雙壁鋼套箱圍堰受力狀態(tài)仿真分析與現(xiàn)場監(jiān)測

尹德智

中鐵建大橋局集團(tuán)第四工程有限公司，哈爾濱150001

近20 年來，我國鐵路建設(shè)保持快速發(fā)展，并已取得重大成就［1］。在已建和擬建鐵路線路中，橋梁約占20% ～30%，部分線路橋梁占比甚至達(dá)到50% 以上［2-3］。我國是世界上河流較多的國家之一，鐵路橋梁建設(shè)過程中不可避免需要跨越江河、湖泊。其中，涉水深度達(dá)5 ～6 m 以上的橋梁基礎(chǔ)為深水基礎(chǔ)［4］。受洪水、汛期、河流漂浮物等影響，深水基礎(chǔ)施工作業(yè)平臺若設(shè)計不當(dāng)，很容易發(fā)生安全事故。衡陽北三環(huán)跨湘江大橋施工時，水上施工平臺被洪水沖垮，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。宜陽大橋由于上游山洪爆發(fā)，水流湍急，并且河水中有大量的斷枝、垃圾等，導(dǎo)致宜陽大橋施工平臺被沖垮，僅直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)3 294 萬元。因此，確保深水基礎(chǔ)施工平臺的安全是大跨度涉水橋梁施工安全的前提和關(guān)鍵。

鋼套箱圍堰是廣泛應(yīng)用于橋梁深水基礎(chǔ)施工的一種擋水結(jié)構(gòu)［5-8］。鋼套箱圍堰通常是采用鋼板制造的無底圍護(hù)結(jié)構(gòu)，必要時內(nèi)加支撐體系及混凝土封底，從而擋住套箱外側(cè)水土形成施工空間。鋼套箱圍堰的構(gòu)造形式有單壁、雙壁以及單雙壁組合式［9-10］，其平面形狀有圓形和矩形（圓端形）兩種。目前，國內(nèi)外研究者對深水鋼圍堰結(jié)構(gòu)從施工工藝、設(shè)計計算、破壞試驗等方面進(jìn)行了深入研究，并取得一定成果。但水深、水流速度、汛期頻率、結(jié)構(gòu)制造工藝等實際情況差異太大，對于不同工程，應(yīng)根據(jù)實際情況通過數(shù)值仿真分析和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，確保橋梁深水基礎(chǔ)施工過程中鋼圍堰強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性滿足實際工程需求［11］。

在建張吉懷鐵路下壟舞水特大橋的45#墩為深水基礎(chǔ)（最大水深達(dá)20.5 m），施工時采用圓形雙壁鋼圍堰作為擋水結(jié)構(gòu)。為確保橋梁基礎(chǔ)施工安全，本文采用數(shù)值仿真分析與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，研究45#墩圓形雙壁鋼圍堰在不同工況下的受力狀態(tài)，并結(jié)合實測數(shù)據(jù)為該橋深水基礎(chǔ)施工提供預(yù)警和保障。

1 工程概況

在建張吉懷鐵路下壟舞水特大橋主橋為（94 +168 + 94）m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，上跨舞水河，見圖1。其中，45#墩為水中墩，墩高49.5 m，采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，承臺結(jié)構(gòu)尺寸為20 m（橫橋向）×16 m（順橋向）×5 m（高）。

圖1 舞水特大橋主橋橋型布置（單位：m）

45#墩雙壁鋼圍堰外徑35 m，壁厚2 m，高21.54 m，分三節(jié)，底節(jié)高10 m，中節(jié)高7.54 m，頂節(jié)側(cè)板為單壁，高4 m。鋼圍堰由內(nèi)壁板、外壁板、刃腳、水平環(huán)向加勁板、水平桁架支撐、內(nèi)外壁加強(qiáng)豎肋、隔艙板等組成，所有構(gòu)件均采用Q235鋼，主要構(gòu)件材料見表1。

表1 45#墩雙壁鋼圍堰構(gòu)件材料

圍堰總質(zhì)量600 t，圍堰夾壁投影面積202.37 m2。由于45#墩下部河床為弱風(fēng)化巖石且地勢比較平坦，巖石爆破成槽清理后，雙壁鋼圍堰以穩(wěn)定姿態(tài)著床，故鋼圍堰底部為平底，并采用回字形封底混凝土。當(dāng)?shù)睾Ｊ戮痔峁┑乃馁Y料顯示，舞水河最高通航水位215.40 m，最低通航水位210.60 m。45#墩深水基礎(chǔ)鋼圍堰布置見圖2。橋位處設(shè)計為Ⅳ級航道，雙向通航尺寸為90 m（寬）× 8 m（高），水流方向為從線路左側(cè)流向右側(cè)，線路法線與水流方向夾角為20°。

圖2 45#墩深水基礎(chǔ)鋼圍堰布置（高程單位：m；尺寸單位：mm）

2 有限元模型建立

2.1 有限元模型

采用MIDAS/Civil 建立舞水河橋45#主墩鋼圍堰有限元模型。其中，豎肋、水平撐采用梁單元離散，壁板、隔艙板、環(huán)板采用板單元離散，封底混凝土采用實體單元離散，不同構(gòu)件之間采用共節(jié)點連接。鋼套箱圍堰刃腳在環(huán)形基坑槽內(nèi)通過混凝土與基巖嵌固，有限元分析時底部邊界條件采用固結(jié)。

2.2 計算荷載

1）靜水壓力

垂直作用建筑物（結(jié)構(gòu)）表面某點處的靜水壓力p1為

式中：γw為水的重度，取 9.81 kN/m3；H為計算點處的作用水頭，按計算水位與計算點之間的高差確定。

2）夾壁間水壓力

夾壁間混凝土頂面以上4.3 m 內(nèi)注入水，夾壁間靜水壓力沿徑向分布，可按式（1）計算。夾壁間混凝土頂面受到豎直向下的水壓力p2為42.18 kN。

3）施工荷載

施工荷載包括施工人員荷載和施工機(jī)具荷載，二者分別按1.5、2.0 kN/m2取值。結(jié)構(gòu)計算時按線性分布荷載施加于鋼圍堰頂面，施工荷載p3為3.4 kN/m2。

4）流水壓力

作用于雙壁鋼圍堰上的流水壓力P為

式中：K為圍堰形狀系數(shù)，圓形鋼圍堰K取 0.8；A為鋼圍堰阻水面積，m2，通常計算至一般沖刷線處；ρ為水的密度，t/m3；v為計算時采用的流速，m/s。

流速隨深度呈曲線變化，底面處流速接近0。為了簡化計算，流水壓力按倒三角形加載，見圖3（a）。該圍堰所在位置處水面流速為3.18 m/s，計算得到流水壓力為3.69 kPa，作用于迎水面外壁板徑向。加載情況見圖3（b）。

圖3 流水壓力簡化分布和加載情況

5）流動混凝土側(cè)壓力

鋼圍堰施工階段的荷載主要為封底混凝土初凝前流動狀態(tài)時對側(cè)壁的靜壓力。根據(jù)JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》，新澆筑混凝土對模板的最大側(cè)壓力標(biāo)準(zhǔn)值F可按式（3）和式（4）進(jìn)行計算，取較小的計算值作為最終結(jié)果。

式中：γc為封底混凝土的浮重度，取 14 kN/m3；t0為新澆混凝土初凝時間，取15 h；β1為外加劑影響系數(shù)，取1.2；β2為混凝土坍落度影響修正系數(shù)，取1.15；V為混凝土的澆注速度，取0.4 m/h；z為新澆封底混凝土表面到計算位置的距離。

GB 50666—2011《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》中新澆筑混凝土對模板最大側(cè)壓力標(biāo)準(zhǔn)值F為

式中：β為混凝土塌落度影響修正系數(shù)，取1.0。

取上述兩種規(guī)范計算值中的較大值，得到鋼圍堰夾壁混凝土初凝前流動狀態(tài)下F=40.29 kPa。

2.3 計算工況

1）工況一，鋼圍堰拼裝。鋼圍堰分為三節(jié)進(jìn)行安裝施工，底節(jié)、中節(jié)、頂節(jié)質(zhì)量分別為235.3，257.9，106.8 t。鋼圍堰入水后，完成三節(jié)鋼圍堰拼裝。但此工況下，鋼圍堰漂浮在水中，圍堰自重與流水浮力平衡，鋼圍堰基本不受力。因此，本文著重分析后續(xù)工況。

2）工況二，鋼圍堰下沉封底，澆筑夾壁混凝土。鋼圍堰拼裝完成后在夾壁內(nèi)注水，然后澆筑混凝土，使圍堰下沉到設(shè)計位置。此時未進(jìn)行圍堰內(nèi)抽水工作，圍堰內(nèi)部為滿水狀態(tài)，圍堰內(nèi)外水頭差為0。此時，圍堰封底混凝土還未達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度，混凝土對內(nèi)外壁板有側(cè)壓力作用。夾壁混凝土頂標(biāo)高為202.961 m，圍堰內(nèi)側(cè)混凝土頂標(biāo)高為197.961 m，高差為5 m。此時，鋼圍堰所受荷載組合為自重+流動混凝土側(cè)壓力+流水壓力。

3）工況三，圍堰內(nèi)抽水。此時圍堰夾壁內(nèi)澆筑混凝土已經(jīng)達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度，夾壁混凝土對壁板沒有側(cè)向壓力，圍堰外壁板受河水壓力，圍堰內(nèi)水已抽干，無水壓力。為減少鋼圍堰外壁板水位差，圍堰夾壁內(nèi)注水，高度為4.3 m。此時，鋼圍堰所受荷載組合為自重+靜水壓力+夾壁內(nèi)注水壓力+施工荷載+流水壓力。

3 不同工況下鋼圍堰的受力狀態(tài)

3.1 工況二

工況二作用下鋼圍堰最大位移為1.45 mm，發(fā)生在距圍堰底部4 ～5 m，圍堰上部變形很小。說明混凝土濕重作用下，鋼圍堰具有足夠剛度。

工況二鋼圍堰各構(gòu)件應(yīng)力最大值見表2，內(nèi)壁板Von Mises 應(yīng)力見圖4?？芍孩僭诨炷翝仓浇鼑吒鳂?gòu)件應(yīng)力較大，遠(yuǎn)離混凝土澆筑區(qū)域圍堰各構(gòu)件應(yīng)力較??；②外壁板應(yīng)力大于內(nèi)壁板應(yīng)力，但總體應(yīng)力水平未超過Q235 鋼材強(qiáng)度設(shè)計值；③豎肋與環(huán)板相交位置有局部應(yīng)力集中，最大壓應(yīng)力-118.4 MPa出現(xiàn)在距圍堰底部3 ～4 m的豎肋與水平撐相交處。

表2 工況二鋼圍堰各構(gòu)件應(yīng)力最大值

圖4 內(nèi)壁板Von Mises 應(yīng)力（單位：MPa）

3.2 工況三

工況三下鋼圍堰最大位移為10.1 mm，出現(xiàn)在圍堰外壁板兩個隔艙板中間，距夾壁混凝土頂面3.3 ～3.7 m，向圍堰內(nèi)側(cè)凹陷。此時，圍堰內(nèi)部水完全抽干，夾壁內(nèi)側(cè)水位高度為4.3 m，圍堰內(nèi)外側(cè)水位差最大，壁板變形最大，但總體剛度仍滿足舞水河大橋45#主墩施工需求，且具有足夠儲備。

工況三鋼圍堰各構(gòu)件應(yīng)力最大值見表3。可知，工況三下鋼圍堰各構(gòu)件應(yīng)力水平比工況二明顯增大，但遠(yuǎn)小于Q235 鋼材強(qiáng)度設(shè)計值215 MPa，結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度儲備。豎肋應(yīng)力最大值為152.7 MPa。

表3 工況三鋼圍堰各構(gòu)件應(yīng)力最大值

出于安全考慮，分析鋼圍堰夾壁內(nèi)混凝土受力狀態(tài)時未計入混凝土內(nèi)部的環(huán)板、豎肋、角鋼平撐等鋼構(gòu)件的影響。夾壁混凝土主應(yīng)力見圖5?？芍簥A壁混凝土第一主應(yīng)力基本小于1 MPa，但在混凝土頂部與隔艙板相交處很小范圍內(nèi)混凝土出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力最大值為10.0 MPa；混凝土第三主應(yīng)力最小值為-7.89 MPa，出現(xiàn)在混凝土頂面。夾壁采用C20混凝土，其軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計值為1.10 MPa，軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值為9.6 MPa。據(jù)此推斷混凝土頂面局部受拉開裂，但有限元計算中并未考慮壁板上豎肋的抗拉作用，且頂面局部小范圍的開裂不影響圍堰結(jié)構(gòu)的使用，故夾壁混凝土強(qiáng)度滿足要求。

圖5 夾壁混凝土主應(yīng)力（單位：MPa）

整體穩(wěn)定性分析結(jié)果表明，工況三下圍堰結(jié)構(gòu)第一階穩(wěn)定系數(shù)為4.20（圖6），第二階穩(wěn)定系數(shù)為6.40，第三階穩(wěn)定系數(shù)為6.46，均大于經(jīng)驗值4.00，滿足穩(wěn)定性要求。

圖6 圍堰結(jié)構(gòu)第一階失穩(wěn)模態(tài)

4 鋼圍堰現(xiàn)場監(jiān)測

4.1 監(jiān)測方案

在理論分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合施工現(xiàn)場實際情況制定監(jiān)測方案，合理布置應(yīng)力測點，對45#墩深水基礎(chǔ)施工期間雙壁鋼圍堰受力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測設(shè)備采用JMZX-206HAT 水下振弦式應(yīng)變計和JMZX-3001 綜合測試儀。汛期和抽水階段監(jiān)測頻率均為1 次/d，一般情況下為1次/2 d。監(jiān)測時間由2018年10月持續(xù)至2019年11月。

將雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)在水平面內(nèi)劃分為8個等大的隔艙，艙號從小到大記為1#～8#艙（圖7）?？紤]結(jié)構(gòu)對稱性，圍堰所有應(yīng)變計測點布置在 1#、3#、5#、7#四個艙室內(nèi)，見表4。

表4 45#主墩雙壁鋼圍堰應(yīng)變計測點數(shù)量和布置位置

圖7 45#主墩雙壁鋼圍堰艙室編號

4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

有限元計算結(jié)果表明工況三為最不利工況。工況三45#主墩雙壁鋼圍堰主要構(gòu)件應(yīng)變實測值與計算值對比見表5。

表5 工況三45#主墩雙壁鋼圍堰主要構(gòu)件應(yīng)變實測值與計算值對比

由表5可知：

1）各測點應(yīng)力實測值均小于計算值，相對差值在10% ～15%，主要原因在于實際圍堰內(nèi)夾壁混凝土高度和注水高度與設(shè)計值略有差異。45#主墩雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)受力安全，且有限元計算值與實測值基本吻合。

2）各主要構(gòu)件中豎肋應(yīng)力水平最大，實測應(yīng)力在120 MPa 以上，其次是外壁板，實測應(yīng)力在100 MPa 以上，水平撐和環(huán)板的應(yīng)力水平相對較低，實測應(yīng)力在80 MPa左右。

3）監(jiān)測結(jié)果表明，圍堰內(nèi)部抽水完成后，各測點實測應(yīng)力達(dá)到最大值，但均未超過Q235 鋼材強(qiáng)度設(shè)計值，45#主墩深水基礎(chǔ)施工過程中雙壁鋼圍堰受力處于安全狀態(tài)。

5 結(jié)論

1）有限元計算結(jié)果和現(xiàn)場實測結(jié)果表明，舞水特大橋45#墩深水基礎(chǔ)施工過程中，雙壁鋼圍堰的強(qiáng)度、剛度均滿足GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》限值要求，且具有足夠儲備。

2）對于舞水特大橋45#墩雙壁鋼圍堰，鋼圍堰內(nèi)水完全抽干時為最不利工況，但結(jié)構(gòu)總體剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性仍具有足夠儲備。其中，鋼圍堰最大位移達(dá)10.1 mm，豎肋最大應(yīng)力為152.7 MPa，發(fā)生在夾壁混凝土頂面3 ～4 m 的豎肋與水平撐相交處。其次是外壁板，最大應(yīng)力達(dá)到131.2 MPa，其他主要構(gòu)件應(yīng)力水平均在100 MPa 左右。前三階穩(wěn)定系數(shù)分別為4.20，6.40和6.46，均大于經(jīng)驗值4.00。

3）各測點應(yīng)力計算值與實測值基本吻合，各測點實測值均小于計算值，相對差值在10%～15%，實際結(jié)構(gòu)更偏安全。