門發(fā)忠

（中鐵二十一局集團(tuán)第二工程有限公司，甘肅　蘭州　730000）

大跨度橋梁深水基礎(chǔ)單壁鋼套箱圍堰有限元應(yīng)用技術(shù)

門發(fā)忠

（中鐵二十一局集團(tuán)第二工程有限公司，甘肅蘭州730000）

深水基礎(chǔ)因其工程特點(diǎn)成為了大跨度橋梁的施工關(guān)鍵，鋼圍堰作為深水基礎(chǔ)施工中常用的一種擋水結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)應(yīng)符合各個(gè)工程特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)施工條件，力求經(jīng)濟(jì)合理。論文以某大橋?qū)嶋H工程為背景，詳細(xì)介紹了單壁鋼圍堰的設(shè)計(jì)方案及借助有限元模型進(jìn)行合理性檢算的過程，為同類型深水基礎(chǔ)鋼圍堰施工檢算提供技術(shù)參考。

大跨度橋梁；深水基礎(chǔ)；單壁鋼圍堰；有限元；分析計(jì)算

鋼圍堰是當(dāng)今橋梁深水基礎(chǔ)施工常用的臨時(shí)阻水結(jié)構(gòu)，其作用是通過四周鋼壁和封底混凝土圍水圍沙，為基礎(chǔ)施工提供一個(gè)穩(wěn)定的無水環(huán)境。鋼圍堰形式主要有鋼板樁圍堰、鋼套箱圍堰、鋼吊箱圍堰等。鋼板樁圍堰一般采用單壁結(jié)構(gòu)，主要適用于流速較小、水位較低，承臺(tái)較淺、河床地質(zhì)透水性弱的地層；鋼套箱圍堰可分為單壁、雙壁以及單雙壁組合式，適用于流速較大、水位較深，承臺(tái)較淺的地層；鋼吊箱鋼圍堰主要適用高樁承臺(tái)。由于鋼套箱圍堰具有施工速度快、防水性能好、可重復(fù)利用等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于修建橋梁深水基礎(chǔ)時(shí)的圍堰工程［1，4］。

1　工程概況

該深水河大橋是一座 （91.2+2×160+91.2）m連續(xù)剛構(gòu)橋，主橋23#～25#主墩采用雙肢薄壁墩形式，墩身順橋向?qū)挾葹?80cm，雙肢凈距440cm，橫橋在超出同箱梁底板寬度處接半圓截面。主墩承臺(tái)順橋向?qū)?360cm，橫橋向?qū)?440cm，厚450cm，承臺(tái)下接9根φ220cm鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。樁基順、橫向樁間距均為500cm。樁基礎(chǔ)按嵌巖樁設(shè)計(jì)，持力層為中風(fēng)化白云巖。本橋的設(shè)計(jì)防撞力采用3000t，經(jīng)過防撞設(shè)計(jì)采用承臺(tái)左右幅分修，自身滿足防撞要求。同時(shí)在墩身周圍設(shè)置浮筒式防撞設(shè)施，可有效避免船只與承臺(tái)、橋墩直接相撞，以達(dá)到消能降低撞擊力的目的。

受水文狀況影響24#號(hào)墩鋼護(hù)筒施工定位困難［5］，經(jīng)多次方案比選決定采用在24#墩護(hù)筒底部設(shè)單壁固腳圍堰，在圍堰內(nèi)灌注封底混凝土包裹鋼護(hù)筒，以穩(wěn)定鋼護(hù)筒底部。

2　圍堰設(shè)計(jì)與檢算

2.1圍堰結(jié)構(gòu)形式

1）圍堰形式。為適應(yīng)水下地形條件，24#墩為高低刃腳單壁鋼圍堰，其斷面如圖1所示。

圖1　鋼圍堰斷面圖（單位：cm）

2）鋼套箱平面尺寸。承臺(tái)平面尺寸為14.4m（橫橋向）×13.6m（順橋向），考慮利用套箱作為承臺(tái)施工模板，為保證承臺(tái)軸線的精確，在承臺(tái)外緣留出10cm空間，作為鋼圍堰在下沉?xí)r的偏差余量，鋼圍堰平面尺寸如圖2所示。

圖2　圍堰平面布置圖（單位：mm）

3）鋼圍堰面板結(jié)構(gòu)［6～7］

面板厚度為8mm；橫向肋［8］，間距為55cm；豎向肋I22a，間距為55cm。

面板四周設(shè)L100×100×10角鋼連接件，連接螺栓孔為φ22mm，孔距137.5mm（單排），螺栓為M20× 65mm。

4）圍囹及支撐。圍囹選用雙拼I56a工字鋼；斜撐選用雙拼I36a工字鋼；支撐選用φ530×8mm鋼管。

5）封底。圍堰內(nèi)澆筑C20混凝土進(jìn)行封底。

2.2檢算模型

2.2.1建立模型

對(duì)單壁鋼套箱圍堰結(jié)構(gòu)的受力情況檢算采用MIDAS程序進(jìn)行［1］，整個(gè)圍堰采用空間梁?jiǎn)卧M，模型圖如圖3所示。

圖3　有限元分析模型圖

本模型共劃分為3356個(gè)節(jié)點(diǎn)和6690個(gè)空間梁?jiǎn)卧?，縱向肋和豎向肋采用自由度耦合的方式進(jìn)行處理之間的連接。

2.2.2檢算工況

工況一整體套箱吊裝下沉到位，荷載組合［2］：①套箱自重（包括套箱側(cè)板、加勁肋、支撐系統(tǒng)、吊耳等）+②按3.21m/s的流速產(chǎn)生的流水壓力，計(jì)算內(nèi)容為吊裝支撐系統(tǒng)受力計(jì)算；

1）計(jì)算模型［10］。計(jì)算模型為鋼套箱4個(gè)角鉸接，迎水面的中間位置再設(shè)置一道樁，并利用I56工字鋼水平連接，以防迎水面的底部應(yīng)力自由長(zhǎng)度太大造成的應(yīng)力過大。

2）結(jié)構(gòu)分析結(jié)果。經(jīng)分析：

①位移最大值發(fā)生在套箱頂部，為39mm。

②彎曲應(yīng)力的最大值為170MPa，小于許用應(yīng)力188.5MPa。

③剪應(yīng)力的最大值為97.2MPa，小于許用應(yīng)力110.5MPa。

④軸向應(yīng)力的最大值為166MPa，小于許用應(yīng)力182.5MPa。

故鋼套箱圍堰在本階段的剛度和強(qiáng)度均滿足要求，如圖4所示，見表1。

圖4　工況一分析結(jié)果

表1　支反力

由鋼套箱的支反力可以看出，迎水面高程較高的點(diǎn)位置出現(xiàn)了支反力為拉力的情況，由于迎水面其余位置的支反力均為壓力，且數(shù)值大于該位置處的拉應(yīng)力值，為防止鋼套箱出現(xiàn)傾斜等情況，建議鋼套箱下放到位后在迎水面利用鋼絲繩錨固，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況施加一定的拉力，為防止傾覆，可在迎水面的鋼箱面設(shè)置一些配重。

1.2.1 成立循證護(hù)理小組 由護(hù)士長(zhǎng)和高年資護(hù)士5人組成。通過培訓(xùn),小組成員能熟練掌握循證護(hù)理方法。

3）鋼套箱底部錨固樁受力檢算。由支反力可知，鋼套箱下放到位后，其水平力之和為1317.23kN，全部由迎水面的12根直徑15cm的錨固樁承擔(dān)，則：

每根錨固樁承擔(dān)的水平荷載為：1317.23/12= 109.77kN；

Q=0.7ftDD=0.7×1.95×150×120=24570N= 24.57kN＜109.77kN，由于由截面混凝土提供的抗剪強(qiáng)度不滿足要求，故需要減小錨固樁承擔(dān)的水平剪力，在鋼套箱頂部需要設(shè)置錨索，并使錨索承擔(dān)的水平荷載為水平荷載的66.6%（因流水壓力呈倒三角分布，上部的流水壓力較大），則由底部錨固樁承擔(dān)的水平剪力為0.333×1317.23=438.65kN；

由于水流壓力為動(dòng)水壓力，故需要提高錨固樁的承載力，增加底部錨固樁的數(shù)量，在迎水面設(shè)置20根直徑15cm的錨固樁，箍筋按照I級(jí)鋼筋，直徑8mm，間距100mm配置。

樁的入土深度需要按照錨固樁承擔(dān)的彎矩計(jì)算，由于錨固樁主要承受剪力，彎矩不好確定，按照構(gòu)造確定其錨固深度。錨固深度需大于其在地基之上的高度。

2.2.3整體穩(wěn)定性［11］

套箱穩(wěn)定性最不利工況是：鋼套箱已下沉至河床，但還沒有澆筑封底混凝土。此時(shí)作用在鋼套箱上的荷載有鋼套箱自重、靜水壓力和流水壓力。

流水壓力產(chǎn)生的傾覆力矩Mq為10939kN·m，鋼套箱自重產(chǎn)生的抵抗力矩Md為13698kN·m，故穩(wěn)定系數(shù)為：

此時(shí)的傾覆穩(wěn)定系數(shù)較小，需要在鋼套箱頂部設(shè)置錨固鋼絲繩，或者在迎水面的鋼圍堰面上設(shè)置配重。若設(shè)置配重，則配重?cái)?shù)量為：

若要求穩(wěn)定系數(shù)大于2，需要在迎水面鋼圍堰處設(shè)置59.2t的配重。若穩(wěn)定系數(shù)要求1.5，則配重為17.6t。

若在鋼套箱頂設(shè)置錨索，則所有迎水面設(shè)置的錨索提供的水平力需大于700kN。

建議鋼套箱下沉到位后［9］，利用砂袋或鋼構(gòu)件懸吊在迎水面上，在封底混凝土澆筑后，卸除配重。

2.3結(jié)果

1）鋼套箱下沉到位的同時(shí)，需在鋼套箱頂部設(shè)置拉索，拉索承受的荷載需大于700kN；鋼套箱底部設(shè)置20根直徑15cm的錨固樁，以承擔(dān)流水壓力對(duì)鋼套箱的水平力，按照此布置的鋼套箱強(qiáng)度滿足要求；

2）豎向肋與內(nèi)支撐連接處應(yīng)力比較集中，應(yīng)做局部加固處理；

3）為滿足傾覆穩(wěn)定性要求，需在鋼套箱頂部設(shè)置錨索或在迎水面的套箱處設(shè)置配重。

3　結(jié)束語

由上述結(jié)論可以看出，采用有限元程序可以對(duì)橋梁鋼套箱圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維整體仿真計(jì)算，能夠較好直觀地模擬圍堰的受力情況，與平面結(jié)構(gòu)計(jì)算相比更符合實(shí)際的工況，方法更合理更可靠。工程實(shí)踐也表明該方法的計(jì)算結(jié)果完全可以滿足施工要求，可為類似工程的設(shè)計(jì)檢算提供參考和借鑒。

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