羅朝華，丁濱陽，田仲初，叢 培，曹 輝，戴 業(yè)

（1.中鐵五局集團 第一工程有限公司，湖南 長沙 410000；2.長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙 410114）

近年來，我國的經(jīng)濟建設(shè)取得了巨大成就，社會生產(chǎn)力得到了極大提高，建設(shè)了一大批跨大江大河的橋梁工程，同時在施工過程中遇到的困難也不斷增多。譬如，施工工期緊、水文條件復雜、河床沖刷大、地質(zhì)條件復雜、施工干擾大等，給橋梁承臺基礎(chǔ)施工帶來了很大的難度。鋼板樁圍堰的廣泛應用給橋梁基礎(chǔ)施工帶來了很大的便利，并且與雙壁鋼圍堰和鋼套箱相比，鋼板樁圍堰有施工便捷、對周邊河流土體影響小、經(jīng)濟環(huán)保和重復利用率高等優(yōu)點。但針對大流速的水文地質(zhì)條件下，鋼板樁圍堰施工過程的安全穩(wěn)定性越來越值得重視。目前已有的研究成果大多集中在鋼板樁圍堰自身受力特性的分析上，而對水流效應明顯，水位高差較大的情況鮮有研究[1]。念江麗[2]在鋼板樁圍堰計算時僅考慮土壓力和靜水壓力對結(jié)構(gòu)的影響。田仲初等[3]在結(jié)構(gòu)計算分析時采用等值梁法或平面有限元法進行簡化計算。張長青[4]對靜水和流水壓力共同作用下的鋼板樁圍堰進行了分析，但對于流水壓力的計算僅通過相關(guān)規(guī)范或經(jīng)驗公式進行了推算。封仁博等[5]在上述基礎(chǔ)上創(chuàng)新地使用Morison 方程計算流水壓力并將其與規(guī)范計算的數(shù)值進行了對比驗證。本文在已有研究基礎(chǔ)上采用多種方法計算流水壓力，根據(jù)不同流水壓力對鋼板樁圍堰進行理論分析，并以鎮(zhèn)羅黃河特大橋的承臺鋼板樁圍堰為背景，通過對鋼板樁圍堰迎水面進行實時應力監(jiān)測，將實測值與理論值進行對比驗證，通過分析得到一種最適合的計算方法，確保鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性。

1 流水壓力計算方法

1.1 《港口工程荷載規(guī)范》[6]流水壓力計算方法

《港口工程荷載規(guī)范》（JTS 144—1—2010）中對于港口工程中流水壓力Fw的計算公式如下：

式中：Fw為流水壓力值，kN；V 為水流速度，m/s；Cw為迎水面阻水系數(shù)；ρ 為水的密度，kg/m3，ρ=1 000 kg/m3；A 為水流方向上迎水面垂直面積，m2。

通?？砂阉髯饔迷阡摪鍢队娴膲毫奢d簡化為均布荷載，即在模擬計算中可將公式（1）簡化為

1.2 《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》[7]流水壓力計算方法

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》中4.3.9 條規(guī)定，在橋墩迎水面上作用的流水壓力作用值可按照下式進行計算：

式中：Fw為流水壓力值，kN；γ 為水的重度，kN/m3；V 為水流速度，m/s；A 為水流方向上迎水面垂直面積，m2；g 為重力加速度，g=9.8 m/s2；K 為橋墩形狀系數(shù)。

同樣，可以將鋼板樁迎水面類比為橋墩迎水面，因此上述公式同樣適用于計算作用在鋼板樁上的流水壓力：

1.3 Morison 方程計算流水壓力

Morison 方程是分析水流波浪運動時最常用的方法之一，本文采用此方法對作用在鋼板樁上的流水壓力荷載進行分析計算。Morison 方程假定作用在結(jié)構(gòu)任意高度的流水壓力荷載可由水平拖曳力FD和水平慣性力FI兩部分組成，而在本文的研究中圍堰受水流沖擊的振動速度較水流速度可忽略不計，因此對于水平慣性力可不予考慮。則計算作用在柱形結(jié)構(gòu)任意高度上的流水壓力公式可簡化為

式中：ρ 為淡水密度，kg/m3；CD為黏性摩阻力系數(shù)[8]；A 為鋼板樁在水流方向垂直面上的阻水面積，m2；v為水流速度，m/s。

對于鋼板樁圍堰這種類似矩形截面的阻水面來說，其流水壓力值需通過乘以一個修正系數(shù)得到，修正系數(shù)公式如下：

式中：D 和B 分別表示與水流運動方向垂直和平行的矩形截面邊長[9]。

上述式中CD的黏性摩阻力系數(shù)[10]通常與雷諾數(shù)Re 有關(guān)，通過下述公式算出雷諾數(shù)后查表得出CD的取值。雷諾數(shù)計算公式如下：

式中：ρ 為水密度，kg/m3；v 為水流速度，m/s；μ 為水流動荷載黏性系數(shù)。

式中：r 為水流運動黏性系數(shù)。通過查表可知，水流運動黏性系數(shù)r=2.15×10-6。

通過上述公式算出雷諾系數(shù)Re=4.56×107，查表可知黏性系數(shù)CD=0.75。

2 不同方法計算的流水壓力對鋼板樁圍堰的影響

2.1 鋼板樁圍堰工程概況

鋼板樁圍堰內(nèi)支撐圍囹選取雙拼HN500×200 型鋼以及雙拼HN700×300 型鋼，橫、斜撐選取Φ630×10 mm（壁厚）鋼管，水下封底混凝土選用C20 水下混凝土進行封底。鋼板樁圍堰詳細布置見圖1～2。

圖1 內(nèi)支撐平面布置圖

圖2 鋼板樁圍堰立面布置圖

2.2 流水壓力對鋼板樁圍堰影響最大的工況

鎮(zhèn)羅黃河特大橋13#墩鋼板樁圍堰施工過程共分為5 個施工工況（表1），各階段出現(xiàn)的最大內(nèi)力、應力及變形不同。在整個施工過程中，內(nèi)支撐的布置對鋼板樁圍堰的受力狀態(tài)影響很大，在水位下降后且內(nèi)支撐還未安裝時，此時鋼板樁的內(nèi)力、應力以及變形達到最大值，隨著第一道內(nèi)支撐安裝后，水位的下降對鋼板樁圍堰的受力狀態(tài)影響變小。為使分析結(jié)果更具代表性，應選擇流水壓力對鋼板樁結(jié)構(gòu)影響最大的工況。第二施工工況（CS2）為水位下降后，第一道內(nèi)支撐安裝前，此時整個鋼板樁沒有內(nèi)部支撐，而在外部流水壓力的作用下整個結(jié)構(gòu)的應力變形達到最大，因此選擇第二施工工況作為計算流水壓力的最不利施工工況。

表1 施工工況表

2.3 流水壓力的理論計算

根據(jù)該橋橋址的地質(zhì)水文情況，在洪水期最大流速可達5 m/s，因此在圍堰分析計算時不僅要考慮靜水壓力，也要考慮流水壓力。

（1）按照《港口工程荷載規(guī)范》計算流水壓力。其中流水面阻力系數(shù)Cw根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》中13.0.3 水流阻力系數(shù)表可得Cw=1.384，則流水壓力

（2）按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》計算流水壓力。其中橋墩形狀系數(shù)K 根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》表4.3.9 中取值為1.3，則流水壓力

（3）按照Morison 方程計算流水壓力。水位高度為1.995 m，垂直水流方向的矩形截面邊長D=10.4 m，故A=20.332 m2。計算得對于鋼板樁結(jié)構(gòu)，其流水附加質(zhì)量需通過乘修正系數(shù)K 得到實際流水壓力，其中KD=0.947 32+=1.792，則

對比上述三種計算方法所得的流水壓力（表2）可知，根據(jù)兩種不同規(guī)范中所給的流水壓力計算公式算出的應力值僅相當于Morison 方程計算結(jié)果的46.2%和44.2%。

表2 三種流水壓力理論值

3 有限元模擬

利用Midas Civil 建立鋼板樁圍堰整體有限元模型。其中鋼板樁采用板單元，圍囹和內(nèi)支撐采用梁單元，并且將鋼板樁截面等效為矩形板截面，在計算模型中板寬采用0.8 m，板厚采用17.96 cm。整體模型如圖3 所示。

圖3 有限元模型示意圖

將上述三種方法計算所得的流水壓力分別作用在有限元三維模型上，依照最不利工況分析結(jié)構(gòu)應力狀態(tài)。表3 列出了流水壓力作用在最不利工況下的圍堰各構(gòu)件的計算結(jié)果。

表3 最不利工況下鋼板樁及內(nèi)支撐應力峰值

4 現(xiàn)場監(jiān)測方案

4.1 圍堰內(nèi)支撐應力測點布置

鋼板樁圍堰共布置3 道內(nèi)支撐，結(jié)合有限元模型計算結(jié)果，在第一、二、三道內(nèi)支撐上均布置測點。第一道內(nèi)支撐上在迎水面的圍囹和斜撐上共布置3處測點，第二道內(nèi)支撐在迎水面的圍檁以及橫、斜撐上共布置3 處測點，第三道內(nèi)支撐在圍檁與斜撐相交點位置以及橫撐上共布置4 處測點。第一、二、三道內(nèi)支撐上安裝測點如圖4～6 所示。

圖4 第一道內(nèi)支撐測點安裝圖

圖5 第二道內(nèi)支撐測點安裝圖

圖6 第三道內(nèi)支撐測點安裝圖

4.2 測量儀器

（1）表面測斜探頭，焊接于鋼板樁內(nèi)側(cè)，測量鋼板樁樁身的傾斜度。

（2）振弦式應變計，焊接于控制截面相應構(gòu)件表面，測試鋼板樁應力、應變。

（3）綜合測試系統(tǒng)自動跟蹤采集模塊。

5 結(jié)果與分析

通過對鋼板樁圍堰施工過程的實時監(jiān)測，得到相應的實測數(shù)據(jù)，如圖7～10 所示。表4 列出了最不利工況下測點A1、A2、B1 和B2 的實測和理論應力值。通過實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的對比分析，說明監(jiān)測數(shù)據(jù)真實可信。通過將現(xiàn)場監(jiān)控實測值與模型分析結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)兩者的應力和變形的變化規(guī)律基本類似，計算結(jié)果也比較接近，由此可知在有限元三維模型建立過程中，其本構(gòu)模型參數(shù)選取比較合理。

圖7 A1 測點實測應力值

由表4 可知，在最不利工況下的各位置的測點實測應力值與兩種規(guī)范所計算的理論應力值相差很大，而與Morison 方程所計算的理論應力值差距較小。對比實測值與Morison 方程計算的理論值可知：各測點最大的絕對差僅為12.04 MPa，同時也是最大的相對誤差，達到了8.99%；而最小絕對差僅僅為0.588 MPa，但相對誤差為5.44%；各測點中最大相對誤差為8.99%，最小相對誤差為1.06%。

表4 最不利工況下實測應力與理論應力對比

圖8 A2 測點實測應力值

圖9 B1 測點實測應力值

圖10 B2 測點實測應力值

綜上所述，運用Morison 方程法對結(jié)構(gòu)應力進行分析得到的結(jié)果與實測應力值最為接近。

6 結(jié)論

通過對鋼板樁圍堰的實時監(jiān)測，結(jié)合理論計算模型，得出以下結(jié)論：

（1）運用Morison 方程計算流水壓力所得到的結(jié)果更符合實際施工過程中鋼板樁及內(nèi)支撐所處的應力狀態(tài)，通過對比鎮(zhèn)羅黃河特大橋承臺基礎(chǔ)鋼板樁圍堰施工過程監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，各測點中最大相對誤差為8.99%，最小相對誤差為1.06%。由此可得，在類似大流速的工程實踐中選擇Morison 方程法對結(jié)構(gòu)進行分析，能夠保障結(jié)構(gòu)在施工過程中良好的受力狀態(tài)。

（2）在建立鋼板樁圍堰有限元數(shù)值模型時，需要對流水壓力充分考慮，并對比多種計算方法，得到最不利結(jié)果作為施工監(jiān)控預警值，保證施工中的安全穩(wěn)定性。