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1华南理工大学本科毕业设计（论文）翻译班级土木工程三班姓名王剑锋学号200930132042指导教师骆冠勇填表日期2013年4月21日1中文译名一种用于预测拉森钢板桩弯曲强度的数值模型外文原文名AnumericalmodelforpredictingthebendingstrengthofLarssensteelsheetpiles外文原文版出处JournalofConstructionalSteelResearch58(2002)1361–1374译文：一种用于预测拉森钢板桩弯曲强度的数值模型R.J.Crawford,M.P.Byfield摘要拉森桩为U形横截面并通过可滑动的接头连接在一起组成码头岸壁，围堰，和其他类型的挡土墙。由于滑动接头位于桩墙的中心线上，相互连接桩的桩间滑移可能导致桩墙70%的弯曲强度折减。这种桩间滑移可以通过安装成对的带有卷曲的锁头的桩来部分阻止。然而，像非卷曲桩一样弯曲强度很难被预测，因为这种联锁桩依然存在桩间滑移。本文提出了一种用于预测联锁拉森桩弯曲应力以及压应力的数值方法。通过测试1：6比例大小的铝制拉森桩微缩模型的数据与数值模型计算结果进行比较，结果表明数值模型所预测的应力与实际实验结果接近一致。同时本数值模型也可用于钢板桩的设计生产，以达到使用最少的材料来达到最大的弯曲强度的目的。C2002爱思唯尔股份有限公司保留解释权利关键词：行业规范；组合结构；拉森桩；桩结构；挡土墙；钢结构1.介绍钢板桩被广泛运用于全世界。工程上经常使用的两种钢板桩是U型拉森钢板桩和Z型钢板桩。两种类型的钢板桩桩都是利用沿着构件长度方向的锁头连接成有缝的连续墙结构。根据欧洲标准化委员会引入的欧3标准第五部分，U型钢板桩锁头连接部分的下滑位移的影响不能忽视（见图1步骤1）。如果钢板桩单肢的相对滑移严重，则钢板桩的弯曲强度会下降到整体强度的70%，我们将其称为钢板桩模量下降。最早从事该领域研究的是Schillings，Boeraeve和VonWolffersdorf，其中最具成效的是由Hartmann-Linden等主导的在荷兰代尔夫特理工大学进行的大规模场外实验。桩间滑移可以通过成对安装带有卷曲锁头的板桩进行防止。哈特曼-林登在对卷曲拉森桩进行结构测试时发现了一种被称为扭转的现象。这种现象的产生是由于成对安装的钢板桩形状不对称，它可以导致24％的强度损失。这使得欧洲规范将扭转现象纳入考虑并对弯曲强度进行折减。本文提出了对卷曲桩的弯曲应力进行量化的数值模型。本文结论基于模拟位于海湾环境的20m长的LX20号钢板桩的受力情况，精确复制了1:6比例大小铝制拉森桩微缩模型进行试验，并将数值计算模型计算所得弯曲应力与模型试验所获得的实际应力进行比较得出。2步骤1-释放步骤2-还原步骤3-叠加图1.数值模型的基础A．释放阶段B.恢复阶段图2.数值模型的释放阶段和恢复阶段2.数值模型数值模型采用“释放—恢复”模型（见图1）。在步骤1中，在加载情况下去除剪切连接使桩可以自由滑动，然后去除外部荷载，此时连接位置产生内部剪切力。反向滑移产生剪切力的过程如步骤2中所示。如果中性面位于连接面上，那么步骤3的叠加作用应该使步骤1和步骤2所产生位移的总和等于零。根据这一假设可以求出压接力和桩的最终应力。该方法细节如下：2.1步骤1：释放桩间剪切连接图2（a）表示的是弯曲位置桩墙的一部分。由于上部桩与下部桩各承受一半的弯矩，则弯矩产生的应力为：3其中，Mi是所施加的力矩，y是到单桩形心的距离（参照图3）。如果是连接位置的平均弯矩，则总的端部滑移[图2(a)]由下式给出：其中Ls是压接的点之间的距离,ex单桩形心到联锁中心线的距离（图3）。图3.联桩形状及位置示意图2.2步骤2：去除外部荷载，在内部剪切力的作用下产生反向位移图2（b）表示的是弯曲位置桩墙的一部分。在无外部荷载的情况下施加一个压接力T，由此产生的应力σT为其中As是一个单桩的横截面面积，x是到单桩形心的横向距离，ey是联锁接头到单桩形心的横向距离（图3），参数Ix和Iy是单桩x方向和y方向惯性矩。σT已知，则连接位置的总位移为2.3步骤3：计算最终弯曲应力如果连接点处位移为零，则S1+S2+2ST=0联立（2）（4）（5）式，得压接力T为4T已知，则任意位置i处的最终应力为图4表示的是运用数值模型分析测试桩墙中成对安装的卷曲桩在竖向荷载作用下发生扭转所得到的结果（如下节所述5至8表示的是应变计在测试桩上的位置）。该模型预测在卷曲桩的联锁接头处应力呈锯齿形分布。中部虚线则表示的是运用传统分析方法，忽略压接点处的剪力作用，在非对称横截面中应力分布。显然，在联锁接头有限的情况下，那么这两个应力分布收敛。图4.数值模型预测得到的卷曲桩对中的弯曲应力图5显示了为了防止发生扭转使偏心距ey为0时，所有联锁接头处的应力分布，再次强调了当剪力整段传递时中心线处应力的变化。图5.运用数值模型预测得到的桩墙弯曲应力53.1：6比例大小的桩模型试验由于在完整比例大小的拉森桩进行测试存在尺寸过大的问题，本文运用1:6比例大小的铝制拉森桩模型进行测试，用于模拟20m长LX20桩墙的受力情况。在每次测试中，实验桩图6.试验装置进行四点加载（图6），并进行三个测试系列。在系列1中，一共有12根桩进行联锁以形成六个桩对。在这些测试中，桩可以向下移动并发生扭转[见图.7（A）]。在测试结果图7.压点位置6中在垂直轴线方向可以观察到最大为15°的弯曲。与此相比，数值模型预测垂直方向17°的扭转与之接近。由于在实际挡土墙中土的作用横向移动可能会被阻止，所以横向受约束桩的强度仍未可知。因此，系列2测试时通过联接锁头将单根长437.5mm的三个卷曲桩队联接在一起并分成八个部分来限制桩的横向移动[图7（B）]。通过如此设置可以抑制防止桩的横向运动，并将垂直方向的弯曲降低到5°。随后，在系列3测试中[图7(C)]共6个带有完整联锁装置的独立桩进行测试，以防止横向运动。如此设置可以防止扭转，从而提供了一组控制数据作为系列1和2测试基准。每对测试部分通过弯曲的联接锁头连接在一起。在实验室里，用4.0mm直径的铆钉来模拟联接锁头，在合适间隔上布置4.2mm直径的钻口用于铆钉连接。在系列1和系列2测试中铆钉所取间距相当于全尺寸桩墙2.0米、1.0米、0.5米和0.25米的间距。系列3测试中联锁锁头的布置相当于全尺寸桩墙中每米4个联锁装置，用来模拟一个近乎连续的抗剪连接。测试桩尺寸见[图8]，卷曲桩对尺寸见[图9]。未示出的尺寸等于英国钢板桩工程手册上所列出全尺寸LX20桩上的1/6。此外，单桩和联桩的几何特性在表1中列出。图8.单桩尺寸图9.联桩尺寸7图9中一共有8个（6mm）应变计被放置在跨中位置。使用游标卡尺和量规的将应变计中心坐标测出并在在表2中列出，其中单桩坐标指的是到单桩形心的距离（图8）和联桩坐标指的是联桩联锁中心的距离（图9）。应变计的试验数据表3，这些数据被用来绘制8图10中的应力分布图。对于系列1和系列2，进一步布置8个应变计于跨中和支座之间八个42mm铆钉钻口的中心。应变计沿联桩的联锁装置布置，如在图9中的4号应变计。最初，应变计于333mm的中心（相当于全尺寸桩墙上的2米），但在随后的测试中间距减少到166.7mm。这些仪表的数据用于绘制在图11中的变化。所有仪表采用M-Bond200作为粘接剂和催化剂，焊接后的引线施加树脂保护涂层，以提供额外的保护。在测试过程中桩的弹性模量取70.81kN/mm2。图10.跨中理论弯曲应力和实际弯曲应力的比较。4.模型预测和实验数据之间的比较数值模型预测的应力数据与实验数据很好的符合，由此可以看出，该模型能够精确地预测带卷曲锁头的联桩在荷载作用下的翻译，并考虑到剪力传递的中断引起的压接点处的应力变化。在系列1测试中，由于桩可以自由的竖向运动和横向运动，可以观察到完整的扭转现象。在实际工程中由于桩土间的相互作用，理论模型中桩的横向运动完全自由在实际工程中是不能实现的。该模型的应力预测符合实验观察到的值[图10（A）]。图10（B）显示的是系列测试2中横向运动受到约束时的试验结果。测试假设所有联锁锁头卷曲，即压接力的偏心距为零。显然，由于横向约束的存在，系列测试2中的应力分布相对于系列测试1的应力分布发生了改变。图10（Ｂ）所所绘制的应力分布图像，由于约束的存在消除了扭转的影响。此外，系列测试2和系列测试3由于带有完整的卷曲锁9头[图10（Ｃ）]所以二者的应力分布差别不大。尽管在联桩和桩墙中系列测试2与系列测试3所得的应力分布相差无几，但由于系列测试2中锁头处的扭转导致了该位置的弯曲应力发生适度变大。图11（A）和图11（B）展示了带卷曲锁头的联桩在横向运动自由的情况下理论应力与实验应力的区别，其中图11（A）对应全尺寸桩墙中联锁取1m间距时的情况，图11（B）对应2m间距时的情况。虽然在间距较大时理论模型与试验数据出现了显著区别，但是在间距较小的情况理论数据与试验数据表现出了很好的相关性。在完全约束条件下[图11（C）和（D）]理论和实验应力之间的一致性达到了类似的水平。理论模型预测横向约束测试中的应力时假定没有扭转。由于在剪切连接处的剪力发生翻倍导致了理论模型在预测大间距钢板桩应力的时候精确度出现下降。更重要的是，所有的实验结果与理论预测的“锯齿状”应力分布相符合。图11.卷曲联锁中理论应力与试验应力的比较5.讨论数值模型预测的应力与实验数据很好的符合。由此可以看出，该模型能够精确地预测考虑剪力作用时带卷曲联锁装置的联桩在荷载作用下的应力分布。系列测试1中由于竖向位移和横向位移完全自由所以发生了整体扭转现象。由于在实际工程中桩的横向运动受到桩土相互作用的影响不可能完全自由，所以我们对横向运动受约束时的桩的反应做了进一10步研究。系列测试2中由于约束的存在桩几乎不发生扭转现象，同时更准确地模拟了压接力的偏心距为零时的反应情况。此外，系列测试3时将所有桩连接成桩墙来防止扭转与系列测试2时将两个组成联桩时的应力分布相差无几。在实践中，有时我们会优先选择对板桩进行焊接连接。由于本论提出的模型精确预测突变剪力作用下的弯曲应力，所以本模型可以用于焊缝的设计和计算。其中一个运用实例如图12所示一个全尺寸的LX20钢板桩挡土墙的应力分布。荷载分布如图所示，桩体上承受25kN/m的均布荷载，在焊接过程桩间联锁没有没有完全使用焊缝，相反，焊缝已经施加1.5m处中心。图12揭示了在焊缝处的突变剪力作用对桩（墙）其他部分的应力分布影响不大。该模型也可用于量化每一个焊接处的剪切力。图12.预测全尺寸桩墙的弯曲应力6.结论本文提出了一种分析带卷曲联锁装置的拉森钢板桩的弯曲应力的数值模型。本文的分析基于1:6比例大小的铝制拉森桩试验模型的试验结果。试验表明横向约束存在对桩扭转的发生具有很好的抑制作用。通过比较实验和理论结果可以发现，本文提出数值模型能够准确地预测桩墙中的所有点处弯曲应力。应变计所测得的数据也很好的应证了数值模型分析所得的板桩连接处应力呈“锯齿状”分布的结论。本论文提出的模型可用于预测常规拉森钢板桩墙的弯曲应力，也可以用于设计钢板桩所需的联锁装置的个数。文献[1]CENEurocode3:Designofsteelstructures,Part5:Piling.London(UK):BSI,1996.[2]SchillingsR,BoeraeveP.Designrulesforsteelsheetpiles.Lie`ge(Belgium):CRIF,1997.[3]vonWolffersdorfPA.VerformungsprongnosenfurStutzkonstruktionen.Kalrsruhe(Germany):UniversitatFridericiana,1997.[4]Hartmann-LindenRetal.ECSC-Project7210-SA127/523/840:FinalReport.Development11ofrulesforsteelsheetpi