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塑料铰链模型板桩墙分析
P. J. BOURNE-WEBB, D. M. POTTSdagger;, D. KO uml; NIGDagger; and D. ROWBOTTOMsect;
（1.武汉理工大学，土木工程与建筑学院 湖北 武汉 430070）
摘要：本文是众多文献中根据《欧洲规范3》中：钢结构设计 - 第5部分“的理论进行深入研究的一篇，主要探讨的主题是：进行桩模式桩的打桩，离心机试验和数值反向分析。 研究的目的是检查塑料铰链对密封挡墙响应的影响，并验证在更广泛的通用计算中使用的计算方法。进行了嵌入干砂的锚定墙的物理建模。 在一些测试中，铰链区被引入壁中，以便再现类似于与塑性铰链形成相关的运动机理。 使用Lade的双硬化盖模型进行有限元计算，以表示砂的行为。分析结果与墙体行为的许多方面通常符合测试结果。 在测试的目的方面，研究塑料铰链的效果并没有被真实地捕获，因为铰链区从试验开始就存在，允许大于预期的土压重分布，而且由于弯矩 - 缺口壁的特征没有重现钢板桩的塑性弯曲响应中看到的弯曲效应。另一方面，测试观察和数值预测之间的令人满意的协议使得使用计算模型对使用现实的钢板桩力矩 - 弯曲特性的进一步通用计算提供了信心。
关键词：离心机建模；极限状态/分析；数值模拟；板桩和围堰；标准；
中图分类号：TU 文献标识码： 文章编号：
手稿于2009年5月7日收到; 2010年1月12日接受修订的手稿。2010年7月19日之前在线发布。
本文的讨论于2011年11月1日结束，详情见p. ii。
独立岩土工程师，葡萄牙里斯本。
帝国学院，伦敦，英国。
德国波鸿大学鲁尔大学
Corus建筑服务与发展，斯肯索普，英国
引言： 2010年欧洲规范体系在英国和整个欧洲生效。这些规范允许对一些片桩部分使用塑料设计；对于适当的部分，横截面可以是完全塑性的，具有相关联的塑性旋转。
由于引入了欧洲规范和采用塑料设计方法的可能性，钢铁制造商对使用钢板桩产品的安全手段进行了定义。 主要欧洲钢铁制造商的研究部门启动了一个联合项目，目的是开发一种利用欧洲规范3“钢结构设计”第5部分：打桩引入的极限状态概念的设计工具。特别是，该项目旨在开发一种分析最终极限状态（ULS）结构的手段，结合土壤和钢板桩（SSP）部分的可塑性影响。
作为该项目的一部分，进行了物理和数值模拟。进行了1:30规模的离心机试验，旨在代表典型的设计情况。模型挡土墙的测试在德国鲁尔大学波鸿与BU Wuppertal的岩土工程组织和亚琛钢铁建设研究所合作进行。使用有限元法的数值计算在伦敦帝国学院进行。
在本文中，介绍了墙壁物理建模的总结细节，然后概述了进行的数值分析。最后，将数值预测与测试观察结果进行比较，并根据研究目的进行讨论。
1 工程概况
多跨预应力混凝土连续梁桥施工时采用的合龙顺序通常为先边跨，再次中跨，最后中跨，相应的体系转换工序在对应合龙段区域预应力张拉结束后进行。
1.1 临时固结类型
连续梁桥施工中常采用的临时固结主要有三种类型：
2 离心模型试验
在德国波鸿大学岩土工程与土壤力学研究所共进行了10次离心试验。这些模拟的嵌入式墙体中有七个具有一排锚点，并且剩下的三个模拟两个锚点级别。在这里仅详细介绍了四个单锚测试（SPWFG 13至16;表1）; 三个早期的测试是试验，以确保使用的建模技术是切实可行的，并了解铰链区域应位于墙壁的哪里。
测试的目的是测量作用在干砂中的墙上的土压力，形成与塑性铰链形成相关的运动机构，同时考虑到现实的施工过程。 在这些测试的设计中作出的一个关键假设是，从测试开始起，当铰链区域存在时，在试验结束时作用在墙壁系统上的土压力（和因此的内壁力）将是 代表在接近试验结束时在开挖过程的后期阶段在铰链形成之前经历了弹性变形的墙体上的压力。虽然这个假设可能是过度简化，但为了方便测试程序，它被认为是可以接受的。然后将从该测试获得的结果用作验证可用计算模型的手段。
2.1摘要细节
离心机箱体的几何形状和仪器的位置如图1所示。仪器包括用于测量墙体运动的线性可变位移传感器（LVDT），每根锚索上的负载传感器以及用于评估墙壁中心线上的弯矩分布的应变计（Kouml;nig，2002）。
每个试样通过在侧壁上涂抹一层油脂的塑料薄片，然后在沙子中下沉，在强力箱中形成。在沙子的放置期间，该过程在适当的阶段停止，以便放置墙壁，仪器和锚索。锚系统包括从墙壁上的束缚梁，管内，穿过沙子中穿过强箱的后壁并移动到轴机构上的线束。在两根锚索之间，一个齿轮安装在轴上，在该轴上运行一根连接在一端的配重的链条，另一端连接一个集装箱。当试验在飞行中时，容器可以填充流体以模拟锚固预应力。有一个制动系统可以固定锚杆，还有一个力传感器来测量每个锚定载荷。
为了实现模型和原型之间的准确相似性，将需要不切实际的薄钢壁部分，因此在处理壁元件和实现壁可塑性的要求之间需要妥协。考虑了在离心机试验中对SSP壁的缩放反应进行建模的几种替代方案，包括复合铝切片，空隙部分和切口部分（表2）。由于在使用复合或空隙部分获得正确的塑性弯矩和塑性旋转能力方面存在问题，因此选择切口部分最适合离心机测试程序。这不是理想的选择，因为塑性弯曲应变增加，在这个模型墙应变中的“铰链区域”变硬，而与实际SSP段相关联的弯曲不会损失截面弯曲能力。
在飞行中，通过降低强力箱的前壁并使用刮刀机构从模型板桩墙前面去除沙子来模拟挖掘。 开挖进行到墙体系统显示不稳定。
每个单个锚墙试验的测序在制备试样后大致相似。 首先，强力箱被加速到30g，同时对锚点施加小的初始预载荷。 然后挖掘进行到锚点水平的正下方，施加完全预载荷，并将锚栓锁定。 接下来，挖掘工作进行到墙体系统发展到地质技术失效。
从测试中获得的数据包括弯曲应变包络，推断墙壁中心线处的弯矩分布（图2），锚固荷载（图3）和在脚趾水平处的位移，铰链区域（当存在时），锚固层和墙壁的头部，距离模型强框的中心线约140mm的偏移处。 分别可以通过双重积分和双重微分从弯矩分布推断出偏转壁剖面（参见图10-13）和土压力分布。
200
430
Model
wall
LVDT
锚索
应变计
Anchor cable
LVDT
630
70
x
LVDT
黄铜棒和橡胶膜
LVDT
LVDT
LVDT
图1.离心机箱体布局(dimension x 40 mm for SPWFG 11 to 14; 18 mm for SPWFG 15 to 19)
表1.离心机试验概要（型号尺寸）
|
Run ID |
墙几何尺寸: m |
锚点细节 |
|||
|
长度 |
厚度 |
铰链深度 |
No. |
深度: m |
|
|
SPWFG 13 SPWFG 14 SPWFG 15 SPWFG 16 |
0.250 0.250 0.250 0.250 |
0.00255 0.0030 0.0030 0.0030 |
n/a 0.167 0.167 0.167 |
1 1 1 1 |
0.040 0.040 0.018 0.018 |
图2.从测试推测出的时刻信封（模型尺度）
从每个测试中测量的载荷 - 位移响应（图3和表3）评估每个锚的等效线性有效刚度值。 可以看出，有效的锚固刚度值从试验变为试验（表3），以及每次试验期间（图3）。 这些值也比从刚度关系EA / L获得的理论值小得多，其中E是锚固连接的杨氏模量，A是连接横截面积，L是连接横截面积之间的长度墙壁和锚点后面的锚点。
与数值计算比较提供的数据与离心机测试的最后一个稳定阶段有关。 此外，由于为了在铰链区域强制可塑性而进行的修改，所以没有使用完全相同的配置的重复测试，这将允许确认测试结果的可重复性。
图3.测试期间锚固刚度的变化（原型尺度）
|
Type 1 (a) (b) (c) |
Plain Alm plate Single notch Double notch |
2.55 mm Al plate 3 mm Al plate, reduced to 0.85 mm in 1.5 mm wide hinge zone |
Target plastic moment achieved, but resistance does not soften; it hardens slightly |
|
Type 2 |
Voided plate |
Plain sheet with void drilled to leave thin walls to ensure peak resistance followed by softening due to buckling |
Good accord with SSP, but affected by strain- hardening caused during formation of void |
|
Type 3 |
Alucobond |
Two 0.5 mm Al plates either side of a 3 mm polyethylene sheet |
Too high a moment and plastic rotation capacity with creep affecting results |
|
Type 4 |
Alucore |
Two Al plates, 0.7 mm and 1.05 mm thick, sandwiching 4.35 mm Al honeycomb structure |
Too stiff in bending, with little or no plastic rotation before collapse |
表2.考虑用于测试的模型墙类型
3 有限元建模
数字建模是在伦敦帝国学院进行的，使用ICFEP程序（Potts＆Zdravkovic，1999）。
3.1 土壤模型
使用莫尔-库仑型模型进行了一些比较分析; 然而，这里的分析和分析使用了Lade的双硬化帽模型（Lade，1977; Lade＆Nelson，1987）（见附录）。 通常发现，当使用两种土壤模型的分析与来自物理模型的初步测试数据进行比较时，Lades帽模型比Mohr-Coulomb型模型提供了对最大弯矩的更好的预测。后者超过预测的比例超过250％，而前者提供了与测试观察相似的预测（图4）。
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