張永賓，朱爾玉，于大廠，2

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044;2.中鐵二十二局集團(tuán) 四公司，河北 唐山 064003)

1 工程概況

大橋位于唐山市遵化縣灑河鎮(zhèn)水庫(kù)內(nèi)，全長(zhǎng)800 m，為孔跨布置 25×32 m的鐵路橋，其下部由 6根φ1 000 mm的鉆孔灌注樁支撐。橋址處水面寬120 m，河中最大水深6 m，2#～7#墩中心處最大水深6 m，地下水位隨季節(jié)變化，埋深約0.5～6.0 m。地下水對(duì)混凝土無侵蝕性。設(shè)計(jì)流速V=3.44 m/s。地面2.0 m以內(nèi)為素填土，以粗砂、細(xì)角礫、碎石為主，黃褐色，潮濕、松散，為Ⅰ級(jí)松土。2.0 m以下為正長(zhǎng)巖，褐色、青灰色，全風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理較發(fā)育，為Ⅲ級(jí)硬土～Ⅳ級(jí)軟石。

2 工程難點(diǎn)

灤河特大鐵路橋的工程難點(diǎn)在于:河水較深且河床覆蓋層較薄，不易采用鋼板樁圍堰、單壁鋼圍堰等淺水圍堰形式，故采用剛度較大的雙壁鋼圍堰;河床中的卵石較多，且粒徑較大，透水性強(qiáng)，故采用高壓旋噴樁防滲;河床下的巖層含鐵量較多，比較堅(jiān)硬，不易鉆孔灌樁，故采用人工挖孔與鉆機(jī)成孔相結(jié)合，所以要保證雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)的安全，應(yīng)進(jìn)行三維有限元分析計(jì)算。

3 雙壁鋼圍堰的初步設(shè)計(jì)

3.1 雙壁鋼圍堰構(gòu)造

①圍堰外井壁鋼板厚6 mm，內(nèi)井壁鋼板厚6 mm，內(nèi)外壁板上均設(shè)置72根豎向∠75×75×6角鋼加勁肋，肋的間距外壁約510 mm，內(nèi)壁間距約410 mm。水平加勁板采用100 mm×10 mm鋼板，間距0.5～1.0 m，圓環(huán)處內(nèi)外壁之間用∠75×75×6角鋼連接成整體。為防止鋼圍堰局部失穩(wěn)，需提高圍堰控制部位的剛度，封底混凝土頂部為危險(xiǎn)截面，將此處的1 m鋼圍堰設(shè)間隔0.5 m的加勁肋與橫向支撐。②隔倉(cāng)。在內(nèi)外壁間設(shè)有豎向的隔倉(cāng)板，整個(gè)圍堰分隔為6個(gè)密封艙，每個(gè)密閉隔艙為;隔艙板采用厚6 mm鋼板，且有∠75×75×6水平角鋼加肋，水平角鋼間距500 mm。隔倉(cāng)塊與塊之間的連接采用焊接。③刃腳。刃尖夾角采用38°角，高度1.5 m，在刃尖部分刃腳鋼板外側(cè)下部0.7 m處厚12 mm，上部0.8 m處厚6 mm，內(nèi)側(cè)下部處厚12 mm，上部處厚6 mm。對(duì)應(yīng)豎向肋角位置均布豎向10 mm厚三角板72塊，高度70 cm，并對(duì)刃尖部分采用C20混凝土填實(shí)［1］。

鋼圍堰設(shè)計(jì)為雙壁形式，壁厚1.2 m。根據(jù)水文地質(zhì)條件的最高水位并結(jié)合施工的要求(圍堰頂部需高于施工水位0.5 m)圍堰的設(shè)計(jì)高度=封底混凝土厚度+水深+0.5 m。經(jīng)計(jì)算，本工程取圍堰總高為8.5 m，刃腳高1.5 m。整個(gè)圍堰分成6部分，上面5部分高度為 1.5 m，1.5 m，1.5 m，1.5 m，1.0 m，下面刃腳部分高度為1.5 m，見圖1。

3.2 雙壁鋼圍堰材料及指標(biāo)

鋼圍堰內(nèi)外壁板、隔艙板、刃腳板均為 Q235鋼板，其屈服強(qiáng)度［σy］=235 MPa，設(shè)計(jì)強(qiáng)度(抗拉、抗壓、抗彎)［σd］=215 MPa;角鋼加勁肋采用 Q345A鋼板，其屈服強(qiáng)度［σy］=345 MPa，設(shè)計(jì)強(qiáng)度(抗拉、抗壓、抗彎)［σd］=310 MPa。

封底混凝土:混凝土標(biāo)號(hào) C20;單位重量為23 kN/m3，允許壓應(yīng)力［σc］=4.00 MPa，重度取 γc=24 kN/m3;允許拉應(yīng)力［σT］=0.43 MPa，允許彎曲應(yīng)力［σW］=5.50 MPa。

圖1 雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)(單位:mm)

4 雙壁鋼圍堰三維有限分析計(jì)算

4.1 三維有限計(jì)算的必要性

與傳統(tǒng)圍堰計(jì)算方式不同，三維有限元計(jì)算考慮圍堰的空間效應(yīng)，計(jì)算結(jié)果更加精確，更利于結(jié)構(gòu)的全面分析和局部?jī)?yōu)化。傳統(tǒng)計(jì)算方式主要對(duì)雙壁鋼圍堰的內(nèi)外壁板、水平肋板、豎向肋板、斜撐等分別進(jìn)行計(jì)算，其中壁板簡(jiǎn)化成雙向板進(jìn)行計(jì)算，橫豎肋簡(jiǎn)化成多跨連續(xù)梁進(jìn)行計(jì)算，斜撐作為桿件進(jìn)行計(jì)算，忽略了構(gòu)件之間的協(xié)調(diào)變形，與真實(shí)結(jié)構(gòu)的差異較大，不能對(duì)全部構(gòu)件的受力、變形情況進(jìn)行掌握，不利于局部?jī)?yōu)化與加強(qiáng)。所以，三維有限元的計(jì)算是很有必要的［2］。

4.2 模型采用的單元介紹

考慮到建模的準(zhǔn)確性和合理性，鋼圍堰三維有限元模型主要采用四種單元模擬:內(nèi)外壁與隔艙板、橫肋采用 Shell63，豎肋采用 Beam188，斜撐采用Link8。

4.2.1 Shell63單元

線性彈性的材料模式，適合模擬板殼。Shell63有4 個(gè)節(jié)點(diǎn)(I，J，K，L)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有 6 個(gè)自由度，3 個(gè)位移(UX，UY，UZ)及 3 個(gè)轉(zhuǎn)角(ROTX，ROTY，ROTZ)，所以，一個(gè)元素共有24個(gè)自由度。

4.2.2 Beam188單元

Beam188是二次梁?jiǎn)卧?。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)或者7個(gè)自由度，自由度個(gè)數(shù)主要取決于代碼 KEYOPT(1)的值。當(dāng) KEYOPT(1)=0時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度，沿坐標(biāo)系 x，y，z的平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng) KEYOPT(1)=0時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有7個(gè)自由度，這時(shí)引入了第7個(gè)自由度(橫截面的翹曲)。

4.2.3 Link8單元

每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度，主要為沿三坐標(biāo)軸方向的平動(dòng)［3］。

4.3 模型的建立

先擬定雙壁鋼圍堰的尺寸，模型的建立按照由上往下的方式，建立一個(gè)圓環(huán)體，切割形成斜撐與內(nèi)外壁、隔艙板等，然后建立橫豎肋，定義各構(gòu)件的幾何特性，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，形成有限元模型，圍堰的整體和局部模型見圖2、圖3。

5 計(jì)算工況與設(shè)計(jì)荷載

5.1 計(jì)算工況

工況一:圍堰下沉到位后，澆筑封底混凝土之前。荷載為靜水壓力、動(dòng)水壓力、風(fēng)壓力等，圍堰約束為著床后的豎向約束。

工況二:封底混凝土已澆筑，圍堰內(nèi)水位抽至承臺(tái)底面高程。荷載為靜水壓力、動(dòng)水壓力、風(fēng)壓力等，圍堰約束為刃腳底面的豎向約束和2 m厚封底混凝土對(duì)圍堰內(nèi)壁的橫向約束。

5.2 設(shè)計(jì)荷載

不同工況的荷載不同，本文以工況二為例計(jì)算。

5.2.1 靜水壓力q1

鋼圍堰結(jié)構(gòu)的主要荷載是靜水壓力，圍堰底到最高水位的距離h=7 m，故圍堰的最大靜水壓力q1=γh=10×7=70 kN/m2=70 kPa，γ為水的重度，取為 10 kN/m3。圍堰頂水壓力為零，從頂節(jié)圍堰頂?shù)饺心_底的靜水壓力呈倒三角形分布。

圖2 雙壁鋼圍堰整體模型

圖3 雙壁鋼圍堰局部模型

5.2.2 底部外側(cè)土壓力q土

土的浮重度 γ取為10 kN/m3，則堰底土壓力為q土=γh=10 ×2=20 kN/m2=20 kPa。

5.2.3 動(dòng)水壓力q2

動(dòng)水壓力是引起鋼圍堰傾覆的主要作用力，水面處的動(dòng)水壓力最大，到刃腳底為零。

5.2.4 風(fēng)壓力F(如壓力較小，可以忽略)

風(fēng)壓W計(jì)算

式中，W0為基本風(fēng)壓;K1，K2，K3均為風(fēng)壓系數(shù)。

風(fēng)壓力F=WA，其中A是圍堰的受風(fēng)面積。

具體計(jì)算荷載見圖4。

圖4 圍堰承受的水平靜水壓力、動(dòng)水壓力、土壓力圖示(壓力單位:kPa;高度單位:mm)

6 計(jì)算結(jié)果

本次有限元模型共分890個(gè)單元，橫肋、豎肋、斜撐單元共2 338根，采用通用處理器對(duì)所建圍堰模型進(jìn)行分析處理，得出鋼圍堰各組件的位移和應(yīng)力結(jié)果。

圖5、圖6為圍堰結(jié)構(gòu)的變形和圍堰結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力。從圖5(a)可以看到，圍堰的最大位移發(fā)生在圍堰的上部，主要原因是開始設(shè)計(jì)時(shí)考慮到上部結(jié)構(gòu)受力較小，未設(shè)置橫肋和斜撐，影響整體的剛度，故在圍堰頂部增設(shè)橫肋與斜撐。

從圖5(b)～圖6可以看出，圍堰外壁板的最大等效應(yīng)力為158.131 MPa，圍堰內(nèi)壁板的最大等效應(yīng)力為157.716 MPa，各肋板的最大等效應(yīng)力為 11.094 MPa，隔艙板的最大等效應(yīng)力為49.878 MPa，均 ＜215 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

7 結(jié)束語

通過對(duì)灤河特大鐵路橋雙壁鋼圍堰的三維有限元模擬分析，掌握了鋼圍堰在三維受力狀態(tài)下的位移和受力情況，可看出圍堰設(shè)計(jì)比較合理，加勁肋與鋼板隔艙板的安全儲(chǔ)備較大，角鋼加勁肋改用 Q235鋼板以節(jié)約成本，為減少購(gòu)買鋼板的種類和保證圍堰的絕對(duì)安全，隔艙板仍采用厚6 mm鋼板。目前中鐵二十二局已完成遵化—小寺溝鐵路2號(hào)到7號(hào)墩的深水圍堰施工，說明圍堰的設(shè)計(jì)比較合理，有效地保證了工程的順利進(jìn)行。

圖5 圍堰結(jié)構(gòu)變形和等效應(yīng)力云圖

圖6 圍堰內(nèi)外壁板、橫肋、隔艙板等效應(yīng)力云圖(單位:kPa)

［1］劉自明，王邦楣，陳開利．橋梁深水基礎(chǔ)［M］．北京:人民交通出版社，2003．

［2］楊學(xué)峰．某大橋雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)的三維有限元分析［J］．北京:國(guó)防交通工程與技術(shù)，2010(3):22-24．

［3］陳成．雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)三維仿真分析［J］．北京:鐵道建筑，2008(4):10-11．