鋼板樁圍堰應(yīng)用與受力分析

張 凱

(西安灃東市政工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710000)

鋼板樁圍堰應(yīng)用與受力分析

張 凱

(西安灃東市政工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710000)

結(jié)合某工程實(shí)例，從鋼板樁圍堰的整體強(qiáng)度及穩(wěn)定性出發(fā)，應(yīng)用有限元程序MIDAS Civil2010對(duì)此工程中鋼板樁圍堰最不利狀況進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，并對(duì)其強(qiáng)度以及穩(wěn)定性進(jìn)行了檢算，通過檢算結(jié)果證明了鋼板樁圍堰強(qiáng)度和穩(wěn)定性均滿足相應(yīng)要求，說明了鋼板樁圍堰在該工程應(yīng)用中的可行性。

鋼板樁圍堰，結(jié)構(gòu)計(jì)算，強(qiáng)度，穩(wěn)定性

0 引言

鋼板樁圍堰適用于深水或深基坑、水流速度較大的粘質(zhì)土、砂類土、碎石土等堅(jiān)硬的河床，是水下承臺(tái)、水下墩(臺(tái))身施工時(shí)最常見的防水圍堰形式，主要由鋼板樁和封底混凝土共同形成，既能夠作為封底混凝土的模板，也能和封底混凝土共同起到防水作用。鋼板樁圍堰以其良好的強(qiáng)度性、防漏水性、緊密性以及相對(duì)施工的簡(jiǎn)便性、快速性、材料本身的易回收性等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。本文針對(duì)某實(shí)際工程，從組成鋼板樁圍堰各構(gòu)件的強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性出發(fā)，利用大型計(jì)算程序?qū)ζ溥M(jìn)行空間建模計(jì)算，檢算鋼板樁圍堰在不利情況下的強(qiáng)度以及穩(wěn)定性。

1 工程概況

2 鋼板樁圍堰受力分析

2.1 參數(shù)取值

鋼板樁圍堰各構(gòu)件相關(guān)計(jì)算參數(shù)取值，內(nèi)圍囹：截面面積A=86.07 cm2，重量M=73.808 kg/m，慣性矩I=21 714 cm4，截面抵抗矩W=1 085.7 cm3；SP-Ⅳ鋼板樁：截面面積A=96.9 cm2，重量M=76.1 kg/m，慣性矩I=38 600 cm4，截面抵抗矩W=2 270 cm3；φ529鋼管(δ=8 mm)：截面面積A=130.88 cm2，重量M=102 kg/m，慣性矩I=37 424.843 cm4。

2.2 采用的計(jì)算工況

根據(jù)鋼板樁圍堰所在土層特點(diǎn)，在進(jìn)行受力分析時(shí)對(duì)鋼板樁圍堰的各組成構(gòu)件強(qiáng)度及其整體穩(wěn)定性進(jìn)行檢算。考慮鋼板樁施工中對(duì)土層產(chǎn)生的擾動(dòng)，故將其所在土體容重均按浮容重考慮。由于該鋼板樁圍堰采用“先支撐后挖泥，分層支撐分層挖泥”的原則進(jìn)行施工，分析表明圍堰內(nèi)抽干水狀態(tài)為最不利工況，因此按以下兩種工況進(jìn)行檢算。

工況一：按挖深至79.6 m，河床覆蓋層，鋼板樁計(jì)算長度為10 m，此時(shí)鋼板樁圍堰外側(cè)承受主要荷載為：靜水壓力。

工況二：按挖深至78.733 m，河床巖面，鋼板樁計(jì)算長度為10.87 m，此時(shí)鋼板樁圍堰外側(cè)承受主要荷載為：靜水壓力，靜止土壓力。

檢算時(shí)主要考慮以下荷載：

靜水壓力p=γh，鋼板樁圍堰四周均施加靜水壓力。

靜止土壓力：p0=k0γz，其中,k0為靜止土壓力系數(shù)，對(duì)粘土k0取0.55。

2.3 鋼板樁圍堰檢算

對(duì)鋼板樁圍堰采用MIDAS Civil2010軟件建立空間有限元計(jì)算模型，鋼板樁采用板單元模擬，內(nèi)支撐、圍囹均采用梁?jiǎn)卧M，鋼板樁圍堰下插于河床面并且有封底混凝土，因此將鋼板樁底部采用固定約束的邊界條件。鋼板樁圍堰的MIDAS空間有限元檢算模型如圖2所示。

2.3.1 圍囹和內(nèi)撐的檢算

由空間模型計(jì)算得到在工況一和工況二下圍囹和內(nèi)撐的受力狀況，具體如表1所示。

表1 圍囹和內(nèi)撐所受最大應(yīng)力和軸力

由建模所得計(jì)算結(jié)果可知在工況一和工況二下，圍囹受到最大應(yīng)力值分別為54.8 MPa和34.1 MPa，均發(fā)生在最下層圍囹與內(nèi)撐相交處，小于其構(gòu)件容許應(yīng)力140 MPa，圍囹應(yīng)力滿足要求。

內(nèi)撐所用鋼管截面面積A=13 088 mm2，慣性半徑i=184 mm，λ=12 913/184=70,φ=0.751。

內(nèi)撐考慮穩(wěn)定自身所能承受最大軸力：N=φ×A×[f]=0.751×13 088×140=1 376 kN。

由建模所得計(jì)算結(jié)果可知在工況一和工況二下，內(nèi)撐受到最大應(yīng)力值分別為98.7 MPa和74.5 MPa，小于構(gòu)件容許應(yīng)力140 MPa，內(nèi)撐應(yīng)力滿足要求；內(nèi)撐受到最大軸力值分別為1 078.8 kN和903.9 kN，均位于最下層斜撐，小于構(gòu)件容許軸力1 376 kN，內(nèi)撐穩(wěn)定性滿足要求。

2.3.2 鋼板樁檢算

由模型分析計(jì)算得到在工況一和工況二下，鋼板樁圍堰每延米的繞水平軸的最大彎矩分別為248.2 kN·m/m和275.8 kN·m/m(如圖3，圖4所示)。取一片鋼板樁進(jìn)行驗(yàn)算，鋼板樁的寬度為0.4 m，鋼板樁邊緣斷面的模量為：W=814.8 cm3，計(jì)算得到鋼板樁外緣應(yīng)力為：

工況一時(shí)，鋼板樁應(yīng)力最大值發(fā)生在順橋向南側(cè)河床覆蓋層鋼板樁的相交處，鋼板樁容許應(yīng)力為140 MPa，其應(yīng)力滿足要求。

工況二時(shí)，鋼板樁應(yīng)力最大值發(fā)生在順橋向南側(cè)底部混凝土支護(hù)與鋼板樁的相交處，鋼板樁容許應(yīng)力為140 MPa，其應(yīng)力滿足要求。

2.3.3 整體穩(wěn)定性檢算

鋼板樁圍堰的整體穩(wěn)定性可以通過模型分析計(jì)算中的屈曲模態(tài)數(shù)據(jù)得到，在工況一和工況二下鋼板樁圍堰整體屈曲模態(tài)如圖5和圖6所示。

工況一時(shí)，鋼板樁圍堰的屈曲模態(tài)最小特征值即臨界荷載為97.8>1，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性能滿足要求。

工況二時(shí)，鋼板樁圍堰的屈曲模態(tài)最小特征值即臨界荷載為109>1，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性能滿足要求。

2.3.4 檢算結(jié)論

由模型計(jì)算得到的結(jié)果分析得出：

1)在工況一和工況二下，鋼板樁圍堰的圍囹、內(nèi)撐和鋼板樁強(qiáng)度及內(nèi)力均滿足要求。

2)在工況一和工況二下，鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性能均滿足要求。

3)最下層圍囹與內(nèi)撐是受力薄弱處，河床覆蓋層和巖床層與鋼板樁交界處是鋼板樁受力薄弱處，施工中應(yīng)注意薄弱位置的變形和受力變化。

3 結(jié)語

通過對(duì)鋼板樁圍堰最不利受力狀況進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，對(duì)其強(qiáng)度以及穩(wěn)定性進(jìn)行詳細(xì)檢算，檢算結(jié)果證明鋼板樁圍堰強(qiáng)度和穩(wěn)定性均滿足相應(yīng)要求，說明鋼板樁圍堰在本工程應(yīng)用中的可行性；檢算結(jié)果同時(shí)給出最大受力處，在進(jìn)行鋼板樁圍堰施工時(shí)應(yīng)留意相應(yīng)部位的變形及受力變化，為保障工程開挖安全順利進(jìn)行提供了可參考依據(jù)。

[1] 陳長明.強(qiáng)涌潮地區(qū)拉森Ⅵ型鋼板樁圍堰施工計(jì)算[J].橋梁建設(shè)，2009，19(5)：49-52.

[2] 張 駿.橋梁深水基礎(chǔ)鋼板樁圍堰受力分析與應(yīng)用[J].橋梁建設(shè)，2012，42(5)：74-81.

Application and stress analysis of steel sheet pile cofferdam

Zhang Kai

(Xi’anFengdongMunicipalEngineeringConstructionCo.,Ltd,Xi’an710000，China)

Combined with an engineering example, starting from the integral strength and stability of steel sheet pile cofferdam, application of the finite element program MIDAS Civil2010 of this project in the most unfavorable situation of steel sheet pile cofferdam structure analysis, on the strength and stability calculation, through the inspection results prove the steel sheet pile cofferdam strength and stability all meet the corresponding requirements, indicate the feasibility of steel sheet pile cofferdam in the engineering application.

steel sheet pile cofferdam, structure calculation, strength, stability

2014-11-29

張 凱(1984- )，男，工程師

1009-6825(2015)04-0180-02

U445.4

A