橋梁深水基礎(chǔ)鋼管樁圍堰受力特性分析

陳 鷹

(中國鐵建十六局集團第三工程有限公司，浙江 湖州 313000)

隨著橋梁深水基礎(chǔ)施工技術(shù)的不斷發(fā)展，鋼圍堰在深水基礎(chǔ)施工中得到了廣泛的應用[1]。其形式包括鋼板樁圍堰、鋼吊箱圍堰、鋼管樁圍堰等，具有強度高、安全性能好以及施工簡便、成本較低等特點[2]。目前，國內(nèi)外橋墩基礎(chǔ)施工中多采用鋼板樁圍堰或鋼吊箱圍堰形式。

現(xiàn)有研究成果表面，有些文獻采用平面有限元對單根鋼板樁進行受力分析，模擬結(jié)果與實際偏差較大，也有一些將空間有限元、平面有限元和等值梁法對橋梁深水基礎(chǔ)鋼板樁圍堰受力情況進行了對比分析，結(jié)果表明采用空間有限元法能夠較好地反映鋼板樁圍堰的實際受力情況。在深水基礎(chǔ)施工中也常采用鋼吊箱圍堰、鋼圓筒圍堰進行橋墩的施工[3-4]，采用有限元建模對圍堰結(jié)構(gòu)的變形及應力分析也較為普遍。目前針對深水中橋墩施工應用鋼板樁或鋼圓筒圍堰較多，鋼管樁圍堰應用相對較少。

本文以泰和贛江特大橋2#墩鋼管樁圍堰為依托，采用ANSYS Workbench建立空間模型，依據(jù)實際施工組織方案進行工況劃分，考慮靜水壓力及動水壓力作用，對圍堰的變形及應力進行了分析。

1 工程概況

泰和贛江特大橋位于江西省吉安市泰和縣，處于贛江中游地區(qū)，與已有京九線泰和贛江特大橋并行，位于其上游33 m。其中，橋梁2#墩所在區(qū)域水深11.8 m，下部為裸露基巖，下伏基巖主要為強-弱風化泥質(zhì)粉砂巖，巖體完整性較好，承載力較高。

該橋址位于贛江中游地區(qū)，設(shè)計施工水位為58.8 m，常水位為56.2 m，設(shè)計流速為3.68 m/s，常水位流速為2.34 m/s。

現(xiàn)場施工中，2#墩圍堰采用φ820 mm×10 mm鎖扣鋼管樁圍堰，圍堰頂高程為+60.8 m，施工期間水位高程為+58.8 m，下部為裸露基巖。鋼管材質(zhì)為Q235，單根鋼管長度為18.2 m，鋼管樁置于基巖頂面下3 m。為了保證圍堰的整體穩(wěn)定，每根鋼管樁均設(shè)置鋼筋混凝土錨固樁，錨固樁直徑0.7 m，伸入鋼管3.4 m，錨固樁總長6.5 m。鋼管樁圍堰平面尺寸為28.72 m×21.03 m，S1面為迎水面，S3面為背水面。圍堰豎向共設(shè)置4層內(nèi)支撐，4道支撐分別距鋼管頂部1.5，4.5，7.5,10.0 m。鎖扣鋼管樁圍堰內(nèi)支撐腰梁采用2HW400H型鋼，斜向撐桿和縱向撐桿采用φ630 mm×10 mm鋼管，施工期間圍堰外部主要承受靜水壓力和動水壓力作用。在圍堰外側(cè)S1,S2面設(shè)置4個監(jiān)測點，分別位于圍堰外側(cè)面4層支撐處，編號分別為S1-1，S1-2，S1-3，S1-4，S2-1，S2-2，S2-3，S2-4。見圖1。

圖1 鋼管樁圍堰布置(單位：m)

2 有限元模型計算

2.1 模型建立

參考2#圍堰實際尺寸，用AutoCAD建立幾何模型，導入ANSYS Workbench進行單元劃分并建立有限元模型。分別施加靜水壓力、動水壓力及自重荷載，進而根據(jù)施工工況完成施工受力分析。鋼管樁圍堰有限元模型如圖2所示，鋼管樁用空間梁單元模擬，梁截面尺寸為直徑820 mm、厚度10 mm的圓形，支撐腰梁用厚度10 mm的殼單元模擬，內(nèi)支撐采用相應尺寸的空間梁單元模擬。鋼管樁之間連接鎖扣按照等效剛度原則簡化成薄板，采用厚度15 mm的殼單元進行模擬。為保證各單元之間的受力和變形協(xié)調(diào)，約束關(guān)系均采用點-面接觸，不考慮相對滑移。約束順序依次為鎖扣(殼單元)-鋼管樁(梁單元)-支撐腰梁(殼單元)內(nèi)支撐梁(梁單元)。模型共劃分單元 33 491 個，設(shè)置節(jié)點 30 110 個。

模型施加的荷載有自重荷載、靜水壓力及動水壓力，模型底部采用固定約束，約束在鋼管樁底部。圍堰外靜水壓力呈正三角形分布，最大壓力140 kPa，位于河床底部。迎水面S1所受到的動水壓力呈負三角形分布，經(jīng)計算最大壓力為11.6 kPa，且位于水面?？紤]背水面S3的波浪效應，S3受到水流的吸力作用，取值為動水壓力的一半。

圖2 鋼管樁圍堰有限元模型

2.2 各工況下的鋼管樁圍堰變形分析

橋墩的施工是一個長期過程，在施工過程中，不同工況下圍堰所受到的內(nèi)外壓力差也不同。依據(jù)施工工序建立有限元模型，并結(jié)合工程實際，將施工過程主要劃分為4個工況：①鋼管樁插打完成并設(shè)置第1道支撐，圍堰內(nèi)抽水至第2道支撐處；②設(shè)置第2道支撐，圍堰內(nèi)抽水至第3道支撐處；③設(shè)置第3道支撐，圍堰內(nèi)抽水至第4道支撐處；④4道支撐全部設(shè)置完成，圍堰內(nèi)抽水至封底混凝土頂面。

根據(jù)以上4個工況，利用ANSYS有限元軟件分別對各個工況下圍堰受到靜水壓力、動水壓力、重力等作用下的變形量、最大正應力和最大軸力進行計算(見表1)，從而對該圍堰的穩(wěn)定性進行評價。

表1 各工況下圍堰變形量及受力統(tǒng)計

通過計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各個工況均滿足穩(wěn)定條件，在工況3的時候，圍堰軸向支撐壓力最大為1647.9 kN，最大正應力為179.85 MPa，均滿足穩(wěn)定性條件。但在該工況下軸向壓力較大，所受最大正應力位于圍堰底部，最大值接近鋼材允許值182 MPa，安全富裕較小，安全系數(shù)接近于1。故在工況3即圍堰抽水至第4道支撐位置處且第4道支撐未安裝的情況下，需要注意圍堰底部鋼管應力狀況。此時第3道軸向支撐所受壓力最大，在必要時需采取相應的施工措施確保施工安全。

2.2.1 變形量分析

靜水壓力均勻分布在鋼管樁圍堰四周，迎水面受到非均勻水流壓力作用，迎水面與背水面承受不同的荷載。由有限元分析結(jié)果可知，鋼管樁圍堰的變形主要體現(xiàn)在橫向鋼圓筒支撐和鋼管樁管壁的壓縮變形,工況4變形云圖見圖3。

圖3 工況4變形云圖

數(shù)值計算結(jié)果表明，鋼圍堰最大變形處均為橫向支撐鋼圓筒處。由表1可知，設(shè)置第1道橫向支撐時，內(nèi)支撐鋼管變形量即可達到12.53 mm，隨著施工的進行，內(nèi)支撐鋼管的變形量逐漸增大。當設(shè)置第4道支撐且圍堰內(nèi)抽水至封底混凝土表面時，鎖扣鋼管樁圍堰變形量達到最大14.74 mm；在鋼管樁圍堰邊角處，變形量普遍較小，甚至不產(chǎn)生變形。鋼管樁圍堰的變形主要集中在抽水的初始階段，隨著抽水的不斷進行，圍堰的變形量增長速度不斷降低，變形增量也隨之減小。這是由于施工初始階段鋼管樁之間的咬合較松，當鋼管樁承受初始內(nèi)外壓力差時，變形量較大。隨著抽水的進行，鋼管樁之間的鎖扣咬合越來越緊密，圍堰的整體剛度也得到了提高[5-8]，圍堰的變形量增量也因此減小。

根據(jù)理論計算結(jié)果，在工況3和工況4條件下圍堰變形量累計值最大。為保證現(xiàn)場施工安全，實際施工中在第2道和第3道支撐處橫向設(shè)置了2根同規(guī)格的鋼管，避免進入工況3和工況4的過程中產(chǎn)生圍堰失穩(wěn)現(xiàn)象。

2.2.2 鋼管樁表面應力分析

由于監(jiān)測儀器在設(shè)置第1道支撐后安裝，故由監(jiān)測儀器得到的應力值為圍堰表面變化值。通過有限元計算，并根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測點可提取相應位置處沿重力方向的應力值，得到相應的應力差值，分別為以下3種：工況2與工況1的應力差，工況3與工況1的應力差，工況4與工況1的應力差。各個工況下圍堰各測點表面應力差值變化趨勢如圖4。

圖4 圍堰表面應力差值變化趨勢

由圖4可知，第2道橫撐設(shè)置完成后，第1道支撐和第3道支撐測點處應力變化值較小，第2道和第4道支撐測點處應力變化值普遍較大，分別表現(xiàn)為拉應力和壓應力。隨著施工的進行，各個測點的應力變化情況不也同，第1道支撐與第2道支撐測點處應力變化趨勢較平穩(wěn)，變化值較小。當設(shè)置第3道支撐時，該處的應力呈現(xiàn)陡增趨勢，產(chǎn)生了較大的變形。第4道支撐測點處應力變化值較小，當設(shè)置第4道支撐時，該處的應力也呈現(xiàn)陡增趨勢，其他測點處應力變化趨勢則較平穩(wěn)。

由以上分析可知，每安裝一道支撐時，該處的應力變化都較為明顯，在施工過程中需要加強防范。越靠近圍堰底部，鋼管表面應力隨施工的推進變化越明顯。在第4道支撐安裝處，其應力變化值最大，所受軸力也越大，在必要時需要采取相應的措施保障施工安全。

2.3 理論值與實測值對比分析

將各監(jiān)測點應力差理論計算值與實測值進行對比，見圖5?？梢钥闯觯S著施工的進行，在第2道支撐和第3道支撐處圍堰表面的應力變化較為明顯，在工況3條件下，應力變化最為顯著。理論值與實測值中出現(xiàn)的最大應力差工況和監(jiān)測位置基本一致，變化趨勢也基本相同。故采用ANSYS Workbench計算可以較好地反映出圍堰的應力變化情況。

由圖5可知，理論值與實測值有一定的差異，最大可達到42.58%，最小只有8.55%，差值大部分在10%～30%，且實測值均小于理論值。主要原因有：在數(shù)值計算中，未考慮封底混凝土和鋼管樁內(nèi)混凝土的影響。由于考慮鎖扣建模會加大模型計算的難度，故為簡化計算，鋼管樁之間連接鎖扣按照等效剛度原則簡化成薄板，采用厚度15 mm的殼單元進行模擬，并以理想的施工條件為前提進行模擬，故數(shù)值計算中圍堰表面變形較實際偏大，相應應力變化值也較大。

3 結(jié)論

1)鋼管樁圍堰最大變形均在橫向支撐鋼圓筒處，進入工況3時變形最大，在施工初始階段鋼圍堰的變形量較大。隨著抽水的進行，鋼管樁圍堰的整體剛度提高，最大變形量增長幅值相應較小。實際施工中，在第2道和第3道橫撐處分別設(shè)置了2根相同規(guī)格的鋼管，避免圍堰因變形較大產(chǎn)生失穩(wěn)。

2)通過軸力和應力分析，工況3和工況4鋼管柱圍堰軸向支撐壓力最大，且鋼管樁表面最大正應力值接近鋼材的允許應力值，故在必要時需采取相應的施工措施確保施工安全。

3)應用ANSYS空間有限元對圍堰進行建模時，鋼管樁之間的連接采用殼單元可大大減少計算量。通過將理論值與實測值進行比對表明，該建模計算結(jié)果在一定程度上可以反應出鋼管樁圍堰在各個工況下的受力特性。若只對單根鋼管樁進行計算，定義其邊界條件不太準確，故不建議采用平面有限元方法對單根鋼管樁進行計算。