基于ANSYS鋼板樁圍堰有限元分析

張樹清， 魏慶慶

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司; 公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

1 工程概況

太和縣穎河四橋,主跨(63+115+63) m，為變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁。鋼板樁圍堰尺寸為27 m×17 m,鋼板樁樁長28 m,采用長密扣式拉森Ⅳ級鋼板樁,如圖1所示。鋼板樁圍堰四周打入8根D529 mm的鋼管樁,四角各1根,每個(gè)圍堰面中心各1根。內(nèi)設(shè)置1道冠梁,距離承臺底設(shè)置7道圍檁支撐,間距分別為2.2 m、2.2 m、2.2 m、2.1 m、2.0 m、2.0 m、1.0 m。施工計(jì)算按15#墩最不利計(jì)算。根據(jù)太和縣水文資料,按汛期水位資料控制,鋼板樁頂面標(biāo)高29.5 m。

圖1 鋼板樁圍堰布置圖

2 材料參數(shù)

鋼材彈性模量[1]Es=2.1×105MPa,泊松比νs=0.3,溫度線膨脹系數(shù)為1.2e-5。鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值指標(biāo)應(yīng)根據(jù)鋼材牌號、厚度或直徑取值[2],按表1采用。

表1 鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

3 計(jì)算荷載

計(jì)算時(shí)按施工水位的最大標(biāo)高取鋼板樁圍堰的頂標(biāo)高，為+29.5 m。結(jié)構(gòu)所受的側(cè)面壓力,在河床以上的范圍內(nèi)為靜水壓力,在河床以下至封底混凝土底面以上的范圍內(nèi)為靜水壓力與主動土壓力之和。

考慮施工過程,分析結(jié)構(gòu)受力狀態(tài),選取支護(hù)結(jié)構(gòu)的最不利狀態(tài)進(jìn)行分析計(jì)算,共選取九種工況進(jìn)行計(jì)算分析。

工況一:圍堰打插到位,吸除基底泥土至基坑底設(shè)計(jì)位置,封底混凝土尚未澆筑,圍堰內(nèi)有水,圍堰內(nèi)外水壓力平衡,圍堰只受土壓力作用。

工況二:圍堰打插到位,吸除基底泥土至基坑底設(shè)計(jì)位置,封底混凝土尚未澆筑,圍堰內(nèi)有水,圍堰內(nèi)外水壓力平衡,圍堰只受土壓力作用,為平衡土壓力圍堰內(nèi)注水使圍堰內(nèi)水位高于圍堰外20 cm。

工況三:封底混凝土澆筑完成,抽水至第二道圍檁位置,第二道圍檁尚未安裝,圍堰受(外側(cè)高出部分)土壓力作用+水壓力。

工況四:第二道圍檁安裝完成,抽水至第三道圍檁位置,第三道圍檁尚未安裝,圍堰受土壓力作用+水壓力。

工況五:第三道圍檁安裝完成,抽水至第四道圍檁位置,第四道圍檁尚未安裝,圍堰受土壓力作用+水壓。

工況六:第四道圍檁安裝完成,抽水至第五道圍檁位置,第五道圍檁尚未安裝,圍堰受土壓力作用+水壓力。

工況七:第五道圍檁安裝完成,抽水至第六道圍檁位置,第六道圍檁尚未安裝,圍堰受土壓力作用+水壓力。

工況八:第六道圍檁安裝完成,抽水至第七道圍檁位置,第七道圍檁尚未安裝,圍堰受土壓力作用+水壓力。

工況九:第七道圍檁安裝完成,圍堰內(nèi)水抽完,圍堰受土壓力作用+水壓力。

4 計(jì)算模型

4.1 有限元模型

鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)具有對稱性,建模應(yīng)考慮其對稱性。為減少計(jì)算規(guī)模,提高有限計(jì)算單元網(wǎng)格劃分精度,根據(jù)設(shè)計(jì)鋼板樁、圍檁、支撐拼接點(diǎn)具體情況作適當(dāng)簡化處理。采用ANSYS軟件建立鋼板樁圍堰有限元模型，如圖2所示。鋼板樁采用殼單元shell 63模擬,應(yīng)力剛化和大變形能力已考慮在其中[3]。圍檁和支撐采用梁單元beam 44模擬。

圖2 鋼板樁圍堰有限元模型圖

4.2 邊界條件

根據(jù)圣維南原理：分布于彈性體上一小塊面積(或體積)內(nèi)的荷載所引起的物體中的應(yīng)力，在離荷載作用區(qū)稍遠(yuǎn)的地方，基本上只同荷載的合力和合力矩有關(guān)；荷載的具體分布只影響荷載作用區(qū)附近的應(yīng)力分布[4]。

由于鋼板柱圍堰的入土深度較大,土體對入土部分的圍堰起到了嵌固作用,此時(shí)圍堰上端受到內(nèi)撐的支撐作用[5],下端受到土體的嵌固支承作用。本文計(jì)算作出如下假設(shè):

(1) 因土處于飽和水狀態(tài),為簡化計(jì)算且偏安全考慮,不考慮土的黏聚力(c=0)。

(2) 假設(shè)鋼板樁在封底混凝土面以下1 m處固結(jié),在ANSYS中限制Ux,Uy,Uz約束。

(3) 土壓力計(jì)算采用不考慮水滲流效應(yīng)的水土分算法[6],即鋼板樁承受孔隙水壓力、有效主動土壓力及有效被動土壓力。

(4) 鋼板樁間連接可靠,不考慮栓釘、焊縫影響,不考慮栓釘滑移。

模型橫橋向?yàn)閄軸,順橋向?yàn)閆軸,豎橋向?yàn)閅軸,右手螺旋法則確定。

5 結(jié)果分析

通過有限元分析,繪制出鋼板樁圍堰等效應(yīng)力云圖,限于篇幅僅列出施工過程中工況一、工況二、工況九的應(yīng)力云圖,如圖3～圖5所示。各工況作用下,結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)見表2。

圖3工況一 鋼板樁圍堰等效應(yīng)力(單位：MPa)

圖4工況二 鋼板樁圍堰等效應(yīng)力(單位：MPa)

圖5工況九 鋼板樁圍堰等效應(yīng)力(單位：MPa)

表2 各工況作用下結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)

鋼板樁在施工過程,工況二、工況三、工況四作用下,應(yīng)力較大。原因分析:如工況二作用下,第一道圍檁安裝完畢,抽水至安裝第二道圍檁,第二道圍檁尚未安裝時(shí),第二道圍檁至封底混凝土頂面部分鋼板樁,承受圍堰外側(cè)土壓力和第一道圍檁與第二道圍檁之間高度3 m的水頭壓力,根據(jù)靜水壓力為三角形荷載:Pa=ρgH1,H1為距離水面的高度,水壓力為2.2×10=22 kN/m2,鋼板樁類似于兩端支撐的簡支梁,最大支撐間距13.7 m,鋼板樁在水壓力+土壓力作用下變形很大,鋼板樁應(yīng)力較大。

鋼板樁應(yīng)力、變形結(jié)果顯示,鋼板樁施工,隨著圍檁支撐的安裝,應(yīng)力、變形量值逐步降低,鋼板樁可看作兩點(diǎn)支撐的簡支梁,逐步增加支撐點(diǎn)變成為多點(diǎn)支撐的連續(xù)梁,支撐間距減小,鋼板樁受力趨于合理,鋼板樁應(yīng)力減小。

橋梁深水基礎(chǔ)采用的鋼板樁的最大應(yīng)力為σ=202.303 MPa<[σ]=300 MPa,滿足要求; 鋼管樁最大應(yīng)力為158.224 MPa<[σ]=300 MPa,強(qiáng)度滿足要求;圍檁支撐穩(wěn)定性滿足要求;圍檁最大應(yīng)力為140.797 MPa<[σ]=300 MPa,強(qiáng)度滿足要求。

6 結(jié)束語

由于水深較大,常水深接近10 m,基坑開挖后水深達(dá)到18 m,加之地質(zhì)較差,內(nèi)部基坑抵抗力偏弱,內(nèi)外的壓力差很大,基礎(chǔ)承載力偏小。采取如下措施:

(1) 鋼板樁28 m,入土深度10.8 m。

(2) 為提高承載力和改善鋼板樁受力及穩(wěn)定性,建議采用圍堰內(nèi)壁輔助插打鋼管樁予以加固,如插打8根D529鋼管樁。

(3) 鋼板樁打插到位,吸除基地泥土至基坑底設(shè)計(jì)位置,封底混凝土尚未澆筑,圍堰內(nèi)有水,施工時(shí)鋼板樁受力最為不利,穩(wěn)定性較差,施工時(shí)應(yīng)采取一定措施,保證鋼板樁穩(wěn)定,比如可邊清基邊往圍堰內(nèi)注水,使圍堰內(nèi)水位高于河水水位,保持一定水頭壓力差約20 cm。