为固接。板桩桩尖打至15.5 m斜顶桩桩尖打至22.0 m斜顶桩间距为2.33 m。除过渡段外,顶端帽梁设有电缆沟。码头后方斜顶桩共114根,西端斜顶桩9根,过渡段后方斜顶桩共14根。码头后方陆域打砂井排水以加谏土体早期固结。
      该码头的接岸结构型式为“钢板桩+斜顶桩+帽梁”,经检测,部分钢板桩已发生锈蚀破损,接岸结构的安全处于不确定状态,无法采取针对性的工程措施,本研究通过现场检测和有限元分析了解到,该处钢板桩锈蚀成洞或锈蚀后残余厚度低于锈蚀前的80%,必须对钢板桩进行加固,以保证其正常工作。针对提出的钢板桩加固方案,进行了钢板桩加固方案的有限元计算分析,以下主要对支护条件下钢板桩帽板加固方案、局部加固方案和地连墙替代加固方案进行分析。
      该方案考虑到泥面以下的钢板桩尚可发挥剩余作用,直接在钢板桩锈洞位置采用帽板式钢筋混凝上加固,将尚能工作的钢板桩通过加固体与斜顶桩连接起来。模型中加固体材料参数根据混凝上特性确定。
      对帽板法加固后的有限元计算结果进行分析,首先同样对接岸结构及土体的变形特征进行分析,从接岸结构及土体的侧向位移可以看出,加固后深层土体的侧向位移已得到控制,其位移趋势和数值均可达到钢板桩完好情况的水平(钢板桩完好情况土体最大侧向位移为14.9 mm,帽板加固后为14.7 mm),说明采用帽板加固法能够将锈洞以下的钢板桩与帽梁的共同作用关系重新建立起来,接岸结构及土体的竖向位移值也接近完好情况。单独分析接岸结构的变形特征可知,加固后的接岸结构,其变形特征基本与完好情况相似,钢板桩的侧向位移稍有减少,且锈洞以上的钢板桩已基本失效,而泥面线以下的钢板桩则是通过与其加固体的共同作用实现了接岸结构的功能。从接岸结构的竖向位移特征来看,由于加固体的作用,泥面以下钢板桩在承担竖向荷载作用方面也起到了作用,使得帽梁后的竖向沉降得到了控制。


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