陳青華，劉信，朱坦，孫輝

（1.阜陽市重點工程建設(shè)管理局，安徽　阜陽　236000；2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽　合肥　230009；3.霍山縣路燈管理所，安徽　六安　237200）

鋼板樁圍堰支撐方案變更計算分析

陳青華1，劉信2，朱坦2，孫輝3

（1.阜陽市重點工程建設(shè)管理局，安徽阜陽236000；2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽合肥230009；3.霍山縣路燈管理所，安徽六安237200）

鋼板樁圍堰的支撐體系空間的布置，對圍堰的變形和受力有著較大的影響，其合理與否直接影響著結(jié)構(gòu)和施工的安全性。以在建的阜陽市東環(huán)路潁河大橋為工程背景，計算了圍堰受到的水壓力和土壓力，建立有限元模型，對兩種支撐體系設(shè)計方案進行計算和對比分析，驗算結(jié)構(gòu)的變形和受力，驗證了改進方案的可行性。

鋼板樁圍堰；支撐；圍囹；土壓力

0　引言

鋼板樁圍堰作為一種比較成熟的橋梁深水基礎(chǔ)施工的圍堰方式，當前在我國已被廣泛應(yīng)用。單排鋼板樁圍堰，其內(nèi)部由多道支撐進行支護，工序復(fù)雜，支撐的數(shù)量和布置位置對圍堰的受力和施工難度有著較大的影響。本文結(jié)合某潁河大橋鋼板樁圍堰支撐布置方案的變更，計算分析新方案的可行性，可為類似工程提供參考依據(jù)。

1　工程概況

在建潁河大橋圍堰的設(shè)計承臺斷面尺寸為（長）34m×（寬）14m×（高）5m，圍堰尺寸為36m×16m，采用長為24m拉森FSPIV型鋼板樁，施工常水位為24.500m，河床標高為21.500m，樁底標高為2.500m。

原設(shè)計方案中，共布置7根支撐和圍囹，因現(xiàn)場施工需要，后改為現(xiàn)在的6根支撐和圍囹布置方案，變更前后支撐布置方案如圖1、圖2所示。

2　土壓力計算

目前的鋼板樁圍堰設(shè)計計算中，大多采用土體與圍堰結(jié)構(gòu)分離的簡化計算方法，作用在鋼板樁圍堰外側(cè)的土壓力通常采用朗肯主動土壓力，內(nèi)側(cè)通常采用朗肯被動土壓力。由于朗肯理論假定墻-土之間無摩擦，故土壓力方向垂直指向鋼板樁板身。

圖1　原設(shè)計方案鋼板樁圍堰里面布置圖

圖2　現(xiàn)設(shè)計方案鋼板樁圍堰里面布置圖

本文只考慮最后一個施工工況：所有支撐安裝完畢后，圍堰內(nèi)繼續(xù)抽水吸泥至設(shè)計標高（原方案為8.259m，現(xiàn)方案為8.759m）。封底混凝土標高以下樁身，近似考慮為完全固結(jié)，故樁身內(nèi)部的被動土壓力不進行計算，只計算樁身外部的主動土壓力。

粘性土朗肯土壓力計算公式為：

土壓力分布如圖3所示。

圖3　土壓力分布圖

3　鋼板樁圍堰有限元模型

在該大橋鋼板樁圍堰模擬分析中，圍堰用MIDAS/CIVIL中的殼單元來模擬，圍囹和支撐采用梁單元進行模擬。荷載用計算得到的主動土壓力以面荷載的形式加到殼單元上面，封底混凝土標高以下圍堰用全固結(jié)邊界條件模擬。如圖4、圖5所示。

圖4　現(xiàn)設(shè)計方案鋼板樁圍堰有限元模型

圖5　原設(shè)計方案鋼板樁圍堰有限元模型

4　鋼板樁圍堰計算分析

4.1樁身變形對比分析

分別計算鋼板樁在該工況下，沿X方向（縱橋向）和Y方向（橫橋向）的變形值，如圖6、圖7所示。

圖6　現(xiàn)設(shè)計方案鋼板樁沿X方向變形

圖7　現(xiàn)設(shè)計方案鋼板樁沿Y方向變形

分析可知，在該工況下，原設(shè)計方案X方向、Y方向的最大變形值分別為9.58mm、8.13mm，現(xiàn)設(shè)計方案X方向、Y方向的最大變形值分別為 9.99mm、7.66mm，變形最大值都發(fā)生在圍堰中間位置。方案改進后，X方向變形值變大，而Y方向變形值卻有所減小。兩種方案都是X方向變形值大于Y方向變形值，均小于樁身允許變形，故兩種方案都符合要求。

4.2圍囹和支撐變形對比分析

分別計算圍囹和支撐在該工況下，沿X方向（縱橋向）和Y方向（橫橋向）的變形值，如圖8、圖9所示。

圖8　現(xiàn)設(shè)計方案圍囹和支撐沿X方向變形

圖9　現(xiàn)設(shè)計方案圍囹和支撐沿Y方向變形

分析可知，在該工況下，原設(shè)計方案X方向、Y方向的最大變形值分別為9.56mm、7.76mm，現(xiàn)設(shè)計方案X方向、Y方向的最大變形值分別為 9.63mm、7.66mm，變形最大值都發(fā)生在圍堰中間位置。方案改進后，X方向變形值變大，而Y方向變形值卻有所減小。兩種方案都是X方向變形值大于Y方向變形值，均小于樁身允許變形，故兩種方案都符合要求。

4.3樁身應(yīng)力計算

該工況下，樁身的應(yīng)力計算結(jié)果如圖10所示。

圖10　樁身應(yīng)力分布圖

由圖10可知，在該工況下，原設(shè)計方案最大應(yīng)力值為8.67MPa，現(xiàn)設(shè)計方案最大應(yīng)力值為7.95MPa，方案改進后，最大應(yīng)力值有所減小。最大值均出現(xiàn)在靠近承臺底端中間位置處。應(yīng)力均遠小于鋼材的容許應(yīng)力200MPa，故鋼圍堰鋼板樁結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

4.4圍囹和支撐應(yīng)力計算

該工況下，圍囹和支撐的應(yīng)力計算結(jié)果如圖11所示。

圖11　圍囹和支撐應(yīng)力分布圖

由圖11可知，在該工況下，原設(shè)計方案圍囹和支撐的最大壓應(yīng)力值為36.3MPa，最大拉應(yīng)力值為30.1MPa，現(xiàn)設(shè)計方案最大壓應(yīng)力值為35.2MPa，最大拉應(yīng)力值為29.7MPa。方案改進后最大拉應(yīng)力值和壓應(yīng)力值均有所減小。應(yīng)力均遠小于鋼材的容許應(yīng)力200MPa，故圍囹和支撐結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

5　結(jié)論

①通過計算分析，方案改進后，樁身、圍囹和支撐的X方向（縱橋向）變形值有所變大，而Y方向（橫橋向）變形值有所減??；樁身最大應(yīng)力值有所減??；圍囹和支撐的拉應(yīng)力值和壓應(yīng)力值均有所減小，但變化不大。

②兩種支撐和圍囹布置方案的變形值和應(yīng)力值均符合規(guī)范要求，鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)均處于安全狀態(tài)。

③現(xiàn)方案采用的是6道支撐和圍囹，較原設(shè)計方案數(shù)量有所減小，節(jié)省了原材料，降低了成本；同時減少了施工工序，更利于施工的組織進行；受力和變形仍滿足規(guī)范要求。故此變更方案更便于施工，是合理可行的。

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U445.55+6

B

1007-7359（2016）04-0140-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.056

陳青華（1978-），男，安徽阜陽人，畢業(yè)于同濟大學(xué)，本科，工程師。