何远威　麦桂林

摘要：由于U型钢板桩结构特殊的锁口联接形式，在弯曲荷载作用下，钢板桩结构的相关力学特性的分析计算具有很大的不确定性。通过进行室内U型钢板桩弯曲试验，分析钢板桩的挠度、桩端锁口滑移量、横截面应变，较为系统地研究了钢板桩在受弯作用下的抗弯力学特性等机理。结果表明：锁口不作处理且支座间距较大时，组合钢板桩可以发生较大变形，抗弯刚度相对单桩刚度无明显提升;不同的支座间距对组合钢板桩抗弯刚度有不同影响，支座间距的减小，有助于抗弯能力的提升。说明实际工程中钢板桩竖向支撑、围檩的间距不宜过大。

关键词：U型钢板桩;弯曲试验;锁口联结;抗弯刚度

中图分类号：TU4;TG142.1 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2022）07-0175-06

Study on flexural mechanical properties of U-shaped steel sheet pile

HE Yuanwei MAI Guilin

（1. South China University of Technology， School of Civil Engineering and Transportation，  Guangzhou510640， China;  2. Guangdong Architectural Design and Research Institute Co.，Ltd.，  Guangzhou510000， China;  3. Guangdong Poly City Development Co.， LTD， Guangzhou 510000， China）

Abstract：Due to the special locking form of U-shaped steel sheet pile structure， the analysis and calculation of related mechanical properties of steel sheet pile structure under bending load have great uncertainty. Based on the U-shaped steel sheet pile bending test in the laboratory， the deflection， relative slip of the pile end lock and the cross-section strain of the steel sheet pile are analyzed， and the mechanism of the bending mechanical properties of the steel sheet pile under bending is systematically studied. The results show that when the locking joints are not treated and the bearing spacing is large， the composite steel sheet pile can have large deformation， and the flexure stiffness of composite steel sheet pile is not significantly improved. Different support spacing has different influences on the flexural stiffness of composite steel sheet pile. The reduction of support spacing is conducive to the improvement of flexural capacity. Therefore， the spacing between vertical support and enclosing purlin of steel sheet pile should not be too large in practical engineering.

Key words：
U-shaped steel sheet pile; bending test; locking joint; bending stiffness

U型鋼板桩是一种腹板两边带有特殊锁口的型钢，其具有轻质高强、止水性能好、可重复使用等优点，被广泛应用在桥梁、水利等围堰工程，以及建筑、市政等基坑工程和堤防等防渗工程领域中[1-2]。

在组合钢板桩墙中，钢板桩间锁口咬合的程度会导致锁口间存在不同的剪力传递状态，致使桩墙在承载过程中的抗弯刚度不一致，这将对桩墙的变形、受力分析及设计施工等产生较大的影响。桩墙在实际工作过程中，锁口间剪力传递状态介于完全剪力传递状态与零剪力传递状态之间，见图1;传递状态取决于桩与桩之间锁口的相互联接作用[3-4]，实际工程中钢板桩抗弯刚度介于理想桩墙和单根钢板桩抗弯刚度之间。

1试验概况

1.1试验钢板桩结构设计

试验结构的设计思路考虑了以下因素：工程中当钢板桩墙的宽度足够大时，可以认为每片钢板桩均会受到其两侧钢板桩的侧向约束，使得钢板桩只发生沿桩长方向的纵向弯曲变形。考虑到室内试验加载条件难以对桩墙内多片钢板桩进行合理约束，也难以对多片钢板桩完全同步施加均等荷载。因此，设计了一个试验底座，其横截面面积、高度、惯性矩与上层钢板桩相同，以及形心位置在竖向与上层钢板桩保持对称，从而使两者抗弯刚度一致。将单片钢板桩与试验底座通过锁扣上下扣接，见图2;下层底座约束上层钢板桩的侧向位移，使试验中的上层钢板桩变形状态保持实际工程情况相同。

1.2试验方案

本文试验主要研究钢板桩受弯状态下的力学性能，采用6 m长的组合钢板桩构件进行室内抗弯试验。试验采用单调静力加载方式，其为一次性加载破坏试验，压力均匀增大，加载系统形式如图3所示。试验主要测量内容为构件的桩身挠度值、桩端锁口处相对滑移量及跨中横截面的正应变值。

2试验结果及分析

2.1材性试验数据分析

通过截取钢板桩腹板材料作为试样（厚度：12 mm，宽度：15 mm）进行拉伸试验，通过相关测试数据求得材料的屈服强度、弹性模量等力学特征值，为后续数据分析及有限元模拟提供基本指导参数。将材性试验所得的数据进行整理，结果如表1所示 。

通过数据得试件钢材的平均屈服应变：

ε=f/E=1 635 με

2.2荷载-挠度关系曲线

跨中截面荷载-挠度曲线，结果如图4所示。其中，实线为试件跨中截面所对应的荷载-挠度曲线，虚线为对应的单桩理论计算值。

由图4可以看出，对于试件随荷载的变化规律，共分为2个阶段：在荷载为0～100 kN时，跨中截面挠度随荷载值呈线性增长;在100～140 kN时，试件进入屈服阶段，跨中截面挠度曲线增长趋势逐渐发生转变，由开始的线性增长转变为非线性增长，挠度随荷载变化的增长速率逐渐加大。然后，挠度增长迅速，试件发生较大变形，此时可认为试件已经到达承载能力极限状态而丧失抵抗变形的能力。同时，试验桩身挠度值曲线均接近于单桩理论挠度计算值曲线;在同级荷载下，试验的挠度值较单桩理论计算值略小，反映了钢板桩组合结构的抗弯刚度与单桩抗弯刚度接近，较单桩抗弯刚度理论计算值略有增大。

结合所测数据，试验构件屈服时的跨中挠度值为36.5 mm，并在试件屈服后逐渐增长，可达到55.3 mm，体现出钢板桩在荷载作用下可以发生较大变形，试件屈服后可继续承担原有的荷载甚至一定增量的荷载。说明钢板桩为一种大变形构件，在大变形下仍具有承载能力;在以往的研究中，也发现钢板桩变形值很大但仍处于正常安全状态的情况[5]。反映了实际工程中当钢板桩出现屈服时仍然有一定的安全预警及应急处理时间，可通过相应的处理措施保障结构的安全。

2.3锁口滑移量变化规律

钢板桩锁口间相对滑移量的大小可反映出桩间锁口的咬合程度，滑移量小，则锁口间咬合作用越强烈;滑移量大，则锁口间咬合作用越弱。在钢板桩受弯过程中，锁口接触面上产生的摩擦力越大，对锁口接触面约束就越强烈，从而限制锁口间相对滑移量的增长，滑移量的抑制与钢板桩抗弯刚度的增长是密切相关的。试验中，在试件的桩端处沿桩身纵向布置位移计，以测得锁口间的滑移量，桩端锁口滑移量与荷载关系如图5所示。

由图5可以看出，随着荷载增大，桩端锁口相对滑移量近似线性增长，滑移量曲线接近于单桩的相对滑移量理论计算值。反映了试件锁口间接触面一直处于相对自由滑移状态，上层钢板桩与下层底座间没有明显的锁口联接作用，锁口间的咬合程度较弱。

2.4横截面应变分布规律

对跨中横截面所测的正应变数据进行整理分析，结果如图6所示。实线表示试验横截面应变值实测数据，虚线表示单桩横截面应变值理论计算值。

从图6可以看出，随着荷载的增大，截面各测点应变值也相应不断增大，正应变沿着截面高度近似呈线性分布，且每级荷载作用下实测应变值曲线与单桩理论计算值曲线较为接近。

为了进一步分析钢板桩截面正应变的变化趋势，采用归一化数据处理方法，即把每级荷载作用下的应变值除于相应弯矩值大小，得出其单位弯矩值下的应变值，结果如图7所示。

由图7可以看出，试验中每级荷载下的横截面归一化应变值曲线近似重合，且接近于单桩横截面应变值归一化曲线。说明随着荷载的增大横截面正应变值未降低增长速率，仍呈现线性增长趋势，表明了钢板桩墙抗弯刚度无明显提升。

2.5弯矩-曲率关系确定抗弯刚度

在相关研究及分析计算中对抗弯刚度的取值往往按照理想桩墙的抗弯刚度进行折减，但不同的文献给出的折減系数差别较大，如在对新光大桥桥墩钢板桩围堰支护体系分析中采取桩墙刚度折减系数为0.5[6];对钢板桩围堰在不同于常规施工工序下产生的变形和内力特性研究中采取的折减系数为0.3[7];采用Pu32型钢板桩进行室内试验，发现钢板桩锁口自由时其截面惯性矩大小接近于单桩惯性矩大小，相当于折减系数约为0.28[8-9];通过有限元模拟发现不同组合工况下钢板桩抗弯刚度的折减系数一般在 0.5～0.8[10-11]。

根据相关计算公式：

EI=M/Φ

式中：曲率Φ根据横截面正应变估算可得;M为截面对应弯矩值。

由上式可知，截面弯矩与曲率成正比例关系，两者的比值反映的是试件抗弯刚度值，整理出试件跨中截面刚度值随荷载的关系曲线如图8所示。从总体来看，试件抗弯刚度平均值为9.55E+09 kN·mm，占理想桩墙抗弯刚度约37.2%，即折减理想桩墙抗弯刚度0.372[14];试件的抗弯刚度较单桩抗弯刚度理论值提高不多，与上文根据钢板桩桩身挠度曲线分析的结论相吻合。

2.6横截面中性轴位置移动

据报道，对猎德大桥钢板桩围堰监测的数据进行分析，发现桩间剪力传递会使得桩墙的中性轴偏离单桩形心位置而逐渐靠近锁口，导致桩墙的刚度不断提高[5]。

通过分析发现，试验中钢板桩中性轴的位置随着加载而发生移动，具体如图9所示。

由图9可以看出，中性轴位置可移动至距锁口底92.9 mm左右，较单桩中性轴位置移动距离约有3.7 mm。总体来看，相比单桩桩墙，试件中性轴位置往锁口处略有靠近，但偏移量较小。究其原因，是由于实际工作U型钢板桩锁口摩擦对上层钢板桩拉应变有抑制作用，导致受拉区应变增长速率较受压区应变增长较慢，中性轴向靠近锁口处移动。而试件中性轴的移动距离较小，说明试验中试件锁口处摩擦作用较小，锁口间滑移作用较大，导致钢板桩抗弯刚度提升不明显。

综上所述，根据钢板桩桩身挠度、桩端锁口处相对滑移量、横截面正应变值等方面的测试数据结果，并结合横截面中性轴移动等数据分析，说明在6 m跨长、锁口不作处理的钢板桩墙试验中，钢板桩墙抗弯刚度增加不明显。

2.7有限元计算比对

模型选取的网格单元类型为C3D8R，并采用扫掠网格划分技术解决钢板桩截面的不规则问题，选择面对面的接触离散方法来模拟锁扣的接触问题。结合钢板桩材性试验，选取模型参数：弹性模量为193.9 GPa，泊松比为0.3。有限元模型主最终变形图，如图10所示。

选取相同加载工况下，6 m跨长的组合钢板桩有限元计算结果与试验数据进行对比验证，具体结果如图11所示。

从图 11可知，现场试验测得的钢板桩跨中挠度值与有限元计算结果趋势一致，且数值相对一致。绘制出在90 kN荷载作用下，跨中横截面距锁口底不同距离的测点的应变分布曲线，结果如图12所示。

由图12可以看出，试验值与有限元计算结果也较吻合。

3相关试验结果比对及分析

根据文献[3]、文献[4]、文献[8]和文献[9]试验结果，整理出锁口未做处理的各钢板桩试验得到的抗弯刚度与单桩抗弯刚度相比较的提升率，结果如表2所示。

由表2可以看出，文献[3]、文献[4]试验的钢板桩刚度提升了16.2%，说明了桩墙抗弯刚度有比较明显的发挥。而文献文献[8]、文献[9]的试验反映出桩墙惯性矩无较大提高，近似于单桩惯性矩，即桩墙刚度无明显提升，这与本文试验结果较为相似。

通过对比分析相关试验与本文试验，可以认为以下2个因素综合影响桩墙刚度的变化。

（1）锁口咬合情况：文献[3]、文献[4]钢板桩模型锁口在未受载荷时已完全接触且咬合紧密，锁口间没有任何的缝隙，锁口接触面积大，而且在未受力时初始状态锁口即咬合紧密，结果如图13（a）所示;因此，试验过程中钢板桩锁口摩擦力较大，加载过程中的抗弯刚度提升较大。而本试验所采用的实际钢板桩锁口咬合后仅有部分表面发生接触，如图13（b）所示;说明锁口接触作用较弱，且在未受载荷时锁口之间空隙较大，试验过程中钢板桩锁口摩擦力較小，从而引起的刚度提升较小，文献[8]、文献[9]也存在类似因素;

（2）支座间距：从试验结果来看，本文6 m跨度钢板桩及文献[8]、文献[9]试验中5 m跨度钢板桩在锁口未做处理时，刚度增长不明显;而文献[6]通过实际工程中钢板桩支护变形的实测数据对钢板桩抗弯刚度反分析的结果也表明，跨度2～3 m的钢板桩抗弯刚度相对于单桩的增加明显。

为进一步验证支座间距的影响，专门建立了3 m长度钢板桩数值模拟模型进行计算，并与前述6 m长度钢板桩数值计算结果进行比对，发现跨度3 m的钢板桩抗弯刚度较单桩抗弯刚度提升9.8%，反映了跨度3 m刚度提升明显比跨度6 m时的大。究其原因，在荷载作用下，由于支座反力使得桩端支座一定范围内的锁口处产生较大的接触压力，进而增强锁口摩擦作用力提高抗弯刚度。当支座间距较小时，上述作用的影响范围在整个钢板桩跨度内占比较大，使得钢板桩桩墙的整体抗弯刚度相对较大。因此，支座间距越小，桩墙抗弯刚度发挥越明显。

综上分析可知，钢板桩支撑（围檩）的竖向间距较大时，一方面不利于钢板桩刚度的提高，对于控制钢板桩变形及降低钢板桩截面应力不利;另一方面会增大钢板桩截面上的弯矩，进而也会增大钢板桩的截面应力及变形。

4结语

（1）本文通过建立U型钢板桩弯曲试验装置可较好地模拟钢板桩实际受力状态。通过试验发现，支座间距为6 m的试件，其抗弯刚度折减理想桩墙刚度0.372[16]，较单桩抗弯刚度值略有增大。同时，结合试验数据分析及有限元模拟结果说明，钢板桩锁口未做处理且支座间距较大时，桩墙在受荷过程中抗弯刚度提升较小;

（2）在荷载作用下，作为一种柔性材料，钢板桩可以发生较大变形，其变形挠度较大时仍然具有一定的承载能力。因此，在实际工程中，当钢板桩出现屈服时仍然有一定的安全预警及应急处理时间，可通过相应的处理措施保障其安全;

（3）钢板桩锁口间的接触面积越大，其锁口的咬合作用越强，锁口接触的摩擦作用越大，从而使得钢板桩在受弯作用下的抗弯刚度越大;

（4）钢板桩支座间距对于钢板桩抗弯刚度影响较大。通过分析对比试验值和有限元分析计算结果，发现支座间距的减小，有助于抗弯能力的提升。对于钢板桩而言，支撑（围檩）的竖向间距较大不仅会增大钢板桩截面上的弯矩（在相同荷载条件下），进而增大钢板桩的截面应力和变形，也会导致钢板桩刚度提升较少，从而降低钢板桩的承载及控制变形能力。因此，在钢板桩的工程应用中，钢板桩竖向支撑、围檩的间距不宜过大。

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