張守陸

(中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300450)

雙壁鋼圍堰作為一種臨時性水中圍護結(jié)構(gòu)，具有剛度大、防水性能好、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在復(fù)雜環(huán)境深水基礎(chǔ)施工中應(yīng)用廣泛。作為重要的一類水中維護結(jié)構(gòu)，雙壁鋼圍堰整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造決定施工安全及橋梁主體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和使用壽命。然而，雙壁鋼圍堰往往應(yīng)用于復(fù)雜的地質(zhì)和水況環(huán)境，施工過程中結(jié)構(gòu)力學響應(yīng)變換頻繁。為發(fā)現(xiàn)圍堰結(jié)構(gòu)受力的薄弱點，許多學者對其進行了研究分析：焦文容[1]針對某大橋大型雙壁鋼圍堰施工，對各工況下圍堰的受力進行了有限元數(shù)值分析，認為圍堰抽水結(jié)束后應(yīng)力最大位置位于隔艙混凝土頂部附近。秦大燕等[2]針對雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計上的不足，采用數(shù)值模擬方法對其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計進行了研究，實現(xiàn)了圍堰支撐設(shè)計優(yōu)化。蘭德等[3]針對某橋雙壁鋼圍堰施工過程中不同施工階段的荷載情況，研究了各施工階段的受力特征，結(jié)果顯示圍堰下沉到位時最大位移在圍堰外面板，抽水結(jié)束后最大位移位于內(nèi)面板處。戴良軍等[4]通過雙壁鋼圍堰三維數(shù)值分析，揭示了雙壁鋼圍堰在不同工況抽水水位及流水速度下的應(yīng)力應(yīng)變特性、分布及發(fā)展規(guī)律，認為圍堰著床后最大位移位于承受流水壓力的圍堰短邊中點等位置，抽水結(jié)束后最大位移位于圍堰長邊上兩個隔板中間的位置。本文以新建京濱鐵路北辰特大橋跨青龍灣河72#墩雙壁鋼圍堰施工為例，探討圍堰整體結(jié)構(gòu)的受力和變形特征，提出施工建議，為該工程的順利實施提供數(shù)據(jù)支撐。

1 工程概況

1.1 工程簡介

新建京濱鐵路采用(60+100+100+60)m連續(xù)梁跨越主河道。青龍灣河實測水位高程5.0 m，百年水位高程6.45 m，一般沖刷線高程0.500 m，橋下流速1.19 m/s。主要地質(zhì)為粉土、粉砂和粉質(zhì)黏土等?？缜帻垶澈舆B續(xù)梁墩號依次為70～74#，其中72#墩位于河道內(nèi)，墩臺采用雙層結(jié)構(gòu)，一級承臺高5 m，二級承臺高3.5 m，一級承臺底標高-10.172 m，采用雙壁鋼圍堰進行水中基礎(chǔ)施工。

1.2 圍堰結(jié)構(gòu)

72#主墩承臺采用矩形雙壁鋼圍堰，由外壁板、內(nèi)壁板，內(nèi)外壁板豎向加勁肋，內(nèi)外壁板之間水平環(huán)板、隔倉板、水平斜撐桿等組成。平面尺寸為33.7 m(橫橋向)×22.8 m(順橋向)×20.122 m(高)，雙壁間距1.5 m，內(nèi)外壁板均為6 mm厚。為方便灌注隔倉水及隔倉混凝土，采用28個厚10 mm的隔倉板將圍堰內(nèi)外壁分為28個封閉隔倉；內(nèi)外壁板之間設(shè)有19個水平環(huán)板，厚度均為16 mm，環(huán)板上設(shè)有水平斜撐桿，其規(guī)格尺寸為∠80 mm×90 mm×10 mm角鋼；內(nèi)外壁板之間設(shè)有豎向加勁肋，從中心向兩側(cè)以350 mm設(shè)置，規(guī)格尺寸均為∠63 mm×63 mm×6 mm角鋼；圍堰內(nèi)部設(shè)置兩道?609 mm×16 mm內(nèi)支撐，間距5.0 m。圍堰結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)立面(單位：mm)

圍堰制作均采用Q235B鋼材，其中壁板、水平環(huán)板和隔倉板采用Q235B鋼板，壁板豎向加勁肋、水平斜撐桿采用Q235B角鋼，內(nèi)支撐鋼管采用Q235B鋼管。

2 雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)力學響應(yīng)數(shù)值分析

2.1 模型建立與參數(shù)選取

依據(jù)北辰特大橋72#墩雙壁鋼圍堰實際情況，采用大型有限元數(shù)值分析軟件Midas Civil建立雙壁鋼圍堰數(shù)值分析模型。在圍堰底部施加固定約束，主體結(jié)構(gòu)以實體單元、板單元結(jié)合梁單元的方式進行模擬。封底混凝土及隔艙混凝土以實體單元模擬，內(nèi)外壁板、隔倉板及水平環(huán)板采用板單元模擬，內(nèi)支撐、豎向加勁肋及水平斜撐桿采用梁單元模擬。整體模型共劃分264 596個節(jié)點，328 169個單元。鋼圍堰整體有限元模型如圖2所示。

圖2 雙壁鋼圍堰有限元分析三維模型(單位：mm)

參考《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(TB10093-2017)與中國交通部公路標準，各材料的彈性模量、泊松比及密度如表1所示。

表1 材料部分屬性參數(shù)

鋼圍堰入土各地層及其土工參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察報告以及規(guī)范建議值，以類比的方式選取，如表2所示。

表2 圍堰入土計算參數(shù)

2.2 計算工況與荷載分析

2.2.1 計算工況

為研究雙壁鋼圍堰不同工況條件下結(jié)構(gòu)受力及變形情況，根據(jù)施工工藝流程，選取結(jié)構(gòu)最不利的兩種工況，驗算圍堰的強度剛度及穩(wěn)定性，取各構(gòu)件最大位移和應(yīng)力作為安全評價指標。

工況一：鋼圍堰射水吸泥下沉到設(shè)計位置，完成錨定，澆筑C20隔倉混凝土13.8 m(頂標高+0.15 m)，圍堰內(nèi)未施工水下封底混凝土，此時圍堰內(nèi)部達到滿水狀態(tài)?？紤]外部水位達到最高設(shè)計水位(+6.45 m)。

工況二：當封底混凝土(頂部標高-10.45 m)達到設(shè)計強度以后，隔艙內(nèi)灌滿水(+6.45 m)，進行圍堰內(nèi)抽水，抽水過程中，圍堰內(nèi)外水頭差逐漸增大，在抽水到承臺底即封底混凝土頂標高處，且水位達到設(shè)計最高水位時(即圍堰頂部+6.45 m)，為圍堰受力最不利情況。

2.2.2 計算荷載分析

(1)內(nèi)外壁板靜水壓力：圍堰底部到設(shè)計水位的距離h=20.122 m，圍堰射水吸泥下沉到位，此時圍堰內(nèi)部達到滿水狀態(tài)，則圍堰內(nèi)外壁板靜水壓力：q1=ρgh1=63.22 kPa，q2=ρgh2=201.22 kPa，h1=6.322 m，h2=20.122 m。

(2)隔倉水壓力：圍堰下沉到位施工封底混凝土后要進行圍堰內(nèi)抽水，為保證安全，需在隔艙內(nèi)灌滿水，隔倉水高度h3為6.03 m，隔倉水對內(nèi)外壁板的靜水壓力：q3=q4=ρgh3=60.3 kPa。

(3)流水壓力：流水壓力以面荷載的形式作用在迎水面，并平均分布在迎水面上[1]。根據(jù)《鋼圍堰工程技術(shù)標準》(GB/T51295-2018)，按設(shè)計橋下流速1.19 m/s計算，作用于雙壁鋼圍堰的水流壓力標準值可按式(1)計算：

(1)

式中：Fw1為流水壓力標準值(kN);K為形狀系數(shù)，矩形截面取1.3；A為阻水面積(m2),計算至一般沖刷線處；V為設(shè)計水流速度(m/s)；g為重力加速度(m/s2)。

鋼圍堰外壁板在迎水面受到的最大水流壓力為：qs=Fw/A=0.92 kPa。

表3 主動土壓力計算結(jié)果

q6為圍堰壁體外側(cè)土對圍堰的壓力最大值，即為圍堰底部粉質(zhì)黏土層對壁板產(chǎn)生的土壓力，q6=139.57 kPa。

工況一情況下圍堰受到內(nèi)外壁板靜水壓力、流水壓力及土壓力的作用，工況二情況下圍堰受到圍堰外壁板靜水壓力、流水壓力、隔倉水壓力及土壓力的作用，其中流水壓力作用在圍堰短邊，其受力示意圖如圖3所示。

圖3 鋼圍堰承受荷載示意

3 模擬結(jié)果分析與討論

3.1 鋼圍堰構(gòu)件強度分析

本文采用容許應(yīng)力法進行計算，各工況荷載組合系數(shù)如表4所示。通過有限元模擬可得到實際工況條件下雙壁鋼圍堰各構(gòu)件的應(yīng)力和變形數(shù)據(jù)，結(jié)果如表5所示。

表4 各工況荷載組合系數(shù)

表5 鋼圍堰各構(gòu)件應(yīng)力及變形計算結(jié)果

由表5可知，兩種工況下圍堰最大應(yīng)力分別為65.33 MPa和148.05 MPa，均小于Q235B鋼材的容許應(yīng)力215 MPa，圍堰結(jié)構(gòu)安全可靠，滿足強度要求。但圍堰抽水后各構(gòu)件的應(yīng)力均大于圍堰下沉到位時各構(gòu)件的應(yīng)力，其最大應(yīng)力達到下沉到位時的兩倍多，說明工況二情況下圍堰受力最不利，在此施工階段需加強監(jiān)測，保證施工安全。

3.2 鋼圍堰結(jié)構(gòu)受力特征分析

為研究各工況下圍堰各構(gòu)件最大應(yīng)力分布位置，以圍堰內(nèi)外壁板和隔倉板為例進行分析，應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 圍堰各部位應(yīng)力云圖

由圖4可知，應(yīng)力最大位置出現(xiàn)在壁板、隔倉板等構(gòu)件與兩道內(nèi)支撐、斜撐桿等部件的連接處附近，說明各構(gòu)件在與內(nèi)支撐、斜撐桿連接部位出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。同時，兩種工況下，隔倉混凝土都會對圍堰結(jié)構(gòu)存在約束作用，因此在隔倉混凝土處也存在較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，產(chǎn)生較大的應(yīng)力；在圍堰內(nèi)部抽水工況下，由于封底混凝土的約束作用，在封底混凝土處也出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3.3 鋼圍堰結(jié)構(gòu)變形分析

由表5可知，圍堰抽水后各構(gòu)件變形均大于圍堰下沉到位時的變形，說明工況二為最不利工況，此施工階段是圍堰安全控制的重點。圍堰下沉到位時承受土壓力、內(nèi)外壁板靜水壓力以及流水壓力的作用，圍堰整體結(jié)構(gòu)最大位移為6.56 mm；圍堰內(nèi)部抽水階段，承受土壓力、外壁板靜水壓力、隔倉水壓力及流水壓力的作用，圍堰整體結(jié)構(gòu)最大位移為16.33 mm，是圍堰下沉到位時的兩倍多，鋼圍堰可視為豎直方向的懸臂構(gòu)件，其允許變形為L/500=20 122 mm/500=40.244 mm，圍堰變形滿足要求。兩種工況下圍堰最大位移均出現(xiàn)在圍堰內(nèi)外壁板處，為研究各施工階段圍堰壁板變形的分布規(guī)律，取圍堰內(nèi)外壁板位移進行分析，兩種工況下圍堰內(nèi)外壁板位移云圖如圖5所示。

圖5 內(nèi)外壁板位移云圖

由圖5可知，由于隔倉混凝土支撐作用的存在，兩種工況下圍堰壁板的變形集中分布在隔倉混凝土上部區(qū)域，隔倉混凝土區(qū)域壁板變形較小，說明隔倉混凝土除了協(xié)助下沉的作用，還可保證圍堰結(jié)構(gòu)的安全性，故在施工過程中要嚴格控制隔倉混凝土的施工質(zhì)量。

圍堰下沉到位后，內(nèi)部達到滿水狀態(tài)，內(nèi)外壁板之間不存在水位差，均承受較大的靜水壓力，本工程河道流速緩慢，流水壓力作用較小，靜水壓力的作用遠遠大于流水壓力，所以壁板四周變形情況基本相同；但由于長邊的跨度大于圍堰短邊跨度，支撐點間距也較大，當支撐點間距比較小時，支架可以更好地分擔壁板的變形壓力[4]，因此壁板最大變形位于長邊中點。

在圍堰內(nèi)部抽水完成后，圍堰內(nèi)外存在較大的水位差，外壁板承受較大的靜水壓力，但由于存在內(nèi)外壁板間隔倉水，隔倉混凝土上部的內(nèi)外壁板還會承受一定的隔倉水壓力，隔倉水壓力抵消了部分外部靜水壓力，此時流水壓力(方向平行于圍堰長邊)的作用有所加強，流水壓力對圍堰壁板變形的影響增加，故此工況下圍堰壁板變形分布略有不同，最大位移出現(xiàn)在圍堰迎水面中點處(即上游短邊中點)。

4 鋼圍堰穩(wěn)定性驗算

4.1 抗傾覆穩(wěn)定性驗算

根據(jù)《鋼圍堰工程技術(shù)標準》(GB/T51295-2018)，雙壁鋼圍堰整體抗傾覆穩(wěn)定性計算公式如下：

(2)

式中：K為抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)；G1為鋼圍堰自重標準值(kN)；G2為圍堰上部其他結(jié)構(gòu)自重標準值(kN)；Ftk為鋼圍堰與土層的摩擦力合力標準值(kN)；R為重心位置到圍堰背水面腳趾的距離(m)；Fw為鋼圍堰受到的水浮力標準值(kN)；Rw為浮力合力重心到圍堰背水面腳趾的距離(m)；Ea、Ep為鋼圍堰外主動、被動土壓力合力標準值(kN)；ha、hp為圍堰結(jié)構(gòu)底端與Ea、Ep作用點的距離(m)；Fw1為鋼圍堰受到的靜水壓力合力標準值(kN)；hw1為圍堰結(jié)構(gòu)底端與Fw1作用點的距離(m)；∑Fid為動水壓力等可變荷載合力標準值(kN)；hid為圍堰結(jié)構(gòu)底端與∑Fid作用點的距離(m)。

計算得出Ep=4 833.4 kN，Ea=1 040.6 kN，hp=5.8 m，ha=4.5 m，結(jié)合鋼圍堰上的荷載作用，得鋼圍堰抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)為12.12，大于規(guī)范要求的限值1.50，表明72#墩雙壁鋼圍堰抗傾覆穩(wěn)定性滿足要求。

4.2 抗滑移穩(wěn)定性驗算

根據(jù)《鋼圍堰工程技術(shù)標準》(GB/T51295-2018)，雙壁鋼圍堰抗滑移穩(wěn)定性計算公式如下：

(3)

Fhk=(G1+G2-Fw)f

(4)

式中：K為水平抗滑移安全系數(shù)；Fhk為鋼圍堰與基底土層的摩擦力合力標準值(kN)；f為圍堰結(jié)構(gòu)底與土的摩擦系數(shù)。

取鋼圍堰地面與土層摩擦系數(shù)f為0.3，計算得出鋼圍堰抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)為4.95，大于規(guī)范要求的限值1.30，可以驗證72#墩雙壁鋼圍堰不會出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。

5 結(jié)論

結(jié)合新建京濱鐵路跨青龍灣河連續(xù)梁72#墩雙壁鋼圍堰工程，對施工過程中鋼圍堰射水吸泥下沉到設(shè)計位置和施工完封底混凝土這兩種工況進行了有限元數(shù)值分析，準確揭示了鋼圍堰的應(yīng)力應(yīng)變特征。結(jié)果表明：兩種工況下最大應(yīng)力分別為65.33 MPa和148.05 MPa，出現(xiàn)在板單元和水平梁單元連接部位附近；最大位移分別為6.56 mm和16.33 mm，出現(xiàn)在壁板長邊中間部位和迎水面中部，在施工過程中要加強這些部位的安全控制及實時監(jiān)測。總體而言，圍堰各構(gòu)件應(yīng)力和位移均小于規(guī)范要求，在不利工況下雙壁鋼圍堰仍具有很好的剛度及穩(wěn)定性，受力和位移符合規(guī)范要求，有效地保證了施工安全。