王達(dá)， 嚴(yán)偉飛， 劉旺， 楊濤， 郭智剛

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙 410114；2.浙江省大成建設(shè)集團(tuán)有限公司， 浙江 杭州 310012)

1 工程概況

寧夏中衛(wèi)南站黃河大橋全長(zhǎng)1.409 km，主橋采用(100+130+40) m中承式異形梁拱組合體系，是連接機(jī)場(chǎng)大道與高鐵站的控制性工程。主橋17#墩處于黃河主河道內(nèi)，其承臺(tái)為主橋施工的關(guān)鍵性工程。17#主墩結(jié)構(gòu)為V腿剛構(gòu)下接整體式承臺(tái)，單個(gè)V腿尺寸為4 m(順橋向)×5 m(橫橋向)，V腿底部平面尺寸為8 m(順橋向)×5 m(橫橋向)，承臺(tái)平面尺寸為14.4 m(順橋向)×43.2 m(橫橋向)，厚4.8 m；基礎(chǔ)為27根直徑2 m鉆孔灌注樁。承臺(tái)采用雙壁鋼圍堰施工。

參考多個(gè)鋼圍堰及封底砼受力分析實(shí)例，采用有限元程序ANSYS/Workbench對(duì)17#主墩承臺(tái)圍堰進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析，并與實(shí)測(cè)值對(duì)比，驗(yàn)證理論分析結(jié)果，從而有效指導(dǎo)實(shí)際施工。

2 鋼圍堰結(jié)構(gòu)形式與施工工藝

2.1 結(jié)構(gòu)形式

雙壁鋼圍堰同樣采用矩形形式，高度18.7 m，順橋向?qū)挾?8.0 m，橫橋向?qū)挾?6.6 m。圍堰沿高度方向分為3節(jié)依次拼裝下水，3節(jié)高度分別為7.6、7.0、4.1 m(見圖1、圖2)。鋼圍堰由內(nèi)外壁板、隔艙板、豎向加勁肋、鋼管內(nèi)支撐、水平環(huán)板和水平橫撐組成，還包括封底砼和隔艙砼。

圖1 鋼圍堰立面圖(單位：mm)

圖2 鋼圍堰平面圖(單位：mm)

鋼圍堰所用鋼材均為Q235B，內(nèi)、外壁板采用6 mm厚鋼板。隔艙板采用非等間距布置，共設(shè)置20道，間距最小為5.2 m、最大為9.0 m。隔艙板與內(nèi)、外壁板焊接形成隔艙。豎向加勁肋布置在內(nèi)、外壁板上，間距均為330 mm，均采用∠63 mm×63 mm×6 mm 等邊角鋼，沿圍堰高度方向?qū)?nèi)、外壁板和隔艙板進(jìn)行加勁。鋼圍堰結(jié)構(gòu)沿圍堰高度方向設(shè)置2層內(nèi)支撐，第1層內(nèi)支撐距離圍堰頂部2.9 m，采用φ630 mm×10 mm鋼管；第2層內(nèi)支撐距離圍堰頂部7.1 m，采用φ820 mm×10 mm 鋼管。每層內(nèi)支撐共設(shè)置4道順橋向水平直桿支撐和4道水平斜桿支撐。鋼圍堰結(jié)構(gòu)共設(shè)16層環(huán)板和水平橫撐，水平橫撐與環(huán)板和內(nèi)、外壁板焊接。環(huán)板寬度有220和280 mm 2種，中間7～12層環(huán)板寬度為280 mm，其余環(huán)板寬度為220 mm。隔艙砼采用C25砼，填充高度為6.7 m。封底砼采用C30砼，厚度為3 m。

2.2 施工工藝

雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)施工工藝流程為搭設(shè)鋼套箱拼裝平臺(tái)→拼裝底節(jié)鋼套箱→安裝吊放系統(tǒng)→下沉底節(jié)鋼套箱→拼裝接高第2、3節(jié)鋼套箱→開挖下沉→清基封堵→水下封底→安裝內(nèi)支撐→承臺(tái)施工。

3 鋼圍堰受力分析

3.1 計(jì)算荷載與工況

3.1.1 計(jì)算荷載

鋼圍堰受力情況復(fù)雜，根據(jù)文獻(xiàn)[8]對(duì)荷載進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算?？紤]的荷載主要有：

(1) 圍堰結(jié)構(gòu)自重。有限元程序自動(dòng)計(jì)算。

(2) 土側(cè)壓力q1。按主動(dòng)土壓力計(jì)算，填土高度10.1 m，內(nèi)摩擦角30°，計(jì)算得土側(cè)壓力為58.3 kN/m2。

(3) 靜水壓力。圍堰外側(cè)靜水壓力q2，最大入水深度16.6 m，計(jì)算得靜水壓力為166 kN/m2；隔艙內(nèi)靜水壓力q3，注水高度5 m，靜水壓力為50 kN/m2。

(4) 流水壓力q4。設(shè)計(jì)水流速度取施工期較大值3.0 m/s，計(jì)算得流水壓力為5.96 kN/m2。

(5) 等效靜陣風(fēng)荷載q5。計(jì)算得順橋向靜風(fēng)荷載為5.7 kN/m2，橫橋向靜風(fēng)荷載為4.6 kN/m2。

3.1.2 荷載組合

該鋼圍堰采用極限狀態(tài)法計(jì)算，鋼材和砼材料承載力取強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，鋼材抗壓、抗拉及抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為215 MPa，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為125 MPa。鋼材彈性模量取2.06×105MPa，泊松比為0.3；砼彈性模量取3.00×104MPa，泊松比為0.2。圍堰自重、土側(cè)壓力和靜水壓力作用分項(xiàng)系數(shù)取1.2，流水壓力和風(fēng)荷載作用分項(xiàng)系數(shù)取1.4，材料抗力分項(xiàng)系數(shù)取1.0。

3.1.3 分析工況

根據(jù)施工工藝流程，分析得到4個(gè)較為關(guān)鍵的計(jì)算工況：工況1為圍堰下沉到位；工況2為封底砼達(dá)到強(qiáng)度要求，圍堰內(nèi)抽水至第1層內(nèi)支撐以下0.5 m，準(zhǔn)備安裝第1層內(nèi)支撐；工況3為圍堰內(nèi)抽水至第2層內(nèi)支撐以下0.5 m，準(zhǔn)備安裝第2層內(nèi)支撐；工況4為圍堰內(nèi)抽水完成，內(nèi)外水位差達(dá)到最大。各工況下荷載受力情況見圖3。

圖3 各工況下荷載分布

3.2 有限元模型

雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，構(gòu)件種類繁多，根據(jù)圍堰結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有限元模擬時(shí)需進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。鋼圍堰構(gòu)件之間的連接均進(jìn)行了局部加厚處理，結(jié)構(gòu)形式較復(fù)雜，有限元模型中將其簡(jiǎn)化為節(jié)點(diǎn)耦合連接，如此得到的分析結(jié)果更保守。

根據(jù)構(gòu)件受力特點(diǎn)，內(nèi)外壁板、隔艙板、豎向加勁肋、鋼管內(nèi)支撐和水平環(huán)板均采用殼單元Shell181模擬，水平橫撐采用桿單元Link180模擬，砼采用實(shí)體單元Solid186模擬，圍堰底部采用固結(jié)約束，各單元間通過(guò)節(jié)點(diǎn)耦合約束連接。有限元模型見圖4。

圖4 鋼圍堰有限元模型

由于封底砼與圍堰內(nèi)壁接觸范圍內(nèi)變形較大，為提高有限元模型計(jì)算效率，將封底砼的支撐作用模擬為邊界條件，封底砼與圍堰內(nèi)壁底部3m接觸范圍內(nèi)固結(jié)約束(見表1)。

表1 有限元模型邊界設(shè)置

3.3 計(jì)算分析結(jié)果

經(jīng)有限元計(jì)算分析，得到各工況下構(gòu)件變形和應(yīng)力，限于篇幅，僅列出最不利工況即工況2下變形和應(yīng)力云圖(見5～10)，各工況下變形和應(yīng)力最不利值見表2。

圖5 工況2下整體變形(單位：mm)

圖6 工況2下內(nèi)外壁板應(yīng)力(單位：MPa)

圖7 工況2下隔艙板應(yīng)力(單位：MPa)

圖8 工況2下水平環(huán)板應(yīng)力(單位：MPa)

圖9 工況2下夾壁水平橫撐應(yīng)力(單位：MPa)

圖10 工況2下豎向加勁肋應(yīng)力(單位：MPa)

由表2可知：1) 圍堰結(jié)構(gòu)整體最大變形為29 mm，小于容許值L/400=116 mm；最大應(yīng)力為194.77 MPa，理論分析的最不利值均小于材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均滿足要求。2) 鋼管內(nèi)支撐受力情況為工況3最不利，最大應(yīng)力為143.24 MPa，根據(jù)文獻(xiàn)[7]計(jì)算得穩(wěn)定系數(shù)為0.967，材料容許應(yīng)力為215 MPa。內(nèi)支撐壓桿穩(wěn)定臨界力N=φA[σ]=4 084 kN，鋼管內(nèi)支撐最大軸力F=2 802 kN，小于受壓失穩(wěn)臨界值，穩(wěn)定性滿足要求。

表2 各工況下變形和應(yīng)力最不利值

3.4 實(shí)測(cè)應(yīng)力結(jié)果對(duì)比

為保證圍堰施工期間結(jié)構(gòu)安全，在圍堰內(nèi)外壁板和內(nèi)支撐等主要構(gòu)件上布置應(yīng)力傳感器(見圖11、圖12)，根據(jù)應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證理論結(jié)果的正確性。實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算值對(duì)比見圖13～16。

圖11 鋼圍堰測(cè)點(diǎn)布置平面圖

圖12 鋼圍堰測(cè)點(diǎn)布置立面圖

由圖13～16可知：僅個(gè)別測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算值誤差較大，主要原因是施工影響導(dǎo)致傳感器受損。整體實(shí)測(cè)應(yīng)力與理論計(jì)算值基本一致，理論分析結(jié)果對(duì)實(shí)際施工具有指導(dǎo)意義。

圖13 工況1下應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算值對(duì)比

圖14 工況2下應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算值對(duì)比

圖15 工況3下應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算值對(duì)比

圖16 工況4下應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算值對(duì)比

4 封底砼受力分析

封底砼厚度3 m，材料為C30砼。對(duì)封底砼建立局部分析模型，采用實(shí)體單元模擬，封底砼與圍堰內(nèi)壁和鋼護(hù)筒之間的黏結(jié)作用采用固結(jié)約束邊界條件。有限元模型見圖17，分析結(jié)果見圖18～19。

圖17 封底砼有限元模型

封底砼承受的荷載主要有砼自重、浮力(依據(jù)規(guī)范計(jì)算)、砼與圍堰和鋼護(hù)筒之間的黏結(jié)力(參考相關(guān)文獻(xiàn)，取較不利經(jīng)驗(yàn)值)。由圖18、圖19可知：封底砼最大拉應(yīng)力為0.702 MPa，最大壓應(yīng)力為0.277 MPa，最大拉、壓應(yīng)力分別小于抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度1.39 MPa和抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度13.8 MPa，具有較大安全儲(chǔ)備。實(shí)際施工中將封底砼優(yōu)化至2.5 m，最大拉應(yīng)力為0.986 MPa，最大壓應(yīng)力為0.734 MPa，有效縮短了施工周期，帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖18 封底砼第一主應(yīng)力(單位：MPa)

圖19 封底砼第三主應(yīng)力(單位：MPa)

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)中衛(wèi)南站黃河大橋主墩承臺(tái)雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)的受力分析，得到以下結(jié)論：

(1) 圍堰內(nèi)抽水至第1層內(nèi)支撐以下0.5 m，準(zhǔn)備安裝第1層內(nèi)支撐為結(jié)構(gòu)受力最不利情況，應(yīng)嚴(yán)格控制抽水水位；應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值的變化趨勢(shì)一致，整體誤差較小，且實(shí)測(cè)值往往小于理論計(jì)算值，表明理論計(jì)算結(jié)果偏安全，可指導(dǎo)實(shí)際施工。

(2)圍堰各構(gòu)件平均應(yīng)力均較小，最大應(yīng)力主要出現(xiàn)在構(gòu)件連接處，引起應(yīng)力集中現(xiàn)象。隔艙板的受力情況最為不利，尤其在隔艙砼頂面位置，剛度突變對(duì)應(yīng)力結(jié)果影響較大。

(3) 封底砼的最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力均小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。依據(jù)理論計(jì)算對(duì)封底砼進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可為施工創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。