［摘要］雙壁鋼圍堰主要作為橋梁深水承臺施工時一種臨時性阻水和模板結(jié)構(gòu)，利用圍堰壁板和封底混凝土圍水，保證橋梁下部結(jié)構(gòu)施工順利進(jìn)行。結(jié)合福州市道慶洲大橋A2標(biāo)段2#主橋墩深水基礎(chǔ)工程的實(shí)況，運(yùn)用有限元軟件Midas和Ansys對雙壁鋼圍堰在不同施工階段的受力性能進(jìn)行分析，研究結(jié)果表明:雙壁鋼圍堰的整體強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性滿足施工要求，并且具有一定的安全儲備;封底混凝土的強(qiáng)度、剛度以及圍堰的抗浮性能也滿足施工要求。該研究為圍堰的安全施工提供了保障，也為橋梁深水基礎(chǔ)的圍堰施工提供了借鑒。
［關(guān)鍵詞］雙壁鋼圍堰;深水基礎(chǔ);有限元模擬;封底混凝土
雙壁鋼圍堰作為大型深水基礎(chǔ)施工較為理想的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，最近幾年來在國內(nèi)外公、鐵路橋梁施工中得到了大規(guī)模的應(yīng)用［1，2］。雙壁鋼圍堰主要作為橋梁深水承臺施工時一種臨時性阻水和模板結(jié)構(gòu)，利用圍堰壁板和封底混凝土圍水，保證橋梁下部結(jié)構(gòu)施工順利進(jìn)行［3］。雙壁鋼圍堰剛度大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，受力合理，具有制造方便、安裝迅速、安全可靠等特點(diǎn)。不僅可以為橋梁下部結(jié)構(gòu)施工提供無水的工作環(huán)境，還可直接作為承臺模板進(jìn)行施工，與其他類型圍堰相比具有很大的優(yōu)越性［4］。目前對雙壁鋼圍堰的研究大多局限于結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工方案的探討，而對雙壁鋼圍堰施工過程中所體現(xiàn)出的受力性能研究較少［4］。針對上述情況，文中運(yùn)用專業(yè)有限元Midas和通用有限元Ansys對道慶洲大橋A2標(biāo)段2#主橋墩雙壁鋼圍堰在施工過程中的受力性能進(jìn)行了研究。
1工程概況
1.1工程簡介
福州市道慶洲大橋?yàn)橹鞒菂^(qū)和長樂市新增過江通道，項(xiàng)目全長6.82km，采用公軌共建方式，上層公路為6車道城市主干道兼一級公路，下層為雙線軌道6號線，公軌共建橋梁總長4.4km。道慶洲過江通道線路走向見圖1。福州市道慶洲跨江主橋采用主跨276m的變高度預(yù)應(yīng)力鋼桁結(jié)合梁方案，跨徑組成為(121+276+121)m，上層公路橋面寬31m，下層為雙線福州地鐵六號線，是目前世界上單跨最大的變高度公軌共建橋梁。A2標(biāo)主要內(nèi)容為2#主墩、3#邊墩下部結(jié)構(gòu)、跨江引橋第三～八聯(lián)、南岸接線橋梁至SＲ36墩的橋梁工程及S203改擴(kuò)建工程。2#墩為主墩，采用群樁承臺基礎(chǔ)，共12根鉆孔灌注樁，樁徑2.8m，矩形承臺尺寸為25m×17m×5.5m，承臺混凝土設(shè)計等級為C35，河床底標(biāo)高為－8.24m，施工期最高水位為+5.30m。2#主墩處水流流速大，最大流速3m/s并有回流和紊流。水深最大達(dá)到19m左右，為深水基礎(chǔ)。為保證水中基礎(chǔ)施工的順利進(jìn)行，采用雙壁鋼圍堰進(jìn)行施工。
1.2水文地質(zhì)
本江段潮型為正規(guī)半日潮，由于受山區(qū)性河口地形的影響，潮波反射作用強(qiáng)，潮差增大，漲潮歷時短。最高潮位為+6.31m(2000～2010年數(shù)據(jù))，最低潮位為－0.49m(2000～2010年數(shù)據(jù))，最大潮差5.28m，設(shè)計最高通航為洪水10年重現(xiàn)期水位6.31m，設(shè)計洪水頻率取300年一遇，平均水平面為2.73m(2000～2010年數(shù)據(jù))。受閩江入�？诎肴粘毕绊�，水流變化復(fù)雜，退潮時道慶州露出水面。本區(qū)段水流屬往復(fù)流，落潮時水流方向?yàn)橛晌飨驏|，漲潮時變?yōu)橛蓶|向西，最大流速3m/s并有回流和紊流。根據(jù)地表工程地質(zhì)測繪及鉆探揭露，2#主橋墩處河床標(biāo)高為:－8.24m，地層主要為砂混淤泥(頂標(biāo)高:－10.24m，底標(biāo)高:－12.74m，厚4.5m)、淤泥夾砂(頂標(biāo)高:－12.74m，底標(biāo)高:－21.54m，厚8.8m)、砂混淤泥、中砂、卵石、中砂、花崗片麻巖為主，圍堰下沉地層主要為中砂及淤泥夾砂。
1.3鋼圍堰設(shè)計構(gòu)造介紹
2#主墩采用無底雙壁鋼套箱圍堰，由壁體、刃腳、內(nèi)支撐和導(dǎo)向裝置等部分組成。圍堰在內(nèi)壁之間設(shè)置隔艙板，豎向分為12個隔艙。隔艙板板厚δ=14mm，隔倉肋為∠75×8。圍堰內(nèi)外壁板厚度為8mm，設(shè)置水平環(huán)肋和水平桁架，水平環(huán)肋采用∠200×12，水平桁架采用∠100×100。角環(huán)板采用厚度為8mm，長度為1500mm的鋼板，豎肋采用∠75×8。圍堰內(nèi)部設(shè)置四道內(nèi)支撐，內(nèi)撐以630mm×10mm鋼管焊接連接。根據(jù)地質(zhì)水文分析，套箱設(shè)計最高水位選定為+6.31m，根據(jù)《鋼圍堰工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》征求意見稿，考慮鋼套箱圍堰頂部設(shè)計高程應(yīng)比施工期內(nèi)可能出現(xiàn)的最高水位高0.5～1.0m，海域施工的圍堰頂部高程尚應(yīng)計入10年一遇最大波浪高度一半的影響，套箱頂標(biāo)高設(shè)定為+7.50m，圍堰底標(biāo)高為－14.5m。圍堰內(nèi)輪廓尺寸為承臺尺寸四邊外擴(kuò)200mm，為25.4m×17.4m，外輪廓尺寸為28.4×20.4m，圍堰壁體厚度1.5m，壁體總高度22m，豎向分兩節(jié)拼裝(從底往上15.0m+7.0m)，在圍堰內(nèi)設(shè)置四道內(nèi)支撐，采用Φ630mm×10mm直縫鋼管。封底混凝土設(shè)計等級為C30，厚度為4.0m。2#墩承臺雙壁鋼圍堰平立面設(shè)計如圖2所示。圍堰施工過程中重難點(diǎn)突出，諸如:鋼圍堰施工過程中受力復(fù)雜，不僅要克服靜水壓力、動水壓力以及風(fēng)浪的阻力，還要保證圍堰施工過程的安全性，鋼圍堰結(jié)構(gòu)受力分析為工程重點(diǎn);鋼圍堰采用水下混凝土封底工藝，2#承臺封底混凝土一次澆筑量大，如何控制封底工藝使封底質(zhì)量滿足設(shè)計要求為施工難點(diǎn)。
2鋼圍堰結(jié)構(gòu)受力分析
2.1圍堰整體有限元建模
有限元法是把物體假想地分割成有限個單元組成的組合體，即在計算的圖形上劃分網(wǎng)格，分成有限個單元，這些單元僅在其頂角處互相連接［5，6］。采用有限元軟件Midas建立空間模型，桁架及內(nèi)支撐兩端固定，均采用1D單元中的桿單元和梁單元模擬，壁板、隔艙板等采用2D單元中的板單元模擬，材料為Q235鋼板，定義荷載為水壓力［7］。整個結(jié)構(gòu)共劃分為22675個單元、30546個結(jié)點(diǎn)，建立模型如圖3所示。
2.2計算分析結(jié)果
按最不利原則保證施工安全，設(shè)計計算分為3種工況:工況1:驗(yàn)算圍堰下沉到設(shè)計位置，完成錨定，澆筑封底混凝土達(dá)到強(qiáng)度后，抽水到承臺底即封底混凝土頂標(biāo)高處(－10.5m)。工況2:承臺分兩次澆筑，第一次澆筑3m后承臺頂標(biāo)高－7.5m，達(dá)到強(qiáng)度后，拆除圍堰內(nèi)部第四道支撐(+5.5m)。工況3:承臺澆筑完成達(dá)到強(qiáng)度后，墩柱開始施工，保留四周角撐，拆除中部三道支撐。在工況1、工況2和工況3中，鋼圍堰外側(cè)承受的最大組合側(cè)壓力為215kN，通過建立整體有限元模型對各工況下鋼圍堰的剛度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性進(jìn)行計算。鋼圍堰構(gòu)件應(yīng)力值和整體變形計算結(jié)果見表1。由表1可知，工況1中的鋼圍堰受力最為不利，構(gòu)件最大應(yīng)力出現(xiàn)在這個階段，圍堰的最大應(yīng)力在水平斜撐角鋼處附近，為204.4kN，小于Q235鋼板的強(qiáng)度設(shè)計值;鋼圍堰整體變形最大出現(xiàn)在工況3中的X軸方向上，為8.95mm，遠(yuǎn)小于圍堰整體設(shè)計允許變形值δ=L/400=20000/400=50mm。因此，該雙壁鋼圍堰的整體強(qiáng)度和剛度滿足施工要求，并且具有一定的安全儲備。在橋墩基礎(chǔ)施工過程中，靜水壓力、動水壓力、土壓力和風(fēng)壓力等外部荷載會對圍堰壁板產(chǎn)生側(cè)壓力作用，而作用在圍堰壁板軸向的力較小，壁板的穩(wěn)定性容易得到保證［4］。由于圍堰內(nèi)支撐為受壓構(gòu)件，長度長，容易失穩(wěn)，需要對其進(jìn)行穩(wěn)定性研究。
3封底混凝土結(jié)構(gòu)受力分析
3.1封底混凝土有限元建模
利用Ansys有限元分析軟件對鋼圍堰封底混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，采用線單元生成平面單元，再由平面單元擴(kuò)展為實(shí)體單元，分析中封底混凝土與鋼壁、樁基鋼護(hù)筒接觸處的邊界結(jié)點(diǎn)取為鉸接。結(jié)構(gòu)共劃分為9432個單元、10460個結(jié)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分如圖4所示。
3.2計算分析結(jié)果
圍堰封底混凝土厚4.0m，抽水時可選擇低水位進(jìn)行，考慮最危險情況即按設(shè)計水位+6.3m計算，封底混凝土底－14.5m，封底混凝土底的靜水壓力ρ=(14.5+6.3)×10=208kN/m2，結(jié)構(gòu)自重按24kN/m3計算，材料為C30混凝土。對于C30混凝土，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010－2010)，抗拉強(qiáng)度設(shè)計值為1.43MPa，彈性模量取E=2.8×107kN/m2，泊松比μ=0.2。計算時橫橋向?yàn)閄方向，順橋向?yàn)閅方向，豎向向上為Z方向。經(jīng)計算，結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力為0.54MPa，最大豎向變形為0.027mm，如圖5所示，封底混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度滿足要求，局部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，不影響結(jié)構(gòu)整體安全。
4圍堰抗浮驗(yàn)算分析
鋼圍堰施工過程中，在下沉到設(shè)計位置之前，主要依靠圍堰自身重量來抵抗圍堰自身的水浮力［8］。第一節(jié)圍堰下放直至達(dá)到自浮狀態(tài)，預(yù)計刃腳入水4.5m;圍堰夾壁注水，刃腳入水約13.3m并保持自浮;下放、拼裝第二節(jié)圍堰，待焊接拼裝完成后，浮吊松鉤，圍堰刃腳著床;澆筑壁艙混凝土，調(diào)節(jié)圍堰夾壁水位，圍堰內(nèi)側(cè)吸泥，直到下沉至設(shè)計標(biāo)高，并保持穩(wěn)定。水下澆筑C30封底混凝土，待封底混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，關(guān)閉連通器，圍堰內(nèi)抽水，夾壁水位控制在－1.0m左右。圍堰內(nèi)抽水完成后，圍堰將承受最大的上浮力，主要依靠鋼圍堰、封底混凝土和夾壁混凝土的自重以及封底混凝土與護(hù)筒的握裹力。按4m厚封底混凝土計算封底后總浮力，計算結(jié)果如表2。由表2可得，圍堰的抗浮穩(wěn)定性系數(shù)Kf=(G封底+G+f+G夾壁砼+G夾壁水)/F=(31539.8+8600+72345.6+20783.1+23215.7)/100443.1=1.56。根據(jù)崇峻等［9］對構(gòu)筑物抗浮可靠度分析及抗浮安全系數(shù)取值的研究，當(dāng)上浮效應(yīng)為浮力時，無論是正常使用階段，還是臨時工況，應(yīng)取抗浮穩(wěn)定性安全系數(shù)Kf≥1.10。因此，鋼圍堰的抗浮性能滿足要求。
5結(jié)束語
道慶洲大橋采用雙壁鋼圍堰作為A2標(biāo)段2#主橋墩深水基礎(chǔ)施工的阻水結(jié)構(gòu)，圍堰設(shè)計充分考慮了施工現(xiàn)場環(huán)境，克服了工程重難點(diǎn)。運(yùn)用Midas有限元軟件對鋼圍堰實(shí)際施工過程中最不利的3個工況受力狀況進(jìn)行模擬和分析，分析結(jié)果表明，雙壁鋼圍堰具有較好的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性;采用Ansys對封底混凝土進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，得到封底混凝土結(jié)構(gòu)雖局部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，但不影響結(jié)構(gòu)整體安全，封底混凝土的強(qiáng)度及剛度滿足設(shè)計要求。通過對鋼圍堰進(jìn)行抗浮驗(yàn)算，得到圍堰的抗浮穩(wěn)定性系數(shù)為1.56，滿足圍堰施工的安全要求。
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