劉斐

摘 要：近年來隨著我國深水基礎(chǔ)施工技術(shù)不斷提高，因在深水承臺施工過程中，鋼圍堰所受的靜水壓力、動水壓力較大，而雙壁鋼圍堰剛度大、隔水性能好，故被廣泛使用。本文以漢江五橋主橋為工程依托，使用專業(yè)有限元軟件ANSYS對深水承臺雙壁鋼圍堰進(jìn)行三維彈塑性有限元數(shù)值模擬分析，對鋼圍堰在施工過程中較不利施工階段的受力進(jìn)行分析，對多種組合荷載作用下結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和變形狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)研究。

關(guān)鍵詞：深水承臺;雙壁鋼圍堰;有限元分析;力學(xué)性能

一、概述

當(dāng)前工程行業(yè)中，深水基礎(chǔ)施工常使用的圍堰形式有鋼板樁圍堰、鋼套箱圍堰、鋼吊箱圍堰、混凝土圍堰和鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)圍堰等幾種。

雙壁鋼套箱圍堰（下簡稱雙壁鋼圍堰）與單壁鋼套箱圍堰相比，其剛度大、隔水性能好，能承受更大的靜水壓力和動水壓力，更適用于水深、流速快的大型水域中深水基礎(chǔ)的施工。雙壁鋼圍堰由角鋼、槽鋼及扁鋼焊接或栓接而成，構(gòu)成平面形式為圓形或矩形的雙層骨架;雙壁鋼圍堰底部設(shè)刃腳，采用向圍堰壁內(nèi)注水或灌注砼增加圍堰重量使其下沉。

本文以漢江五橋主橋為工程依托，在總結(jié)、整理雙壁鋼圍堰相關(guān)研究文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，采用專業(yè)有限元軟件ANSYS進(jìn)行三維彈塑性有限元數(shù)值模擬分析，對深水承臺雙壁鋼圍堰的設(shè)計方法、施工工藝和受力性能進(jìn)行研究，為今后類似工程的施工建設(shè)積累資料和提供理論參考。

二、工程概況

（一）鋼圍堰工程背景

漢江五橋的主橋為梁、拱組合體系剛構(gòu)橋，跨徑布置77m+138m+138m+77m，主梁為變截面預(yù)應(yīng)力鋼筋砼箱梁。漢江五橋主橋主墩承臺為鋼筋砼結(jié)構(gòu)，矩形圓倒角截面，外形尺寸：23.5×17m，承臺四角倒圓半徑2.0m，承臺厚度5m，采用C40混凝土。

各主樁承臺均設(shè)置于漢江左、右航道河床以下，墩位處水深均約7～10m。

（二）鋼圍堰主要設(shè)計思路

鋼圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計主要從結(jié)構(gòu)受力可靠、功能性滿足的角度出發(fā)。

整體尺寸的擬定包括整體平面尺寸、整體立面尺寸和分塊尺寸。其中，鋼圍堰整體平面大小根據(jù)橋梁承臺大小擬定，考慮鋼圍堰的功能而確定圍堰放大尺寸;當(dāng)鋼圍堰同時承擔(dān)承臺側(cè)模的功能時，僅按照行業(yè)規(guī)范規(guī)定的允許偏差進(jìn)行尺寸放大，外放尺寸取為10cm;當(dāng)鋼圍堰僅為施工擋水結(jié)構(gòu)，不作為承臺施工側(cè)模時，為保證承臺施工時模板支撐具備足夠空間，其外放尺寸取為1m左右。鋼圍堰整體立面參數(shù)則由防浪高度、施工過程中的最高水位、承臺底高程和封底砼厚度擬定，同時還應(yīng)計入河床受水流沖刷的影響。而鋼圍堰下放時的分塊尺寸則由現(xiàn)場施工設(shè)備資源情況確定，在盡量減少圍堰塊數(shù)的基礎(chǔ)上，要求單塊圍堰分塊重不超過現(xiàn)場起重機(jī)起重能力，同時分塊尺寸不宜過大，以便于施工安裝。

鋼圍堰細(xì)部構(gòu)造的參數(shù)設(shè)計，即圍堰內(nèi)外側(cè)壁板厚度、壁板間距、桁架豎向水平間距、橫肋和豎肋間距均由同類工程施工經(jīng)驗擬定。

鋼圍堰平面布置應(yīng)為墩柱施工留足空間;立面布置則根據(jù)承臺、圍堰高度以及同類工程施工經(jīng)驗確定，同時根據(jù)已有材料和經(jīng)驗對圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行選型。

擬定好的圍堰結(jié)構(gòu)應(yīng)采用相應(yīng)計算方法對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行驗算，對于不滿足要求的應(yīng)進(jìn)行尺寸的調(diào)整，直至滿足受力和功能性要求。

（三）鋼圍堰結(jié)構(gòu)參數(shù)

雙壁鋼圍堰采用矩形斷面的結(jié)構(gòu)形式，長26.0m，寬19.5m（圍堰平面尺寸擴(kuò)大10cm），壁厚1.2m，圍堰總高19.0m，下部設(shè)1.7m高的刃角。面板采用10mm鋼板，縱肋采用[10型鋼，間距35cm。壁板桁架采用雙等邊角鋼L100×8，桁架腹桿節(jié)點間距1.3m（頂層水平環(huán)板處為單等邊角鋼L100×8）。一般水平環(huán)板均采用10mm鋼板，分層處水平環(huán)板均采用20mm鋼板，桁架焊接在水平環(huán)板上，桁架層距0.6m～1.7m。鋼圍堰共設(shè)10個鋼箱，鋼箱面板采用10mm鋼板，面板縱肋采用[10型鋼，間距35cm。施工時共設(shè)置三層圍堰內(nèi)支撐，其水平撐桿采用?630×10mm鋼管，焊接于圍堰壁板鋼箱內(nèi)側(cè)，第一、二層內(nèi)支撐之間設(shè)I25a工字鋼立柱、斜支撐形成空間桁架結(jié)構(gòu)。封底砼厚2.5m，采用C20水下混凝土。鋼圍堰布置詳見下圖：

（四）主要施工工藝

1、鋼圍堰拼裝

為了加工和運(yùn)輸方便，常對鋼圍堰進(jìn)行豎向分層、水平分塊處理，并對塊構(gòu)件進(jìn)行編號，以方便現(xiàn)場拼裝。

依托工程鋼圍堰沿高度方向?qū)⑵鋸南轮辽弦来畏譃?.9m、4.8m以及8.3m共3層，每層以最大起重量作為控制要素分為14塊。其中，每層的14塊根據(jù)其構(gòu)造分為A和B兩類。

在圍堰拼裝范圍內(nèi)，拆除原鉆孔作業(yè)平臺后，利用承臺外側(cè)樁基鋼護(hù)筒，以及主棧橋和支棧橋的鋼管樁，將型鋼拼接焊制做為承重梁，承重梁上鋪槽鋼作為分配梁，形成鋼圍堰拼裝作業(yè)平臺。圍堰拼裝作業(yè)平臺以施工時實際水位為準(zhǔn)，控制其頂面高程至少高于水位線1.0m，并保證寧低勿高。

2、鋼圍堰下放

鋼圍堰首層結(jié)構(gòu)在安裝平臺上拼接完成并安裝吊點后，運(yùn)用千斤頂將首層鋼圍堰頂起至距離安裝平臺10cm左右;拆除鋼圍堰安裝作業(yè)平臺，并緩慢下放首層鋼圍堰，并保證下放過程中各吊點的同步，確保各吊點下放高度相同，避免出現(xiàn)各吊點的受力不均現(xiàn)象。為確保施工安全，在各吊點位置搭設(shè)操作平臺，并在平臺周圍設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)圍欄。

首層鋼圍堰入水后會發(fā)生自浮，在撤移上吊點千斤頂后，拆除鋼圍堰的下放提吊系統(tǒng)，拆除順序遵循先下吊點后上吊點的順序。

第一層鋼圍堰下放到設(shè)計高程時，繼續(xù)拼裝接高第二層和第三層鋼圍堰。待三層鋼圍堰均拼接成型后，在其刃角位置澆筑刃角砼，以增加其重量，使其下沉至初步整平后的河床基底。

鋼圍堰在下沉過程中主要通過向鋼圍堰壁板內(nèi)加水以及在鋼圍堰所在區(qū)域抓挖清理等方式進(jìn)行糾偏，并每隔2小時進(jìn)行一次測量，以確保鋼圍堰下放過程中其平面位置以及垂直度滿足施工要求。糾偏完成后，進(jìn)行鋼圍堰平面位置以及垂直度復(fù)測，直到滿足要求才可繼續(xù)下沉，避免施工偏差的累積。

3、封底砼澆筑及抽水

封底砼采用2臺臥泵并配合2套導(dǎo)管以及儲料倉等設(shè)備進(jìn)行澆筑，從下游向上游進(jìn)行一次性澆筑完成。每個布料點首封時，混凝土經(jīng)泵送入儲料倉，并確保達(dá)到首封方量，經(jīng)溜槽進(jìn)入導(dǎo)管漏斗，再經(jīng)直徑為32cm的導(dǎo)管進(jìn)行水下澆筑。

在進(jìn)行首盤砼封底之前，用測繩測量出砼導(dǎo)管下端與河床面之間的距離，并依靠墊梁將其調(diào)整至10～20cm范圍內(nèi)。打開裝滿砼的集料斗閥門，通過泵送管送料，直至首盤封底砼澆注完成。確保砼導(dǎo)管在首封砼下放完后在砼內(nèi)埋深0.4～0.6m，并在砼導(dǎo)管口及其附近布設(shè)測點，及時測量導(dǎo)管的埋深與流動范圍。整個圍堰范圍內(nèi)導(dǎo)管監(jiān)測測點共布置17個，對導(dǎo)管位移進(jìn)行監(jiān)測。

待混凝土達(dá)到其設(shè)計強(qiáng)度的90%以后，進(jìn)行鋼圍堰內(nèi)的抽水工作。主要包括以下三個步驟：

①封閉水下連通管。

②第一次抽水至標(biāo)高+55.2m處，并觀測鋼圍堰壁板是否漏水，其構(gòu)件變形是否處于正常范圍內(nèi);

③第二次抽水直至將圍堰內(nèi)水抽干，實現(xiàn)“干作業(yè)”。

鋼圍堰抽水完成后，進(jìn)行封底砼頂面的鑿毛與清理工作，并補(bǔ)澆剩余部分混凝土直至其設(shè)計標(biāo)高。其中，采用人工鑿毛和風(fēng)鎬鑿毛相結(jié)合的方式進(jìn)行封底砼的頂面鑿毛。

三、深水承臺雙壁鋼圍堰施工過程受力性能分析

（一）結(jié)構(gòu)受力分析方法簡述

考察結(jié)構(gòu)受力的主要方法包括：試驗、近似簡化以及數(shù)值分析等三種。其中，數(shù)值分析是根據(jù)有限元原理對結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)進(jìn)行模擬分析，可以精確的計入結(jié)構(gòu)各構(gòu)件參數(shù)，較為準(zhǔn)確考慮結(jié)構(gòu)的材料本構(gòu)關(guān)系，精細(xì)的模擬結(jié)構(gòu)實際的邊界條件以及受力狀態(tài)，因此其計算結(jié)果較近似簡化方法更反應(yīng)結(jié)構(gòu)真實的受力和變形狀態(tài);并且在一定程度上可以將其代替試驗的方法以分析結(jié)構(gòu)的受力，也更為經(jīng)濟(jì)。

（二）鋼圍堰有限元模型

1、單元選取

鋼圍堰內(nèi)外面板、鋼箱面板和水平環(huán)板均采用4節(jié)點彈性板殼單元shell63模擬;水平桁架、縱肋、內(nèi)支撐均采用3D漸變不對稱梁單元beam44模擬。鋼圍堰三維有限元模型如圖4-1所示。

2、鋼圍堰施工過程工況分析

根據(jù)依托工程的施工方案以及施工過程中結(jié)構(gòu)的受力特點，選取鋼圍堰受力較為不利的施工階段，將鋼圍堰在施工過程中的力學(xué)性能劃分為以下兩個工況進(jìn)行分析：

工況一：鋼圍堰下沉到設(shè)計高程，鋼圍堰內(nèi)的河床清淤至封底砼底面設(shè)計高程;該工況鋼圍堰承受自重、流水壓力以及土壓力三種荷載。

工況二：鋼圍堰封底砼達(dá)到強(qiáng)度要求后，鋼圍堰內(nèi)抽水形成干作業(yè)空間。此工況鋼圍堰受力復(fù)雜，為最不利工況。鋼圍堰承受自重、流水壓力、靜水壓力以及土壓力四種荷載。

3、邊界條件模擬

各工況所對應(yīng)的邊界條件如下：

工況一：圍堰底部節(jié)點豎向約束（即Uy=0）;各層橫向支撐中心水平方向約束，（Ux=0、Uz=0）。

工況二：圍堰底部環(huán)板節(jié)點豎向約束（即Uy=0）;內(nèi)面板與封底砼接觸面上的節(jié)點水平方向約束（即Ux=0、Uz=0）。

4、圍堰施工過程受力分析

4.1工況一

該工況鋼圍堰下沉到位，圍堰內(nèi)河床清基至封底砼底面設(shè)計標(biāo)高，根據(jù)計算結(jié)果可以看出，各板件高應(yīng)力區(qū)域分布于其下緣，受力最不利板件為鋼圍堰外面板。

4.2工況二

該工況鋼圍堰封底砼達(dá)到強(qiáng)度要求后，鋼圍堰內(nèi)抽水形成干作業(yè)空間。此工況鋼圍堰受力復(fù)雜，為最不利工況。根據(jù)計算結(jié)果可以看出，各板件在其下緣出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，忽略應(yīng)力集中區(qū)域各板件高應(yīng)力區(qū)域分布于板件中部，并且各板件位移較大位置分布于板件中部，受力最不利板件為鋼圍堰內(nèi)面板。

（三）鋼圍堰施工過程抗浮穩(wěn)定量分析

封底砼澆筑完成，圍堰內(nèi)抽水后，驗算圍堰抗浮穩(wěn)定性。封底砼采用C20水下混凝土，厚度按1.5m計算（實際施工為2m），圍堰內(nèi)隔艙加水至+63.00標(biāo)高處，即內(nèi)倉加水12.26m。

四、結(jié)語

本文結(jié)合實際工程的施工方案以及施工過程中結(jié)構(gòu)的受力特點，對鋼圍堰受力較為不利的施工階段進(jìn)行了闡述，并進(jìn)一步劃分了施工工況，對各工況在其相應(yīng)荷載以及邊界條件作用下結(jié)構(gòu)的受力性能進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬分析。結(jié)果顯示，各工況下，不計應(yīng)力集中區(qū)域，鋼圍堰各構(gòu)件應(yīng)力水平均小于規(guī)范規(guī)定值，最大變形均不大于7mm，均符合設(shè)計要求。各工況下，受力較為不利的構(gòu)件為鋼圍堰內(nèi)、外面板以及鋼箱面板，工況二（鋼圍堰封底砼達(dá)到強(qiáng)度要求后，鋼圍堰內(nèi)抽水形成干作業(yè)空間時）為鋼圍堰受力最不利工況。對鋼圍堰封底砼澆筑完成、圍堰內(nèi)抽水完成后結(jié)構(gòu)的抗浮穩(wěn)定性進(jìn)行了驗算，結(jié)果表明鋼圍堰抗浮穩(wěn)定性滿足要求。

本文對深水承臺雙壁鋼圍堰在施工過程中的靜力性能進(jìn)行了研究，取得了一定的成果;但由于時間和精力有限，仍然存在一些不足之處。為使雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)的成熟應(yīng)用，還有以下幾個方面有待進(jìn)一步研究：

（一）由于鋼圍堰組成構(gòu)件多為細(xì)長或薄壁構(gòu)件，在其下沉就位或抽水后，還應(yīng)考慮其穩(wěn)定性受力問題;

（二）鋼圍堰實際受力過程中，不僅承受靜力荷載，還承受水流和波浪等動力荷載，因此若條件允許還應(yīng)進(jìn)行鋼圍堰的動力響應(yīng)分析。

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