矩形截面雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)行為與受力性能研究

池 鵬，徐 強(qiáng)，孫蕊鑫

(1.陜西省高速公路建設(shè)集團(tuán)公司，陜西 西安 710064；2.陜西高速公路工程咨詢有限公司，陜西 西安 710064；3.西安中交土木科技有限公司，陜西 西安 710075)

矩形截面雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)行為與受力性能研究

池 鵬1，徐 強(qiáng)2，孫蕊鑫3

(1.陜西省高速公路建設(shè)集團(tuán)公司，陜西 西安 710064；2.陜西高速公路工程咨詢有限公司，陜西 西安 710064；3.西安中交土木科技有限公司，陜西 西安 710075)

文章以漢江五橋矩形截面雙壁鋼圍堰工程為例，對雙壁鋼圍堰在橋墩基礎(chǔ)施工過程中所體現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)行為進(jìn)行分析，并采用有限元程序建立雙壁鋼圍堰的板梁混合精細(xì)有限元模型，結(jié)合簡化計(jì)算方法對雙壁鋼圍堰的受力性能進(jìn)行了研究，提出了改善雙壁鋼圍堰受力性能的構(gòu)造措施。

橋梁工程；矩形截面雙壁鋼圍堰；結(jié)構(gòu)行為；受力性能；有限元方法

0 引言

跨江、跨海大橋施工過程中常常要在深水中修建巨大的橋墩基礎(chǔ)圍堰以創(chuàng)造良好的施工環(huán)境。20世紀(jì)70年代我國在修建九江長江大橋深水橋墩基礎(chǔ)時創(chuàng)造性地提出了雙壁鋼圍堰這一新的圍堰形式，這在簡化突破季節(jié)施工限制、提升施工工序、縮短施工工期方面有了新的突破[1]。此后，雙壁鋼圍堰成為我國橋梁深水基礎(chǔ)施工廣泛采用的一種圍堰形式[2]。

雙壁鋼圍堰所處的水下施工環(huán)境惡劣，受力十分復(fù)雜，目前對雙壁鋼圍堰的研究多限于構(gòu)造設(shè)計(jì)與施工方案的探討[3-7]，對其在橋墩基礎(chǔ)施工過程中所體現(xiàn)出的受力性能研究較少。針對上述問題， 本文以漢江五橋雙壁鋼圍堰為研究背景， 詳細(xì)分析其

在橋墩基礎(chǔ)施工過程中的體現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)行為，采用有限元仿真分析與簡化計(jì)算相結(jié)合的方法對雙壁鋼圍堰的受力性能進(jìn)行研究。

1 工程概況

漢江五橋橋墩基礎(chǔ)施工用圍堰為矩形截面雙壁鋼圍堰，堰長26.0 m，寬19.5 m，高19.0 m，壁厚1.2 m，下部設(shè)1.7 m高的刃角；鋼圍堰豎向設(shè)10個鋼箱，鋼箱面板與水平環(huán)板厚度為10 mm；面板縱肋采用[10型鋼，間距35 cm；鋼圍堰內(nèi)設(shè)三層內(nèi)支撐，內(nèi)支撐水平桿采用φ630×10mm鋼管，焊接在鋼箱內(nèi)面板上，一、二層內(nèi)支撐間的立柱、斜撐(Ⅰ25a)與內(nèi)支撐形成空間桁架。雙壁鋼圍堰總體布置見圖1。

圖1 雙壁鋼圍堰總體布置圖(尺寸單位：cm；高程單位：m)

2 雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)行為特點(diǎn)分析

根據(jù)橋墩基礎(chǔ)施工過程中雙壁鋼圍堰承受的外荷載和約束條件的變化，將雙壁鋼圍堰的結(jié)構(gòu)行為按以下5個施工階段進(jìn)行分析：

(1)階段1：雙壁鋼圍堰下沉至設(shè)計(jì)位置，將圍堰內(nèi)河床清挖至封底混凝土底面標(biāo)高。此時，圍堰內(nèi)外水位等高，凈水壓力內(nèi)外平衡；迎水側(cè)外面板承受流水壓力與土壓力，其它外面板只承受土壓力。

(2)階段2：封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后抽干圍堰內(nèi)存水。此時，階段2～階段4外面板均承受與階段1相同的荷載；內(nèi)面板內(nèi)、外側(cè)水頭差達(dá)到最高的16.135m，內(nèi)面板承受最大單側(cè)凈水壓力，內(nèi)支撐承受的軸向壓力也達(dá)到最大；本階段雙壁鋼圍堰受力圖示見圖2。

(a)內(nèi)面板 (b)迎水側(cè)外面板 (c)非迎水側(cè)外面板

(3)階段3：第一層承臺混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，拆除第一層內(nèi)支撐及第一、第二層內(nèi)支撐間斜撐。第一層承臺在其高度范圍內(nèi)為內(nèi)面板提供剛性橫向支撐，間接降低了內(nèi)面板內(nèi)、外側(cè)水頭差，內(nèi)面板承受的凈水壓力減??；由于拆除了第一層內(nèi)支撐，第二、第三層內(nèi)支撐承受的軸向壓力增大。

(4)階段4：第二層承臺混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，拆除第二層內(nèi)支撐，施工首批7m高橋墩。第二層承臺為內(nèi)面板提供剛性橫向支撐，內(nèi)面板內(nèi)、外側(cè)水頭差進(jìn)一步減小，內(nèi)面板承受的凈水壓力減??；拆除第二層內(nèi)支撐后，第三層內(nèi)支撐承受的軸向壓力較上階段增大。

(5)階段5：首批橋墩施工結(jié)束，向圍堰內(nèi)回灌6m高江水，拆除第三層內(nèi)支撐。由于江水回灌，內(nèi)面板承受的凈水壓力對內(nèi)、外側(cè)水頭差減而減??；因內(nèi)支撐全部拆除，需密切關(guān)注圍堰頂口變形。

3 有限元仿真分析模型

3.1 有限元分析模型

采用有限元程序ANSYS建立雙壁鋼圍堰的板梁混合精細(xì)有限元模型，采用板殼單元Shell63模擬鋼圍堰內(nèi)、外面板、鋼箱及水平環(huán)板；采用梁單元Beam44模擬面板縱肋與內(nèi)支撐鋼管。有限元數(shù)值模型如圖3所示。

圖3 雙壁鋼圍堰1/2有限元模型圖

雙壁鋼圍堰材料選用Q235結(jié)構(gòu)鋼，各向同性，屈服強(qiáng)度fy=235MPa，彈性模量取E=2.06×105MPa，泊松比取為0.3，密度取為7 850kg/m3。

3.2 計(jì)算荷載與邊界條件

3.2.1 計(jì)算荷載

(1) 流水壓力呈倒三角形分布，按現(xiàn)行公路橋規(guī)公式FW=KγmAv2/2g計(jì)算圍堰迎水面流水壓力，計(jì)算斷面流水速度v=1.0m/s[10]；

(2) 靜水壓力呈正三角形分布，與水深成正比，按公式q1=γωh計(jì)算，最大值為156.35kPa；

(3) 鋼圍堰刃角入土后，作用在鋼圍堰上的土壓力介于靜止土壓力和主動土壓力之間，均呈正三角形分布，根據(jù)現(xiàn)行公路橋規(guī)按公式p0=γ′hK0與pa=γ′hKa分別計(jì)算，取用兩值中的較大者[10]；

(4) 按公式Ft=τ×A計(jì)算土側(cè)摩阻力，細(xì)砂層τ=30MPa，卵石土層τ=90MPa，A為圍堰外面板入土面積，因圍堰下沉?xí)r破壞了土層的原始狀態(tài)，計(jì)算時考慮2倍安全系數(shù)；

(5) 封底混凝土與鋼護(hù)筒之間握裹力系數(shù)取0.15MPa[11]；

(6) 水的浮力為9 800N/m3。

水壓力與土壓力荷載以梯度荷載的形式施加在圍堰面板上。

3.2.2 邊界條件

約束鋼圍堰底層節(jié)點(diǎn)與刃腳斜面板節(jié)點(diǎn)的豎向位移自由度，施工過程中按封底混凝土與承臺的澆筑高度對內(nèi)面板的面外位移自由度進(jìn)行約束，為保證結(jié)構(gòu)整體計(jì)算的穩(wěn)定性，約束上層內(nèi)支撐中間節(jié)點(diǎn)的橫、順橋向位移自由度。

4 雙壁鋼圍堰受力性能分析

4.1 靜力性能分析

分別對前文劃分的5個施工階段雙壁鋼圍堰的受力狀態(tài)進(jìn)行有限元仿真分析，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 雙壁鋼圍堰各構(gòu)件應(yīng)力與變形值表

說明：“—”表示內(nèi)支撐鋼管已全部拆除。

由表1可以看出，CS2鋼圍堰受力最不利，除外面板外，其它構(gòu)件最大應(yīng)力均在本階段出現(xiàn)；CS5鋼圍堰總體剛度最弱，除內(nèi)支撐外，其它構(gòu)件的最大變形均在本階段出現(xiàn)。施工過程中鋼板件最大應(yīng)力為185.8MPa，桿件最大應(yīng)力為201.6MPa，均屬于約束或構(gòu)件連接位置的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，鋼圍堰其它區(qū)域應(yīng)力水平較低。

由圖5～9可以看出，由于雙壁鋼圍堰內(nèi)部設(shè)置有內(nèi)支撐，橫、順橋向內(nèi)面板最大變形均出現(xiàn)在面板中央兩道內(nèi)支撐之間，且變形呈環(huán)狀由內(nèi)向外逐漸減??；內(nèi)面板在鋼箱與橫、順橋向面板間焊縫處因受到較強(qiáng)的面外支撐(內(nèi)支撐兩端與鋼箱焊接)而呈現(xiàn)出較高的應(yīng)力水平，且局部有應(yīng)力集中現(xiàn)象，鋼箱之間與鋼箱與垂直面板之間的面板變形相對自由，應(yīng)力水平較低。

圖5 鋼圍堰整體變形圖(單位：m)

圖6 內(nèi)面板Mises應(yīng)力分布圖(單位：kPa)

圖7 外面板Mises應(yīng)力分布圖(單位：kPa)

圖8 鋼箱面板Mises應(yīng)力分布圖(單位：kPa)

圖9 水平環(huán)板Mises應(yīng)力分布圖(單位：kPa)

4.2 穩(wěn)定性能分析

4.2.1 結(jié)構(gòu)整體抗浮穩(wěn)定性分析

封底混凝土澆注完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，抽干圍堰內(nèi)存水。此時，雙壁鋼圍堰依靠封底混凝土與鋼護(hù)筒的握裹力(方向向下)以及鋼圍堰自重、封底混凝土重量、刃角填充混凝土重量、圍堰內(nèi)倉水重量以及圍堰外面板受到的土層摩阻力來克服江水浮力，防止鋼圍堰被浮起。如果需要的握裹力小于封底混凝土與鋼護(hù)筒之間的最大握裹力，可以保證鋼圍堰穩(wěn)定和施工安全。否則，鋼圍堰抗浮穩(wěn)定性不滿足要求。

圖10 鋼圍堰豎向受力示意圖

鋼圍堰受力狀態(tài)見圖7，豎向受力平衡方程為：

∑F=Gw+Gf+Gh+Ft+Fm-fw(1)

式中:Gw——鋼圍堰自重(kN)；Gf——封底混凝土與圍堰刃角填充混凝土自重(kN)；

Gh——鋼圍堰雙壁內(nèi)倉江水重量(kN)，內(nèi)倉水位與江水持平；

Ft——鋼圍堰外面板受到的土層摩阻力(kN)；

Fm——封底混凝土與鋼護(hù)筒之間的握裹力(kN)；

fw——鋼圍堰承受的浮力(kN)。

如果鋼圍堰在水中保持平衡，必有∑F≥0，即(Gw+Gf+Gh+Ft+Fm)/fw)≥1。根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算各分力值，可得：

(Gw+Gf+Gh+Ft+Fm)/fw=1.23>1.0

鋼圍堰排水后抗浮穩(wěn)定性能滿足施工安全要求，且由上式還可以看出，必要時可以通過增減鋼圍堰平臺配重、調(diào)節(jié)隔艙內(nèi)水位和江水間的落差來改善圍堰排水后的抗浮穩(wěn)定性。

4.2.2 內(nèi)支撐穩(wěn)定性簡化分析

橋墩基礎(chǔ)施工過程中，鋼圍堰壁板主要承受由凈水壓力、流水壓力以及土壓力產(chǎn)生的面外水平荷載，幾乎不承擔(dān)軸向荷載，壁板穩(wěn)定性能較容易保證；鋼圍堰相當(dāng)于四周承受水壓的矩形環(huán)，環(huán)板是提供抗壓面積的主要構(gòu)件，主要承受壓力，由于環(huán)板中心挖空，有效長度小，穩(wěn)定性亦不存在問題；內(nèi)支撐起平衡兩側(cè)壁板壓力，減小壁板計(jì)算跨度的作用，為受壓桿件，穩(wěn)定問題尤為突出，且隨下層內(nèi)支撐的拆除，剩余內(nèi)支撐承受的壓力亦會發(fā)生變化，需對整個施工過程內(nèi)支撐的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

考慮同層內(nèi)支撐桿件間的相互約束作用，壓桿計(jì)算長度取內(nèi)支撐節(jié)間長6.5m，按兩端鉸支壓桿簡化，其歐拉臨界應(yīng)力為：

由于根據(jù)彈性理論計(jì)算得到的歐拉臨界應(yīng)力2 309 MPa遠(yuǎn)大于Q235鋼材的屈服強(qiáng)度235 MPa，根據(jù)文獻(xiàn)[12]按下式對其進(jìn)行非彈性修正：

由式(3)計(jì)算得到內(nèi)支撐彈塑性屈曲臨界應(yīng)力為229MPa，與表1各施工階段內(nèi)支撐最大應(yīng)力比較可知，各施工階段內(nèi)支撐最大應(yīng)力均小于其彈塑性屈曲臨界應(yīng)力，內(nèi)支撐穩(wěn)定性滿足要求。

5 結(jié)語

(1) 雙壁鋼圍堰鋼板件最大應(yīng)力為185.8MPa，桿件最大應(yīng)力為201.6MPa，均屬于約束或構(gòu)件連接位置的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，鋼圍堰其它區(qū)域應(yīng)力水平較低。

(2) 封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度并抽干圍堰內(nèi)存水，為雙壁鋼圍堰抗浮穩(wěn)定受力最不利狀態(tài)，此時，雙壁鋼圍堰抗浮穩(wěn)定系數(shù)為1.23，抗浮穩(wěn)定性滿足施工安全要求。

(3) 考慮同層內(nèi)支撐間相互約束作用，按兩端鉸支壓桿進(jìn)行簡化計(jì)算得到內(nèi)支撐彈塑性屈曲臨界應(yīng)力為229MPa，大于內(nèi)支撐承受的最大壓應(yīng)力125.8MPa。

(4) 內(nèi)面板內(nèi)、外較大的水頭差導(dǎo)致其應(yīng)力水平高于外面板，可采用在隔艙下部填充混凝土、上部填充水來替代全部填充水的方法，以達(dá)到減少結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形，提高結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性的目的。

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Study on Structural Behavior and Mechanical Properties of Rectangular Section Double-wall Steel Cofferdam

CHI Peng1，XU Qiang2，SUN Rui-xin3

(1.Shaanxi Expressway Construction Group Corporation，Xi'an，Shaanxi，710064；2.Shaanxi Expressway Engineering Consulting Co.，Ltd.，Xi'an，Shaanxi，710064；3.CCCC Civil Engineering Science & Technology Co.，Ltd.，Xi'an，Shaanxi，710075)

With rectangular section double-wall steel cofferdam project of Hanjiang V Bridge as the example，this article analyzed the structural behavior of double-wall steel cofferdam during the pier foundation construction，and established the mixed plate-girder refined finite element model of double-walled steel cofferdam by using the finite element program，and combined with simplified calculation method，it studied the mechanical properties of double-wall steel cofferdam，then proposed the structure measures to improve the mechanical properties of double-wall steel cofferdam.

Bridge engineering；Rectangular section double-wall steel cofferdam；Structural behavior；Me-chanical performance；Finite element method

U445.55+

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.06.012

1673-4874(2015)06-0048-05

2015-05-08

池 鵬，工程師，碩士，主要從事橋梁與隧道設(shè)計(jì)及施工管理研究；

徐 強(qiáng)，工程師，主要從事路橋施工管理工作；

孫蕊鑫，工程師，碩士，主要從事橋梁工程設(shè)計(jì)與科研工作。