欢迎来到『东合南岩土』官方网站!

岩土研究院

钢板桩附属设施设计计算

349 2021-12-28 15:10:13

一、剪力构件·

在格体内部填料中埋入抗剪强度较大的构件、能增强格体的抗剪切变形能力,业已为大量的试验所证实,其机理也是不难理解的。但关于剪力构件的设计计算理论,目前则尚属探索阶段。在具体的工程设计中还基本上是以模型试验为依据,并且常仅将其作用考虑在安全富裕中。对剪力构件的设置形式,作用机制目前也有较大的争议。本文将把目前较普遍的观点介绍给读者,并初步讨论其计算方法。

1.剪力构件的布置形式

剪力构件在格体中的布置主要有三种形式,见图 4.2.1。

image.png

(1)水平布置∶该种布置形式采用平面结构的剪力构件,在格体填料内水平布放。其主要优点是施工简便,对格内填料的回填施工几平没什么影响。另外,采用水平布置形式时对剪力构件的要求也较松,混凝土板、梁、钢筋网、废钢板、土工织物等刚性、 柔性、 片状、板状甚至梁状构件均可采用。主要缺点是对抗剪切变形稳定性的增强机制,没有充分的理论依据。在某些试验中其效果不太明显。对于某些抗剪切变形计算模式,其作用无法在计算中反映。

(2)竖直布置;该种布置形式采用平面结构的剪力构件, 在格体填料内垂直布放,其平面与建筑物纵轴方向平行。这种布置形式常在采用水平布置方式效果不理想的情况下采用。由于剪力件立放,则要求其有足够的刚度。这样在选材方面要受到一定限制,类似土工布、钢丝网等柔性材料无法单独采用。另外,竖直布置方式也存在与稳定条件、计算模式之间的适应性问题,且对格内回填有影响。

(3)双向布置∶该布置方式相当于前两种布置的叠加,因而其适应性强,抗剪切效果有保证。其最大的缺点是对剪力构件的要求较苛刻,仅有钢结构及钢筋混凝土结构可以采用,造价昂贵。

以上三种布置形式中,仅水平布置形式在工程中有所采用,也积累了相当的科研经验。其余两种布置形式,研究成果较少,尚未见工程应用的实例。

image.png

image.png

②采用太沙基法设计时,剪力构件的内力计算模式如下,见图4.2.3。

图中S为设计剪力,S,为水平剪力。采用太沙基法进行抗剪切变形稳定计算时,由于假定极限破环面为垂直面,故无法考虑竖向布置的剪力件的作用。

image.png

图中 M为设计荷载力矩,S,为竖向剪力件内剪力。采用柯敏斯法进行抗剪切变形稳定性计算时,由于假定极限剪切破坏面为水平面,故无法考虑水平布置的剪力的作用。由力矩的平衡关系可得∶

image.png

image.png

image.png

剪力构件应有足够的强度,以免在受力时断裂失效。同时还应满足自身的稳定性,以保证在受力时不发生翻转、抽出等形式的失效。以下将分别对不同类型的剪力件讨论这两方面的计算方法。

(1)剪力件的分类。

由于构件的刚度将影响其受力状态及计算模式,故在剪力件的强度及稳定性计算之始,有必要依其刚度的大小进行分类。

-对于混凝土结构、钢筋混凝土结构及断面较大的钢结构剪力件,由于其刚度较大, 自身的变形通常可以忽略,故计算中可按刚性构件对待。

对于土工布、钢丝网,薄钢板等剪力件,由于自身刚度甚小,在外力作用下其自身的变形将使初始的受力状态发生根本的变化。此类剪力件可按纯柔性构件对待。

对于钢板、编织袋装混凝土等结构的剪力件、其刚度介干以上两者之间,通常难干估计其变形的程度。对此类剪力件,建议分别按刚性、柔性两种方法计算,取其不利情况控制设计结果。

(2)刚性剪力件强度计算。刚性构件在剪力作用下,由于自身无变形,故构件即依自身的抗剪能力抵抗外载。构件的强度计算即为抗剪强度计算∶

s<Q

式中,S为剪力,Q为构件设计抗剪强度。此外,刚性剪力件还应根据其稳定性计算解出的填料压差布计算弯矩,并进行抗弯计算。

(3}柔性剪力件强度计算。 当剪力件为柔性时。由于起约束作用的是格内散体填将。因而构件在剪切力的作用下局部将发生明显的偏转。此时剪力件实际上是以抗拉的形式阻碍滑动面的产生与发展的。故此时的剪力件强度即可按抗拉模式计算;

S<N

式中,S为剪力,N为构件的设计抗拉强度。

(4)刚性剪力件稳定性计算。刚性剪力件在自身强度足够的情况下,一般只能发生偏转位移。其抗转动的稳定性计算如下∶

位于填料内部的刚性剪力件所受的荷载实际是通过其双侧填料的压力差来施加的。因剪力件为刚性,可近似假定其上作用的填料压力差是线性分布的。当然,由于位于极限剪切破坏面两侧的土体有相对位移的趋势,因而在剪力件通过滑动面处,剪力件所受的填料压力也是不连续的。不过因为作为刚体对待的剪力件的变形转角是唯一的,固而其各段的压力分布线仍可假定为彼此平行,从而刚性剪力件上双侧填料的压力差分布图形可假定如下,见图4.2.8.

image.png

image.png

从目前国内外有关格形钢板桩结构设计的资料上看,涉及剪力构件部分的不多,更没有较为系统的研究成果。剪力构件在工程中采用的实例也很少。因此说,目前对于剪力构件的设计,无论是在理论上还是实践上都没有十分成熟的经验可循。造成这种情况的原因固然是多方面的,但本文认为一个很重要的原因是由于过去采用格形钢板桩结构较多的基本上都是一些发达国家,其施工能力较强,钢材价格较低,在这种条件下采用剪力构件没有什么明显的优越性。但是在我国,由于施工机具、能力有限,尺度过大的格体往往仅因施工的困难即失去可行性。此外我国目前用于格形结构的钢板桩基本上还需进口。在这种情况下,如能通过剪力构件的采用,降低格体的尺度,其效益应是十分显著的。故而本文较详细地探讨了剪力构件的设计方法。但应提请读者注意的是,本文所提出的设计方法同样也是很不完善的,尚有许多问题有待于进一步研究。

(1)抗剪切变形计算模式变化的问题。在进行格形结构抗剪切变形稳定计算时,是把格内填料作为均质的散体对待的。而剪力构件的置入。则使之具有了明显的结构性。这样以往根据无剪力构件情况下的研究成果所作的关于抗剪切变形稳定性计算模式的假定,其与实际情况的适应性就成了一个新的问题。例如,关于抗剪切变形稳定性计算的关键-初始剪切破坏面的假定原则,前文已提到过。应该说在结构中,可能发生的滑动面是无限的,各种不同的计算方法只不过根据其各自的研究结果选用了他们认为能起控制作用的一个而已。这样我们针对某一种计算控制模式所设置的剪力构件有可能有效地改善了该模式下结构的性能。但此时,其它的原本不起控制作用的滑动模式则有可能在新的条件下成为最不利的控制模式。如果某格体采用竖向滑动面计算的抗剪切变形安全系数为0.8【K】,而采用水平滑动面时为0.9【K】,那么很显然是竖向滑动面的计算模式起控制作用。但如果采用了水平剪力构件使竖向滑动面模式的安全系数达到了【K】,结构的稳定性显然仍存在问题。只不过起控制作用的变成了水平方向的滑动模式而已。

鉴于剪力构件设置后引起的这种计算模式的不定性,本文建议,在目前的情况下,当格体的抗剪切变形稳定性采用一种方法进行设计,其它方法进行复核时,如设计安全系数不满足要求或复核安全系数低于许用值较多时,不应通过设置剪力构件的方法解决。仅在设计安全系数达到许用值而复核安全系数略差的情况下才可考虑剪力构件的抗剪作用。复核计算中安全系数的高低标准,参照港工现行规范中关于抗滑稳定性的要求,建议取用其许用值的80%为限。这略相当于极限破坏状态。

(2)剪力构件设计的安全系数问题一在剪力构件的设计中,安全系数的采用是目前争议较大的一个问题。从不同的角度出发,有下述四种观点;

①因剪力件是为增强抗剪切变形性能而设置的,故计算应以结构的抗剪切变形稳定性要求为主。即按抗剪切变形许用的安全系数计算抗剪切变形稳定性,据此求得剪力件的"虚"内力,而后按极限破坏状态来设计剪力件。

②剪力件作为一单独构件,设计方法应与一般构件无异。即应按极限破坏状态来计算抗剪切变形稳定性,据此求得剪力件的"真实"内力,而后按强度设计许用的安全系数来设计剪力件。

③因抗剪切变形稳定性,构件强度属不同类别计算,其安全系数意义不同,故计算中各处均应按许用值选用。

④作为工程设计,从不同角度对结构、构件进行的稳定性、强度计算,均应满足工程要.求,而以其不利情况控制设计。具体的剪力构件可采用①、②两种方法设计结果中较大的值。

本文认为,上述四种观点中,作法①剪力件的强度无保证,作法②结构的抗剪切变形性能不清,作法③则过于保守,均不可取。在具体工程中应按方法④进行设计。

由于目前在结构的抗剪切变形性能达不到极限破坏状态时。尚不可以剪力件补强,故采用方法②设计时将得出剪力件内力为负,即无须设置的结论。此时方法④即与方法①是等效的。故而在前文的介绍中,是采用方法①的形式来表达的。

(3)内力分配问题。格形钢板桩结构在外荷载的作用下,内力的分配较复杂,剪力构件的置入更增加了这种复杂性。钢板桩格体、格内填料、填料内埋设的剪力构件构成一复合结构、共同抵抗剪切变形的作用。这样就存在一个总剪力在各部分之间分配的问题。从理论上说结构各部分的内力分配比例是由其各自的刚性即应力、应变特性决定的。因面原则上应通过对其整体的结构力学分析来确定。遗憾的是目前对这种含有弹性、塑性的复合结构,无论在理论上还是计算上都尚无良策。这样在外荷载的作用下,剪力构件所承受的剪力实际上是不得而知的。在本文有关剪力件的设计中,我们实际上引入了这样一条假定,即在结构达到其极限状态时,其各部分均达到了极限状态。从材料力学的角度上看,由于极限状态意味着材料达到了其应变的流限,即在内力不明显变化的情况下,变形显著发展。这样,如结构中某一组成部分尚未达到这种状态,随着外荷载的增加,该部分的内力必然随之增加,而其它部分的变形尽管增大,内力却不会再增大。同时,即使结构中仅有一部分未达到极限状态,那么结构的整体变形必然要受到它的约束,从而结构仍具有受力的潜力,从这种意义上说,上述的假定还是有一定的依据。

尽管如此,采用上述假定进行设计,在工程的角度上仍然不无间题,因为目前工程中虽采用极限状态的设计方法,但结合着安全系数的取用,实际上是排斥极限状态发生的可能性的。因为极限状态的发生,往往已宣告结构或构件破坏,这是工程上所不允许的。而作为复合结构,尽管通过上述的讨论可以断定当结构整体达到极限状态时,各部分均已达到极限状态。但这并不表明其各部分是同时达到极限状态的,也不能表明,当结构总体尚未达到极限状态时,其各部分均未达到。于是在本文讨论的问题中,就有可能出现这样的情况,按上述方法设计的结构在允许使用的外荷载作用下,虽然格体、填料尚未达到极限状态,而结构也未出现显著的变形,但填料内埋设的剪力构件却已达到极限受力状态。随着外荷载的增大,当其变形超过其流幅时,该构件即失效并释放其所承受的荷载骤然加给格体及填料,从而导致其连锁性的脆性破坏。

针对上述可能,本文建议,剪力构件应选用流幅较宽的所谓延性材料。对素混凝土、预应力钢筋混凝土等脆性结构应尽量避免采用。

(4)其它问题。除上面谈到的几方面问题外。在剪力件的内力计算、稳定性计算中,也还或多或少地存在着一些值得研究的问题。例如,剪力件的内力计算目前仅能取用抗剪切变形的计算模式,一如前述,这些计算模式自身都带有很大程度的局限性与假定性。 并目其彼此之间尚有矛盾之处。另外,由于剪力件的设置改变了原有的结构性能,假定计算模式与实际情况的近似性可能会变得更差,这样由该模式求解的剪力件内力可能是很不准确的。又如,在剪力件的强度及稳定性计算中,硬性地将其划分为刚性、柔性两类,但实际的剪力件应该说往往是介于二者之间的,这样其实际情况必然与计算的结果有出入,再如,就刚性剪力件的抗弯计算,因其内弯矩目前尚只能根据直线假定的填料压力求得,作为强度设计也过于粗糙,而在柔性剪力件的拉力计算中,由于约束体为散体,剪力件在约束变形处与剪切方向不可能完全一致,而必然是斜交的。这显然会使得计算拉力值偏小。

基于上述种种原因,本文认为,剪力件的设计中尚有许多关键性的问题有待于进一步研究解决。在目前的工程设计中,本文提出的计算方法可供参考,但作为设计依据则显不足。在剪力构件的设计过程中,还应借助于各种数理模型试验及原型观测结果加以必要的验证。

二、上部结构

当采用格形钢板桩结构型式时,通常上部胸墙结构下都要设置持力基桩。当上部结构未设置持力基桩时,其结构设计可按常规方法进行,本文不加叙述。当上部结构设置持力基桩时,其结构形式类似于低桩承台。鉴于目前我国《港口工程技术规范》中没有列入与之相类似的结构设计方法,故本文对其加以介绍。

I.构造特点

格形钢板桩结构建筑物的上部胸墙结构的使用要求与构造要求同其它结构形式中没什么差异,由于格体外沿线凸凹性带来的一些几何方面的限制在第一章中已有论述,不再重复。

上部结构通常采用实体混凝土、钢筋混凝土结构。当然采用其它的诸如梁板、框架等轻型结构型式也是可以的。但由于格形钢板桩结构型式自身的特点,采用轻形上部结构在设计、施工等方面难度均较大,因而目前尚无工程上的实例。

上部结构的施工方法可采用现场浇筑也可采用预制安装。但无论采用何种方法上部结构及持力基桩间均应设有现浇的连接段, 以确保两者间力的传递。具体作法可参见有关的港工书籍。

2.上部结构上的荷载

视建筑物性质的不同,上部胸墙结构上可能受有下列荷载∶

(1)上部胸墙结构、内部埋设管件、其上安装的固定设备等部分的自重;(2)静水压力(包括剩余水压力);(3) 流动机械、堆货等活荷载;(4)船舶荷载;(5)土压力(6)波浪力;(7》地震力。

以上荷载的计算、组合可基本上按《港口工程技术规范》中相应的条文进行,对波浪力等由于格形结构型式产生特殊性的荷载。原则上应根据模型试验确定,当不具备试验条件或在初步设计以前的估算阶段,也可近似按常规方法粗算。

3.内力计算

对于实体胸墙结构,当荷载不是很大时,通常可不必进行内力及强度的计算。采用素混凝十结构或仅按构造要求配筋—般即可满足强度的要求。对干较单覆或其上作用有较大荷载的上部胸墙结构,则应计算其内力并进行相应的强度计算。上部结构的内力计算较复杂,视具体情况也可采用一些近似的方法进行计算。兹介绍如下。

(1)精确法。作为支承在持力基桩上的上部结构,其构造及受力较为复杂。首先上部结构的几何尺寸由于受到各种工艺及构造上的限制,常常作得很不规则。其次,持力基桩由于受格室的约束往往部分布置在格内、部分在格外,其间距、刚度特性都不相同,致使上部结构的支承方式复杂化。另外,胸墙上可能作用的荷载较多,通常不仅有各方向的分力,还有转矩,且常不具备对称性。因此,严格的解法是取上部结构的一个构造分段,连同其下部的

基桩一起按空间结构进行计算。这种计算十分复杂,工作量也极大,因而往往必须借助电子计算机才能完成。精确计算一般采用有限单元法进行。计算中实体上部结构按三维实体划分单元,框架、板梁结构则可按杆、梁、壳类单元划分。持力基桩一般按梁单元考虑。基桩两端视具体情况可分别按绞接、固接及弹性嵌固考虑。

((2)刚性桩台法。当上部结构的刚度较大时,其自身的变形通常很小,此时在计算中可近似假定其为刚性,即在外力作用下只发生位移而不发生变形。结构按支承于弹性支柱(桩)上的刚体,亦即刚性桩台求解。

因结构和荷载均具有空间性,故通常应按空间问题求解。在具有对称性的情况下,也可近似地简化为平面问题进行计算。

(3)代替框架法。 当持力基桩在纵横向的布置都比较规则时,可近似按代替框架法进行计算。把空间问题简化为平面问题。用线支承代替点支承,将原结构划分为横向和纵向平面排架。对单向排架可按常规的平面排架求解。具体视上部结构的刚度大小可按刚性排架或柔性排架计算,但通常不可以简化为非刚性排架。

上述几种计算方法的具体步骤及计算公式在一般的结构计算手册中均可查到,本文不加重复。

关于计算方法的选用问题,本文的意见是,在计算模式基本符合实际的情况下,应尽可能采用简化的计算方法。一方面可使结构的受力状态明确化,减小出错的几率;另一方面,就水工结构而言,大体说来一般的计算都比较粗糙,在某个局部的计算中刻意求精往往意义也不大。就格形结构的胸墙及持力基桩系统的计算,一般说来采用平面问题求解即可满足工程设计所要求的精度。4.强度计算

由于上部胸墙结构一般为混凝土或钢筋混凝土结构,故在内力已知的情况下其强度计算只是一个配筋或修正截面尺寸的问题。即可按常规的方法进行。

三、轨道梁

在格形钢板桩结构建筑物中,为卸荷,有时在轨道梁下设置持力基桩。类似于带持力基桩的上部结构的情况, 由于散体填料的压缩模量通常远小于基桩,且存在沉降的问题。故在计算中通常不再考虑当前与梁地基间的直接作用,而认为梁单纯地由持力基桩支撑。此时的轨道梁设计问题,实际上仅是求解一个平面桩基排架的问题。

四、持力基桩7.构造特点

格形钢板桩结构建筑物中的持力基桩,由于受桩格的限制,且有时是在格内、格后填料回填前进行沉桩的,故-一般只能采用直桩。持力基桩可采用堂规的预应力钢筋混凝土结构或钢结构,断面形状也无特殊要求。基桩的桩位,规格除受诸如板桩格形、施工条件等因素限制外,主要取决于其自身的承载力要求和上部结构的受力要求。较为特殊的是持力基桩位于格外的部分表现为高桩,而位于格内、格后填料中的部分其工作状态则属于低桩。

2.基桩内力计算

在上部结构的计算中,通常是连同持力基桩一并考虑的。但由于在上部结构计算中,持力基桩通常是按假想的端承构件考虑的。故就基桩本身而言,其内力计算结果是不直实的. 尚需依其具体的约束条件另行计算。因上部结构计算中基桩的模拟通常遵循桩顶力学特征等效的原则, 相对而言桩顶内力是较准确的。 这样在基桩内力的计算中可将上部结构计算得到的桩端力作为基桩的反向荷载考虑,进而计算桩身内力。

(1)轴力。持力基桩的轴力包括桩顶荷载及回填料负摩擦力两部分,其中桩顶荷载可由上部结构的计算求得,填料的负摩擦力则应根据具体的情况判断是否考虑。负摩擦力的值通常须根据实验确定,或按有关的参考资料中介绍的经验公式近似估算。

(2)弯矩、剪力。当受有的水平荷载不大时,如轨道梁下的持力基桩,一般可不必计算其弯矩与剪力,按单纯轴力进行设计。当桩顶受有较大的水平力时则应计算其弯剪力,以进行相应的强度计算。桩内弯矩、剪力计算可按《港口工程技术规范》所列的 m 法或张氏法进行。其中桩顶受力根据上部结构计算求得,但此时在上部结构的计算中,上部结构与基桩的连接方式通常必须按固接模式考虑、不可简化为铰接。基桩也不可简化为弹簧支座。

3.轴向承载力及强度计算

持力基桩的承载力及强度计算同常规基桩。

五、轨道梁联系构件.构造特点

轨道梁联系构件系指设于前后轨道梁之间的拉压杆件。该杆件通常以受拉方式工作。 也有以受压方式工作的,个别的还有在不同工况下受力方向改变的可能。受拉杆件一般采用钢结构,受压及拉压杆件则多采用钢筋混凝土结构。联系构件可采用间隔布置杆件的形式,也可采用连续的板状布置形式。

需要说明的一点是,当轨道梁下设持力基桩时,为了适应梁位移的要求,一般不宜将桩头与梁锚固;通常可采取简支的构造形式。

2.内力计算-

联系构件的内力通常按轨道梁的极限移动阻力考虑,其中包括轨道梁前后侧的极限主被动土压力差及梁与基础的摩阻∶力。"见图4.2.10。

image.png

image.png

image.png