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        雙壁鋼套箱圍堰有限元仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

        2021-10-22 14:22:52母亞銘中交二航局設(shè)計研究總院湖北武漢430040
        安徽建筑 2021年10期
        關(guān)鍵詞:有限元優(yōu)化混凝土

        母亞銘 (中交二航局設(shè)計研究總院,湖北 武漢 430040)

        1 工程概況

        某跨海大橋為雙塔三跨連續(xù)彈性支承體系懸索橋,其纜跨布置為269+926+362=1557m,梁跨布置為264+926+357=1547m,加勁梁采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)形式,梁高3m;吊索標(biāo)準(zhǔn)間距18m;主塔兩側(cè)的錨碇均采用重力錨。主橋兩側(cè)的主塔是整個懸架系統(tǒng)的重要受力結(jié)構(gòu):一側(cè)主塔基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ),另一側(cè)主塔基礎(chǔ)采用承臺加樁基礎(chǔ);承臺及系梁呈啞鈴形狀,承臺半徑11.8m,承臺底設(shè)計標(biāo)高-3.8m,頂設(shè)計標(biāo)高+3.5m。橋型布置如圖1所示。

        圖1 橋型布置圖

        項目橋址處最大流速3.7m/s,最高潮位2.01m,無覆蓋層,最深處達(dá)-13.59m。橋址處承臺覆蓋范圍達(dá)到1050.4m,海底為 0.8~7.4m 厚的強風(fēng)化晶屑玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r裸巖,基床傾斜度大,飽和單軸抗壓強度平均值為38.1MPa,為穿越該硬土層到達(dá)持力層,且滿足圍堰施工階段的水頭差要求,考慮采用雙壁鋼套箱圍堰鉆孔樁基礎(chǔ)。

        2 雙壁鋼套箱圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計

        根據(jù)工程資料,原設(shè)計方案如下:主塔承臺鋼圍堰平面呈圓形,直徑為28m,壁厚2m,分左右兩幅。右幅鋼圍堰總高8.27~15.32m,鋼圍堰頂設(shè)計標(biāo)高+3.80m,鋼圍堰底設(shè)計標(biāo)高為-4.47~-11.52m;左幅鋼圍堰總高8.89~17.11m,頂設(shè)計標(biāo)高+3.80m,底設(shè)計標(biāo)高為-5.09~-13.31m。鋼圍堰上部設(shè)置為雙壁結(jié)構(gòu),下部設(shè)置為裙擺單壁鋼圍堰結(jié)構(gòu),裙擺設(shè)置在外壁板側(cè),高度約為48~300cm。

        鋼圍堰由壁板、面板豎向加勁肋、水平環(huán)向加勁肋、豎向斜撐、隔艙板、內(nèi)支撐、單壁裙擺等結(jié)構(gòu)組成。構(gòu)件所用材料統(tǒng)一為Q235-A,雙壁結(jié)構(gòu)平面每節(jié)劃分為8塊,豎向共2節(jié),共16塊,單壁裙擺結(jié)構(gòu)平面每節(jié)劃分為8塊,豎向劃分一節(jié)。承臺鋼圍堰右幅總重為334t,左幅總重為358t。內(nèi)支撐分2層,均按井字形布置。整個結(jié)構(gòu)采用C25海工混凝土進(jìn)行圍堰封底,從海床面澆筑至承臺底。在圍堰封底抽水階段要承受的最大水頭差為5.8m,此時圍堰剖面基本計算簡圖如圖2所示。

        圖2 剖面基本計算簡圖

        3 雙壁鋼套箱圍堰有限元數(shù)值模擬

        本文基于橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中常用的通用有限元分析軟件Midas Civil,在原設(shè)計方案的基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬檢算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

        3.1 結(jié)構(gòu)有限元建模

        鋼圍堰結(jié)構(gòu)有限元分析屬于三維空間問題,整個體系可以離散為三種形式的單元,結(jié)合設(shè)計圖紙,模型所采用的單元包括:

        板殼單元:離散和模擬內(nèi)、外壁板和隔艙板使用板單元建模采用板單元,其中,外壁板為δ=16mm的鋼板,單壁裙擺結(jié)構(gòu)為δ=10mm的鋼板,內(nèi)壁板為δ=6mm的鋼板,隔艙板為δ=10mm的鋼板。內(nèi)壁板劃分為4447個單元,外壁板劃分為2284個單元,隔艙板劃分為517個單元。

        梁單元:離散和模擬環(huán)向加勁肋、豎向加勁肋、橫向桁架角鋼等結(jié)構(gòu)采用梁單元,其中環(huán)向加勁肋為寬度d=25mm,厚度δ=10mm的鋼板,豎向角鋼截面采用∠75×50×6mm角鋼,橫向桁架角鋼截面采用2∠75×75×6mm角鋼。其中內(nèi)外豎向加勁肋共劃分為6697個單元,內(nèi)外環(huán)向加勁肋共劃分為6291個單元,橫向桁架角鋼劃分為1301個單元,內(nèi)支撐劃分為6個單元。

        實體單元:離散和模擬鋼套箱中的封底混凝土、隔艙混凝土采用實體單元。

        各單元通過單元節(jié)點共用的方式來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體受力。有限元模型見圖3。

        圖3 鋼圍堰結(jié)構(gòu)有限元模型截圖

        3.2 計算依據(jù)

        本項目所用鋼板、型鋼、鋼管等普通鋼材均采用Q235-A的鋼材,各構(gòu)件彈性模統(tǒng)一為量E=2.1×105MPa。構(gòu)件強度須符合國家標(biāo)準(zhǔn)《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T 1591-2018)的有關(guān)規(guī)定,如表1所示。

        由于各個構(gòu)件厚度均小于16mm,設(shè)計強度按照Q235-A鋼材抗拉、抗彎強度設(shè)計值f=215MPa,抗剪強度設(shè)計值fv=125MPa取用。計算所得組合應(yīng)力需小于強度設(shè)計值要求。另外根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB50017-2017),需對鋼圍堰結(jié)構(gòu)中的軸心受壓構(gòu)件進(jìn)行穩(wěn)定性驗算。

        根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB5009-2012),計算中考慮到各種荷載組合分項系數(shù)如下:

        鋼材的強度設(shè)計值 表1

        根據(jù)圍堰的施工方案,圍堰共分五種工況進(jìn)行驗算,包括:圍堰的拼裝、起吊運輸、定位下放、封底抽水和隔倉澆筑混凝土,其中封底抽水時圍堰處于最不利工況,結(jié)合水文資料考慮到高潮位的作用,此時內(nèi)外水頭差達(dá)到5.8m,該工況下結(jié)構(gòu)的驗算荷載組合為:1.2×靜水壓力+1.4×流水荷載+1.4×波浪力+1.1×風(fēng)荷載+1.2×自重;此時結(jié)構(gòu)底部已澆筑封底混凝土,模型中以實體單元填充,計算時視為固結(jié)。圍堰封底抽水工況下圍堰的內(nèi)外壁板受力簡圖如圖4所示,結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖5所示。

        圖4 封底抽水時圍堰受力簡圖

        圖5 封底抽水時圍堰有限元模型截圖

        3.3 計算結(jié)果

        3.3.1 構(gòu)件應(yīng)力計算

        通過計算得到板單元最大應(yīng)力發(fā)生在外壁板,組合應(yīng)力值83.1MPa<215MPa,滿足要求。梁單元最大組合應(yīng)力發(fā)生在豎向加勁肋,組合應(yīng)力值214.7MPa<215MPa,滿足要求,但應(yīng)力幾乎沒有富余量,存在局部構(gòu)件失效的危險。梁單元剪切應(yīng)力最大值發(fā)生在外壁板豎肋10MPa<215MPa,滿足要求。

        3.3.2 受壓構(gòu)件計算

        由于橫向桁架角鋼和內(nèi)支撐為受壓桿件,依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB50017-2017)5.2.2對其按照壓彎構(gòu)件進(jìn)行計算,相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)為查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》附錄B表得到。

        橫向桁架角鋼采用 2∠75×75×6mm,相關(guān)參數(shù)為:

        由模型中得到最大彎矩1.4kN·m,軸力N=119.1kN。

        計算長度 l=192cm,面積 A=1759.3mm,回轉(zhuǎn)半徑i=23.09mm,i=34.53mm,至肢背抵抗矩W=45.3728×10mm,至肢尖抵抗矩 W=17.2685×10mm。平面內(nèi)穩(wěn)定系數(shù)λ=83.2<150,φ=0.677,N'= πEA∕(1.1λ)=469.3kN,取 γ=1.0,β=1.0,平面內(nèi)穩(wěn)定應(yīng)力:

        平面外穩(wěn)定系數(shù):λ=55.6<150,φ=0.831。取 φ=1.0,η=1.0,β=1.0平面外穩(wěn)定應(yīng)力:

        其穩(wěn)定性滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》表5.3.8要求。

        同理,對內(nèi)支撐穩(wěn)定性進(jìn)行計算,計算構(gòu)件平面內(nèi)穩(wěn)定力,其中參數(shù)為:A=19477.9mm,λ=109.4<150,φ=1.0,βmx=1.0,γ=1.0,有限元計算結(jié)果取軸壓 力 :彎矩 :Mx=169.2kN·m,N=20.9kN。結(jié)果得:σ=59.1MPa<215MPa。因為對于內(nèi)支撐圓管,其每個方向的慣性半徑相等,并且其平面外計算長度小于平面內(nèi)計算長度,則平面外的穩(wěn)定計算應(yīng)力小于平面內(nèi),故滿足規(guī)范要求。

        由上述計算知橫向桁架角鋼和內(nèi)支撐的穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

        3.4 結(jié)果分析

        經(jīng)有限元仿真計算,發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁板、隔倉鋼板和橫向桁架角鋼的應(yīng)力水平較低,有優(yōu)化空間,而環(huán)向加勁肋和豎向加勁肋的應(yīng)力處于較高水平,其中環(huán)向加勁肋僅有3%的富裕。進(jìn)行截面優(yōu)化后隨著結(jié)構(gòu)整體剛度下降,面臨構(gòu)件局部應(yīng)力超限的風(fēng)險,在不修改施工方案的前提下需要進(jìn)行截面加強。

        4 數(shù)值模擬結(jié)果分析與圍堰結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        4.1 優(yōu)化思路與優(yōu)化方案

        4.1.1 雙壁鋼圍堰優(yōu)化思路

        雙壁鋼套箱圍堰的有限元仿真結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面,國內(nèi)許多項目中已做過類似探索:王斯偉針對鄂東長江大橋主5#墩鋼管樁圍堰的結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工,使用ANSYS、MIDAS兩種有限元設(shè)計模擬結(jié)果的對比分析,得出鋼管與圍堰支撐的水平圈梁接觸處應(yīng)力偏于集中,提出了局部圈梁加固的建議。王秀麗通過對韓江特大橋施工技術(shù)的有限元分析研究,得到由于加強肋接頭的應(yīng)力集中導(dǎo)致應(yīng)力值超過標(biāo)準(zhǔn)。加強桿的應(yīng)力水平遠(yuǎn)小于垂直和環(huán)向加強肋的應(yīng)力水平,可以通過優(yōu)化構(gòu)件截面面積而改善結(jié)構(gòu)整體受力。陳成對陶樂黃河大橋雙壁鋼套箱圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。提出了一種加強壁板支腳和調(diào)節(jié)水平環(huán)板的垂直間距的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

        4.1.2 雙壁鋼圍堰優(yōu)化方案

        結(jié)合以往項目對雙壁鋼套箱圍堰的優(yōu)化經(jīng)驗,可優(yōu)先考慮減弱橫向桁架角鋼的截面來降低用鋼量,再通過適當(dāng)增大環(huán)向和豎向加勁肋的截面以改善結(jié)構(gòu)整體受力情況,由于原設(shè)計的內(nèi)壁板厚度已經(jīng)取到6mm,在實際工程中不宜進(jìn)一步取薄。最終確定的優(yōu)化方案如下:

        針對原設(shè)計中局部構(gòu)件未充分發(fā)揮受力性能、造成材料浪費的問題,通過降低截面厚度以提高構(gòu)件彎曲應(yīng)力水平,以提升結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性:將隔艙板鋼板厚度由10mm減小至6mm;用單肢∠75×75×6mm來代替原有雙肢的結(jié)構(gòu)。

        依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理,結(jié)合工程實際,通過增加相應(yīng)位置截面厚度來提高構(gòu)件的抗彎性能,以保障結(jié)構(gòu)的安全性:將板厚為10mm環(huán)向加勁肋厚度提升至14mm;圍堰內(nèi)壁板豎向加勁肋由∠75×50×6mm提高到∠75×50×10mm。

        4.2 優(yōu)化方案檢算

        4.2.1 構(gòu)件應(yīng)力和受壓構(gòu)件計算

        分別將鋼圍堰在施工過程中的五個工況,圍堰拼裝、起吊運輸、定位下放、封底抽水和隔倉澆筑混凝土,命名為工況一~工況五,優(yōu)化后模型計算結(jié)果見表2匯總表。工況四優(yōu)化前后的應(yīng)力計算云圖如圖6、圖7所示。

        圖6 工況四優(yōu)化前模型梁單元應(yīng)力云圖

        圖7 工況四優(yōu)化后模型梁單元應(yīng)力云圖

        表2中可以看出,經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,封底抽水工況仍然是整個結(jié)構(gòu)施工過程中的受力最不利工況。優(yōu)化后工況四的梁單元組合應(yīng)力最大值仍出現(xiàn)豎向加勁肋處,最大值達(dá)到185.3MPa小于設(shè)計值215MPa,滿足強度要求,且有13.8%的富余。隔艙板在經(jīng)歷截面調(diào)整后五個工況下組合應(yīng)力值均有小幅上升,在工況二達(dá)到最大值74.9MPa仍滿足設(shè)計要求。環(huán)向加勁肋的組合應(yīng)力值優(yōu)化后仍在工況四中達(dá)到最大,但由原先205.3MPa降低至164.3MPa,結(jié)構(gòu)受力得到優(yōu)化。

        對于橫向桁架角鋼和內(nèi)支撐的穩(wěn)定性驗算過程同前文穩(wěn)定性驗算部分,橫向桁架角鋼平面內(nèi)穩(wěn)定應(yīng)力σ=178.4MPa<215MPa,平面外穩(wěn)定應(yīng)力σ=161MPa<215MPa;內(nèi)支撐平面內(nèi)、平面外穩(wěn)定力:σ=62.2MPa<215MPa。受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性驗算滿足要求。

        4.2.2 封底混凝土計算

        由于圍堰結(jié)構(gòu)優(yōu)化沒有影響封底混凝土工程量,其抗裂性能與抗浮性能仍然需要驗算:

        優(yōu)化后模型計算結(jié)果匯總 表2

        工況四中出現(xiàn)了封底混凝土導(dǎo)致圍堰結(jié)構(gòu)密閉,在海中受到浮力作用,浮力會影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,故對封底混凝土進(jìn)行抗裂和抗浮力驗算。根據(jù)實測地形資料,確定秀山側(cè)主塔承臺鋼圍堰C25封底海工混凝土為不等高形式,平均厚度5m,最低設(shè)計標(biāo)高-13.6m,頂設(shè)計標(biāo)高-3.8m,混凝土方量約2382m。結(jié)構(gòu)受自重及浮力作用,面均布浮力荷載分臺階面添加。建模采用C25海工混凝土材料,劃分得到實體單元數(shù)目為2120個。

        由計算結(jié)果得封底混凝土最大拉應(yīng)力為 0.62MPa<1.27MPa,混凝土抗裂能力滿足要求。

        水頭平均高度10m,混凝土重力G=2382×2.5=5955t,圍堰結(jié)構(gòu)優(yōu)化后重力G=663t,浮力F浮=3.14×122×10×1=4521.6t,G/F 浮=(5955+663)/4521.6=1.46>1.2,故封底混凝土抗浮性滿足要求。

        4.3 優(yōu)化方案結(jié)果分析與評價

        結(jié)構(gòu)安全性優(yōu)化后,構(gòu)件的最大組合應(yīng)力值較優(yōu)化前降低了11%;優(yōu)化后最大組合應(yīng)力值比設(shè)計值低13%。優(yōu)化后受壓構(gòu)件滿足穩(wěn)定性要求,封底混凝土滿足抗裂和抗浮要求。經(jīng)驗證,優(yōu)化后結(jié)構(gòu)整體安全性滿足要求。

        由原先的雙肢結(jié)構(gòu)變單肢結(jié)構(gòu),可節(jié)約鋼材約43.2t。隔艙板節(jié)約鋼材約18.8t。環(huán)向加勁肋增加了約18.7t鋼材用量,內(nèi)壁板豎向加勁肋增加了約13.7t鋼材用量。綜上,結(jié)構(gòu)優(yōu)化后共節(jié)約鋼材約29.1t,圍堰總重692t,節(jié)約鋼材用量4.3%。

        5 結(jié)語

        在水深超過15m,流速大于3m/s的海底裸巖環(huán)境下進(jìn)行橋梁深水基礎(chǔ)施工時,宜使用雙壁鋼套箱圍堰結(jié)構(gòu)輔助鉆孔灌注樁施工。有限元仿真結(jié)果顯示,經(jīng)過合理優(yōu)化后,圍堰結(jié)構(gòu)施工的安全性和經(jīng)濟(jì)性都得到了提升,并且不需要調(diào)整已有的施工方案。此優(yōu)化方法可對類似工程的圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化提供借鑒。

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