岷江大橋雙壁鋼圍堰施工過程數(shù)值分析及優(yōu)化

王興波

中鐵昆明投資公司重慶地鐵建設(shè)指揮部

摘要：四川省宜賓市屏山縣岷江大橋主橋?yàn)門型剛構(gòu)連續(xù)梁，其4、5號(hào)橋墩基礎(chǔ)均采用雙壁鋼圍堰施工，為保證圍堰的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理，故對(duì)該橋4號(hào)、5號(hào)主墩承臺(tái)圍堰通過MIDAS程序進(jìn)行三維空間建模，并對(duì)各種桿件賦予各自材料特性，結(jié)合具體施工流程.通過分析套箱和內(nèi)支撐的不同施工階段的最不利工況，找出施工工程中的主要控制工況，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化處理。結(jié)果表明：在工況3，即圍堰封底混凝土澆筑完畢并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，對(duì)套箱內(nèi)進(jìn)行抽水時(shí)，圍堰的受力與變形明顯增大，可通過增大環(huán)板厚度等手段可顯著減小圍堰受力；此外，不同工況下圍堰的應(yīng)力集中部位比較明顯，可以加強(qiáng)該部分構(gòu)造；封底混凝土的厚度也可以通過MATLAB求得同時(shí)滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性的最優(yōu)解。

關(guān)鍵詞：承臺(tái)；雙壁鋼圍堰；受力分析；設(shè)計(jì)計(jì)算；有限元法

Abstract：The main part of the Minjiang Bridge that locates in Pingshan County Yibin City Sichuan Province，is a continuous girder of T-Shaped steel structure. Its foundation of number 4 &5 bridge pier both adopts the double-wall steel boxed cofferdams construction methods. In order to make sure the structural design of cofferdam is economical and reasonable，the three-dimensional finite element soft-ware MIDAS was used to analyze the cofferdam structures and define various bar their material properties，combined with specific construction process，。Through the analysis of the different construction of box and inside support phase the most unfavorable conditions，we can find the main working condition of control in construction engineering and to optimize the cofferdams structure according to the calculating results. The results show that the stress and deformation of the cofferdam are increased when the base sealing concrete for the cofferdams reaches its designed strength and when water inside the cofferdams is pumped out. We can reduce the force of the cofferdams by increasing of thickness of surrounding plates. Besides，the cofferdams stress focusing parts may obvious and different under vary working conditions，which can strengthen the formation of these parts；the thickness data of the bottom sealing concrete can be also obtained by MATLAB as well as satisfying the intensity and stability of the optimal solution.

Key words：cushion cap；double-wall steel boxed cofferdam；force analysis；design calculation；finite element method

1 概述

屏山岷江大橋位于四川省宜賓市 屏山縣新縣城旁的岷江之上，南北方向縱跨岷江。大橋橋梁全長816.08m，橋面寬度為16.5m，主橋?yàn)門型剛構(gòu)連續(xù)梁，橋跨布置為130.5m（邊跨）+235m（主跨）+130.5m（邊跨），梁體采用懸臂現(xiàn)澆，共29節(jié)段，引橋北岸為3×30m預(yù)制簡支梁跨，南岸為7×30m預(yù)制簡支梁跨。

4號(hào)、5號(hào)主墩基礎(chǔ)采用φ2.8m 鉆孔灌注樁群樁結(jié)構(gòu)，每個(gè)墩布置8 根樁，承臺(tái)采用倒角矩形形式，承臺(tái)的平面尺寸為16.8m×16.8m，水中墩承臺(tái)頂面設(shè)計(jì)高程為+2.0m，采用水下混凝土封底，封底厚度為250cm。水中墩均采用雙壁鋼圍堰施工，鋼圍堰沿著護(hù)筒周圍的導(dǎo)向架下放，單個(gè)墩鋼圍堰外壁尺寸為21m×21m，鋼圍堰高度分別為18m、20m。

通過對(duì)國內(nèi)外[1-6]多座橋梁雙壁鋼圍堰的設(shè)計(jì)過程的研究，本文將對(duì)對(duì)該橋4號(hào)、5號(hào)主墩承臺(tái)圍堰通過MIDAS程序進(jìn)行三維空間建模，并對(duì)各種桿件賦予各自材料特性，結(jié)合具體施工流程，分析套箱和內(nèi)支撐的不同施工階段的最不利工況，找出施工過程中的主要控制工況，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)圍堰進(jìn)行優(yōu)化處理。

2 圍堰結(jié)構(gòu)構(gòu)成和施工工藝

2.1 圍堰結(jié)構(gòu)組成

水中4#、5#主墩基礎(chǔ)均采用雙壁鋼圍堰施工，鋼圍堰內(nèi)壁尺寸18m*18m，壁厚1.5m，鋼圍堰高分別為18m、20m，總體分3節(jié)制造，刃腳部分高度為1.65m，底節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)高度為2m，次節(jié)、頂級(jí)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)高度為2m。

圍堰主要結(jié)構(gòu)由由壁體、刃腳、內(nèi)撐三大部分組成。

壁體主要由面板結(jié)構(gòu)、水平桁架結(jié)構(gòu)、鋼箱結(jié)構(gòu)構(gòu)成。面板結(jié)構(gòu)包括面板和加勁肋，兩者之間通過焊接連接。外面板采用6mm 厚鋼板，內(nèi)面板采用5mm 厚鋼板，加勁肋采用L75×7mm 角鋼，間距為35cm。水平桁架由環(huán)板、斜桿組成，底節(jié)套箱環(huán)板采用截面為15×1.2cm 的鋼板帶，頂節(jié)套箱環(huán)板采用截面為20×1.2cm 的鋼板帶，斜桿采用2L63×40×5mm 不等邊角鋼，環(huán)板與面板間斷焊接，環(huán)板與斜桿滿焊，焊縫厚度均按薄板母材厚度控制。鋼箱結(jié)構(gòu)作為壁板的主承力結(jié)構(gòu)，由鋼板焊接而成，截面尺寸為1.0m×1.0m，總高度17m，與壁板相同豎向分為兩節(jié)。

為便于圍堰順利下沉，在圍堰底部設(shè)置了刃腳，高度為1.5m，呈三角形布置，外面板采用6mm 厚鋼板，內(nèi)面板采用5mm 厚鋼板，面板加勁肋采用L75×7mm 角鋼，面板與加勁肋間斷焊接。

本圍堰共設(shè)置2 道內(nèi)支撐，均采用φ630×6mm 鋼管。頂層內(nèi)支撐中心標(biāo)高為5.2m，底層內(nèi)支撐中心標(biāo)高為2.7m，鋼管支撐在四個(gè)鋼箱上，兩層內(nèi)支撐之間焊接φ273×6mm 鋼管立柱。各構(gòu)件間均為滿焊，焊縫厚度按薄板母材厚度控制。

2.2 施工工藝

雙壁鋼套箱圍堰施工工藝為：鉆孔樁施工→圍堰設(shè)計(jì)與加工→圍堰拼裝、接高、下放→圍堰清基、封底→圍堰抽水后按常規(guī)方法施工承臺(tái)及墩身。

由于承臺(tái)埋置入河床的深度較大，套箱內(nèi)外側(cè)的壓力差大，在保證套箱及各層內(nèi)支撐的結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，選定合適的施工流程：先在拼裝平臺(tái)上組拼第一節(jié)鋼套箱，然后澆筑3m 高的壓倉混凝土，將第一節(jié)套箱下放著床，以第一節(jié)套箱為標(biāo)準(zhǔn)，在第一節(jié)套箱上拼裝第二節(jié)套箱，完成所有焊接工作后澆筑剩余3m 的壓倉混凝土，套箱下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高，套箱內(nèi)開挖至封底混凝土底面，水下澆筑封

3 圍堰受力分析

3.1 計(jì)算模型確定

為分析圍堰在施工過程中的變形與受力情況，本文通過軟件MIDAS建立模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析。根據(jù)圍堰不同階段的施工與受荷特點(diǎn)，對(duì)圍堰在各個(gè)工況下的情況作了適當(dāng)?shù)暮喕痆7，8]。

模型中對(duì)于不同的構(gòu)件采用不同的單元進(jìn)行模擬：圍堰的內(nèi)壁板和外壁板用板殼單元模擬；鋼套箱內(nèi)外壁板之間的水平桁架弦板、內(nèi)支撐、隔艙板用梁單元模擬；鋼套箱底封底混凝土用實(shí)體單元模擬；水平桁架斜桿和橫桿用桁架單元模擬。將雙壁鋼圍堰視作理想彈性材料進(jìn)行計(jì)算，得出應(yīng)力分布，其中鋼材采用Q235，其設(shè)計(jì)強(qiáng)度為215MPa，彈性模量取2.10GPa，泊松比取0.3；混凝土采用C20，彈性模量取25.5GPa，泊松比取0.17.

圖1 鋼套箱壁板單元模型

圖2 內(nèi)支撐單元模型

圖3 封底混凝土模型

3.2 荷載計(jì)算

4、5號(hào)主墩承臺(tái)尺寸一致，5號(hào)墩圍堰較高，抽水后鋼圍堰承受的側(cè)壓力較大，故以受力最不利的5號(hào)墩鋼圍堰進(jìn)行計(jì)算。

（1）鋼圍堰水、土側(cè)壓力計(jì)算

5號(hào)墩鋼圍堰總高20m，圍堰頂標(biāo)高為+4.0m，圍堰刃腳底標(biāo)高為-17.0m，封底厚度為3m，墩位河床頂標(biāo)高為-7.0m，施工水位+2.638，計(jì)算水位+3.0m，計(jì)算水深10m，主動(dòng)土壓力計(jì)算高度為7m。

水壓力：

封底混凝土以上作用在圍堰側(cè)壁上的最大側(cè)壓力：

（2）水流沖擊力計(jì)算

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》：

矩形阻水結(jié)構(gòu)物形狀系數(shù)：本例取0.934

圖紙?zhí)峁┝魉贋?.94m/s

鋼圍堰迎水面寬度：b=21m

河床以上鋼圍堰高度：h=4.834m

水容重：

水流速度：V=39.4m/s

重力加速度：g=10m/s2

水流沖擊力：FW=1165.58KN

流水壓力：

3.4 圍堰受力與變形分析

（1）工況1：鋼套箱拼裝，施工下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高。

圖4 工況1模型剖面圖

所受荷載：自重、水壓力、風(fēng)荷載、土壓力、水流沖擊力。

圖5 鋼套箱整體位移分布圖

鋼箱的最大變形值為1.42mm，位于鋼箱迎水面頂部中心處附近。

圖6 鋼套箱外壁板應(yīng)力分布圖

圖7 鋼套箱內(nèi)壁板應(yīng)力分布圖

外壁板最大應(yīng)力值為 30.65MPa位于刃角與隔艙板相交處；內(nèi)壁板最大應(yīng)力值為 36.31MPa，位于圍堰迎水面方向頂部中心處。

圖8 水平斜桿應(yīng)力分布圖

圖9 水平桁架應(yīng)力分布圖

水平斜桿所受最大應(yīng)力為22.13MPa，水平橫桿所受最大應(yīng)力為142.54MPa，位于圍堰迎水面方向刃角處；豎向斜桿所受最大應(yīng)力為6.32MPa。

（2）工況2：封底混凝土澆筑施工過程。

所受荷載：自重、內(nèi)壁和外壁靜水壓力、土壓力、混凝土側(cè)壓力、水流沖擊力、風(fēng)荷載、施工荷載。

具體受力情況見表1。

（3）工況3：封底混凝土達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度，圍堰內(nèi)進(jìn)行抽水。

圖10 工況2模型及封底混凝土側(cè)壓力示意圖

圖11 工況3模型剖面圖

所受荷載：自重、內(nèi)壁和外壁靜水壓力、土壓力、混凝土側(cè)壓力、水流沖擊力、風(fēng)荷載。

具體受力情況見表1。

（4）工況4：拆除內(nèi)部支撐，進(jìn)行承臺(tái)施工。

圖12 工況4模型剖面圖

所受荷載：靜水壓力、封底混凝土自重、混凝土側(cè)壓力、水流沖擊力、風(fēng)荷載、內(nèi)壁和外壁靜水壓力。

具體受力情況見表1.

4 結(jié)論

通過對(duì)圍堰在四種工況下的受力進(jìn)行分析，得到圍堰不同工況下整體和各構(gòu)件的位移、應(yīng)力，如下表所示。

表1 各工況計(jì)算結(jié)果匯總

項(xiàng)目 構(gòu)件名稱 工況1 工況2 工況3 工況4

位移（mm） 整體結(jié)構(gòu) 1.42 1.42 4.85 6.52

外壁板 1.42 1.42 4.85 6.52

內(nèi)壁板 1.31 1.30 4.73 6.51

應(yīng)力

（MPa） 外壁板 31.97 27.97 144.59 33.86

內(nèi)壁板 37.26 37.48 147.36 80.47

水平斜桿 -22.13 -23.06 -88.81 -95.63

水平橫桿 -142.5 -151.6 -131.4 -131.1

豎向斜桿 -6.32 -5.45 -15.14 -18.18

豎向角鋼 -12.99 14.76 29.84 10.07

封底混凝土 -- -- -4.25 0.54

通過上述計(jì)算結(jié)果，結(jié)合實(shí)際的施工過程特點(diǎn)，可以得出以下結(jié)論：

1. 不同的工況圍堰的結(jié)構(gòu)和所受的荷載有所不同，本文考慮了各種荷載的組合，得出了圍堰在施工過程中所會(huì)承受的最大應(yīng)力，由計(jì)算結(jié)果可知，圍堰的受力和變形均是滿足要求的。此外，可以看出圍堰在不同工況下均只有圍堰四角距圍堰底部 8m～ 9m 處發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，故可以針對(duì)該部分進(jìn)行加強(qiáng)。

2. 四種工況全面地分析了圍堰施工過程中的不同階段，并且均考慮了荷載組合得出不同階段的最大應(yīng)力變形情況，圍堰均滿足要求，并較為經(jīng)濟(jì)合理。

3. 可見工況3，即封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，對(duì)圍堰內(nèi)進(jìn)行抽水，此時(shí)圍堰內(nèi)的應(yīng)力值達(dá)到最大，是施工過程中最應(yīng)該注意的控制工況；可以通過增大環(huán)板厚度、增大橫撐截面積等方式來減小圍堰在此階段的受力。

4. 通過工況3、4對(duì)封底混凝土的應(yīng)力的計(jì)算可知，在該厚度下，封底混凝土應(yīng)力值較小，還不是最經(jīng)濟(jì)的情況，可進(jìn)行優(yōu)化。

雙壁鋼圍堰的設(shè)計(jì)施工受到水流、風(fēng)速、河床條件等眾多因素的影響，較為復(fù)雜。岷山大橋4號(hào)、5號(hào)主墩雙壁鋼圍堰已順利施工完畢，在施工期間經(jīng)受了洪水期高水位水壓，證明了圍堰設(shè)計(jì)的合理性，本文的研究成果可為同類的圍堰施工提供一定的參考意義。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1]王貴春，皇甫昱.橋梁深水基礎(chǔ)雙壁鋼圍堰施工技術(shù)分析[J].鐵道建筑，2007，（8）：55—60.

[2]吳 鋒，方炫強(qiáng).閔浦二橋大型承臺(tái)鋼套箱施工過程受力分析[J].公路，2010，（5）：27—30.

[3]李陸平，尤繼勤，王吉連.蔡家灣漢江特大橋深水基礎(chǔ)鋼套箱圍堰施工技術(shù)[J].橋梁建設(shè)，2010，（1）：59—62.

[4]張庭華.杭州灣跨海大橋南灘涂區(qū)承臺(tái)鋼吊箱圍堰設(shè)計(jì)與施工[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2005，（4）：30—33.

[5]謝媛媛，張建輝.阿蓬江大橋4號(hào)墩雙壁鋼圍堰的設(shè)計(jì)和施工[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2003，（S1）：162—166.

[6]張勝民.基于有限元軟件ANSYS7.0的結(jié)構(gòu)分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[7]毛偉琦.鋼吊箱圍堰的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工中的幾種方法[J].公路交通技術(shù)，2002，19（1）：40—43.

[8]金書濱，黃生根，常仲昆.巖溶地區(qū)樁基承載性能試驗(yàn)研究[J].中國巖溶，2005，24（2）：147-151

作者簡介：

張三（1960–），男，博士，1983年畢業(yè)于后勤工程學(xué)院建筑工程系工民建專業(yè)，現(xiàn)任教授，主要從事巖石力學(xué)試驗(yàn)研究方面的工作。E-mail：zhangmail@mail.com。

基金項(xiàng)目：重慶市科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（035679）；2002年高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研資助項(xiàng)目（20020183061）

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在樁周非注漿點(diǎn)位臵形成沿樁身的漿液殼或單獨(dú)存在固化或與泥皮發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)而固化，增加了樁側(cè)摩阻力。

以上兩點(diǎn)可理解為，樁側(cè)壓力注漿類似于樁直徑被增大的形狀復(fù)雜的“多節(jié)擴(kuò)孔樁”，即在注漿點(diǎn)附近形成漿土結(jié)石“擴(kuò)大頭”，在非注漿點(diǎn)處的樁身表面形成漿土結(jié)石體的復(fù)合樁身。

8、結(jié)論

沖孔灌注樁基礎(chǔ)在當(dāng)今國內(nèi)外土木建筑深基礎(chǔ)工程中是主要的手段和形式?？墒菃我还に嚨墓嘧冻３４嬖谥陨硪恍┛朔涣说膯栴}，以泥漿護(hù)壁法沖孔灌注樁為例，因?yàn)槌煽坠に嚨墓逃腥毕?，樁底沉渣與樁側(cè)泥膜的存在，明顯造成樁端阻力和樁側(cè)摩阻力降低，對(duì)持力層為土砂層、礫石層等存在著持力層被擾動(dòng)、水泡松軟的現(xiàn)象，灌注樁灌注混凝土的過程中無可避免會(huì)有時(shí)出現(xiàn)一下樁身加土、局部斷樁、離析之類的問題導(dǎo)致樁承載能力不能滿足設(shè)計(jì)要求，原樁報(bào)廢重新沖孔灌注會(huì)嚴(yán)重影響工期，且很不經(jīng)濟(jì)。

可以考慮采用灌漿加固補(bǔ)使其符合設(shè)計(jì)要求。鑒于上述情況，結(jié)合本工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，可以得出一個(gè)結(jié)論。就是結(jié)合灌注樁的具體情況，采用沖孔灌注樁與成樁后樁側(cè)壓力注漿相結(jié)合的施工工藝，可以充分發(fā)揮沖孔灌注樁施工工藝的優(yōu)勢，通過壓力灌漿彌補(bǔ)其缺點(diǎn)，顯著的提高經(jīng)濟(jì)效益和保證施工質(zhì)量。但是需要根據(jù)具體情況采用合理的施工機(jī)具、合適的施工參數(shù)控制、具體情況具體分析，達(dá)到充分發(fā)揮該工藝的理想效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DBJ15-31-2003）。

[2]《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）。