吳彩升,林 軍

(1.江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局,江蘇 南京 210007;2.江蘇華東建設(shè)基礎(chǔ)工程有限公司,江蘇 南京 210007; 3.江蘇開放大學,江蘇 南京 210036)

隨著我國基建、地下空間開發(fā)利用的快速發(fā)展,鋼板樁圍護結(jié)構(gòu)因其具有施工簡便、造價較低、防水性好等優(yōu)點得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1-3]。在橋梁工程、船塢和碼頭等涉水工程中,鋼板樁圍護結(jié)構(gòu)也叫鋼板樁圍堰,且隨著施工技術(shù)的進步,鋼板樁圍堰的開挖深度也越來越大,這就對其結(jié)構(gòu)的計算分析提出了更高的要求[4-5]。圍堰工程的設(shè)計主要圍繞我國2018年發(fā)布的《鋼圍堰工程技術(shù)標準》[6]開展,標準中規(guī)定了“腰梁和冠梁應(yīng)按照以支撐支座的多跨連續(xù)梁計算,計算跨度可取相鄰支撐點的中心距;當拼接點按鉸接計算時,鋼梁(腰梁或者冠梁)的受壓計算長度宜取相鄰支撐點中心距的1.5倍”。規(guī)定中第一條主要針對鋼筋混凝土支撐和冠梁的計算方法,而實際圍堰工程中主要采用鋼腰梁[7-9]。如果按照第二條拼接點按鉸接計算時,即受壓計算長度取支撐點間距的1.5倍,實際設(shè)計中支撐平行于腰梁的軸力會很大,造成鋼腰梁需要多拼型鋼或工字鋼才能滿足要求,導致設(shè)計的抗余度過高并增加吊裝難度和造價[10-11]。解決上述問題的關(guān)鍵在于腰梁和圍護樁之間的傳力件能傳遞多少腰梁軸力到圍護樁,從而實際反映出鋼腰梁的軸力。

根據(jù)實際圍堰的監(jiān)測和有限元分析結(jié)果,分析不同長度傳力件下支撐軸力-腰梁軸力-傳力件傳遞軸力的特點,給出了疊加支撐軸力水平分力后腰梁實際軸力的計算公式,可供相關(guān)方向的設(shè)計人員參考使用。

1 圍堰工程地質(zhì)條件和工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

某市某大橋鋼板樁圍堰項目位于河流靠岸邊側(cè),汛期和汛后水位高差較大,水流急。項目沉樁范圍內(nèi)全為松散卵石:灰白色,松散,粒徑以 4～9 cm居多,占比55%～60%,個別卵石粒徑10～15 cm。沉樁采用振動沉樁,整個沉樁并未采用引孔措施且河床以下土層的承載力較高,可以保證樁土的嵌入效果[12-14],便于進行支撐-腰梁-傳力件-圍護樁的組合受力研究。

1.2 工程概況

項目采用15 m鋼板樁支護,圍堰底標高距鋼板樁頂標高8.5 m,封底混凝土厚度1 m。其中鋼圍堰從上到下設(shè)置3道支撐,腰梁均采用雙拼H700型鋼,支撐均采用直徑為609的鋼管支撐,腰梁和圍護樁之間采用沿主軸切割后的488×300型鋼作為傳力件進行背填,如圖1所示。

圖1 圍堰平面圖和測點布置圖(單位:mm)

該圍堰工程采用水下封底作業(yè)法施工,其工序為:

(1) 在鋼板樁施工完成后分別架設(shè)第一道和第二道腰梁和支撐;

(2) 第二道支撐完成后在圍堰內(nèi)吸泥清淤至封底底面,水下澆筑封底混凝土;

(3) 待封底混凝土達到強度后,抽水架設(shè)第三道腰梁和支撐,并抽水到底;

(4) 澆筑承臺，承臺混凝土達到強度后拆除第三道鋼腰梁和鋼支撐;

(5) 橋墩主體結(jié)構(gòu)完成后,向圍堰內(nèi)注水至第二道支撐中心線下0.5～1 m處,拆除第二道腰梁和支撐;

(6) 注水至第一道支撐中心線下1 m處,拆除第一道腰梁和支撐;

(7) 拔出鋼板樁。

研究主要關(guān)注危險工況工序(2)～(4)。

2 現(xiàn)場監(jiān)測及分析預(yù)測

2.1 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果

研究在第二道支撐的斜撐和斜撐兩側(cè)鋼腰梁分別布置軸力監(jiān)測點,支撐左右側(cè)和腰梁翼緣板對稱布置2個應(yīng)變計測量軸力(具體測點位置見圖1)。測量的時間節(jié)點為危險工況，主要分為架設(shè)支撐后的初值、清淤后、抽水到圍堰底和拆除第三道支撐。測量的應(yīng)變結(jié)果以及計算得到的應(yīng)力值和軸力值見表1。

表1 應(yīng)變計測量結(jié)果及應(yīng)力、軸力計算結(jié)果

表1的監(jiān)測結(jié)果顯示,清淤后支撐和腰梁已經(jīng)開始受力。當圍堰抽水到底時支撐軸向壓力增加到-730.09 kN,支撐左右腰梁的軸力也同時增加。第二層腰梁和支撐的軸力最大值均發(fā)生在第三道支撐拆除時。當?shù)谌乐尾鸪?原本第三層支撐的軸力轉(zhuǎn)移到第一、第二道支撐和封底混凝土作用,導致其軸力的增加。

2.2 腰梁軸力分析

結(jié)合表1的計算結(jié)果,取支撐作用處的腰梁節(jié)點處受力分析不難得出,腰梁除了承受支撐沿腰梁方向的分力和腰梁兩端的軸力,還需要考慮腰梁和支撐之間傳力件的剪力,即傳力件分擔軸力,計算結(jié)果見表2。

表2 危險工況下支撐軸力、腰梁軸力和傳力件分擔軸力的計算結(jié)果

表2中計算結(jié)果表明:在清淤階段、圍堰內(nèi)抽水到底和第三道支撐拆除階段,傳力件都承受一定的軸力分擔作用,分別為-28.54 kN、-169.30 kN和-253.33 kN。而且傳力件分擔軸力和計算軸力的比值隨腰梁軸力的增加，出現(xiàn)先增大后減小的變化,該結(jié)果說明傳力件分擔的軸力可能存在一定的臨界值。

3 有限元分析和腰梁實際軸力計算方法

3.1 有限元分析

根據(jù)支撐軸力、腰梁軸力和傳力件分擔軸力的監(jiān)測結(jié)果,無法解釋圍堰支撐軸力增加,樁-傳力件的分擔比例升高再降低的現(xiàn)象,導致該監(jiān)測結(jié)果無法在設(shè)計中被采納。

由于邊界條件的復(fù)雜性,僅依靠監(jiān)測結(jié)果很難準確預(yù)測不同工況下傳力件分擔力的大小,從而不能為設(shè)計提供依據(jù),而數(shù)值模擬是一個很好的解決方法[15]。為了系統(tǒng)分析傳力件分擔軸力的大小,研究利用ABAQUS軟件對該圍堰進行了三維建模有限元分析[16],模型如圖2所示。模型考慮了圍堰全施工過程和樁土的摩擦作用,樁土摩阻力參考《鋼圍堰工程技術(shù)標準》[6]取值。為了與現(xiàn)場的情況一致,傳力件與腰梁和圍護樁的連接只考慮傳力件上翼緣板坡口焊的作用。

圖2 圍堰三維有限元模型

從支撐軸力、腰梁軸力和傳力件分擔軸力的監(jiān)測結(jié)果可知,樁-傳力件對腰梁軸力分擔作用不容忽視?；趯嶋H工程中,傳力件的長度根據(jù)圍檁和圍護之間的距離不同進行了調(diào)整,將長度分別為2.5 cm、5 cm、10 cm、20 cm和40 cm的傳力件分成5個模型進行對比計算分析,其中10 cm為監(jiān)測圍堰傳力件的平均長度。

進行模擬土體的計算時,淤泥土采用修正劍橋模型(MCC)[17],碎石土采用摩爾庫倫(MC)模型。根據(jù)土的物理力學指標,得到主要土層模型的計算參數(shù),見表3。

表3 土層參數(shù)

模擬過程均為實際工程中的圍堰施工順序,分為8個步驟：(1)地基土地應(yīng)力平衡;(2)打入鋼板樁并維持圍堰內(nèi)外水壓力平衡;(3)圍堰內(nèi)水壓力降到第一道支撐下0.5 m施加第一道支撐、腰梁和傳力件;(4)圍堰內(nèi)水壓力降到第二道支撐下0.5 m施加第二道支撐、腰梁和傳力件;(5)圍堰底施加封底混凝土;(6)圍堰內(nèi)水壓力降到第三道支撐下0.5 m施加第三道支撐、腰梁和傳力件;(7)抽水到底;(8)拆除第三道支撐、腰梁和傳力件。

3.2 有限元分析結(jié)果

傳力件長度為10 mm的計算模型在抽水到底工況下的等效應(yīng)力云圖如圖3所示。由圖3可知,傳力件大部分區(qū)域的等效應(yīng)力均達到和接近屈服應(yīng)力。由于腹板和翼緣板同時受到偏心荷載的作用,其中翼緣板還受到支撐軸力沿腰梁方向分力的剪力影響,導致其應(yīng)力較為復(fù)雜。為研究傳力件軸力分擔大小與是否監(jiān)測數(shù)據(jù)保持一致,取第二道支撐和腰梁截面1-1,2-2,3-3,分析3個不利工況下,3個截面的軸力大小，其計算結(jié)果見表4。其中剩余軸力為支撐軸力在腰梁方面的分力和支撐兩側(cè)腰梁軸力差的差值，即傳力件分擔軸力。

圖3 傳力件長度為10 mm的模型在抽水到底工況下的等效應(yīng)力云圖

從表4中可知,剩余軸力隨著傳力件長度的增加明顯增大,且在同一工況下支撐軸力的占比也明顯增加。在傳力件長度為0.5l、l和2l時,不同工況下軸力分擔比例大致相同,但是在傳力件長度為0.25l和4l時,隨著支撐軸力的增加,分擔比例明顯下降。根據(jù)圍堰的施工過程,施工鋼板樁和架設(shè)腰梁以后,隨著圍堰內(nèi)抽水,圍堰在剩余水壓力的作用下開始變形,傳力件首先受到的是圍護樁向坑內(nèi)變形施加的偏心壓力作用,再將偏心壓力傳遞給內(nèi)部支撐體系[18-20]?；谏鲜稣J識,當剩余水壓力過大時,傳力件在偏心壓力作用下已經(jīng)屈服,就喪失了以剪力形式分擔腰梁軸力的作用[21]。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》[22],單邊V型坡口對接焊縫折算應(yīng)力計算公式為

表4 有限元計算結(jié)果

(1)

推導傳力件的抗剪承載力為

(2)

其中:Fs為傳力件抗剪承載力(N)；f為傳力件材料屈服強度(MPa)；N為傳力件軸力(N)；n為支撐計算寬度內(nèi)傳力件個數(shù)；A為傳力件截面面積(mm2)；he為焊縫計算寬度(取坡口深度-3)(mm)；l為焊縫計算長度(mm)；a為腰梁和支撐的夾角。

研究分別對T型傳力件和20 mm厚的鋼板通過式(2)計算得到二者抗剪承載力隨著支撐軸力變化的關(guān)系,如圖4所示。圖4中二者的焊縫計算寬度he按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》計算得到,分別為10 mm和12 mm,焊縫計算長度l、計算寬度內(nèi)傳力件個數(shù)n和傳力件屈服強度f分別和監(jiān)測圍堰保持一致。由圖4還可得到,鋼板傳力件在軸力達到600 kN時喪失抗剪承載力,但T型傳力件在相比鋼板減少焊縫高度的情況下,抗剪承載力在支撐軸力達到5 000 kN時依然能維持在230 kN。主要是因為T型傳力件增加了受壓區(qū)的面積,故工程中不推薦直接焊接鋼板作為傳力件。

圖4 T型傳力件和20 mm厚鋼板型傳力件的剪力承載力和支撐軸力關(guān)系曲線

長度分別為2.5 mm、5 mm、10 mm、20 mm和40 mm的傳力件在不同工況下支撐軸力和傳力件抗剪承載力關(guān)系如圖5所示。同時，圖5中繪制了由式(2)得到的傳力件抗剪承載力曲線和2.2節(jié)中的監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)。

圖5 支撐軸力與傳力件分擔軸力、傳力件抗剪承載力和監(jiān)測結(jié)果的關(guān)系

從圖5可以看出,不同長度傳力件分擔軸力均小于傳力件的抗剪承載力。遠離傳力件抗剪承載力曲線時,傳力件分擔軸力隨支撐軸力線性增加?？拷休d力線時,傳力件分擔軸力值的增量隨支撐軸力增加有所下降,并逐漸逼近承載力曲線。值得注意的是,當傳力件長度為40 mm時,隨著支撐軸力的增加,傳力件分擔軸力出現(xiàn)先增加后減小的現(xiàn)象。通過有限元傳力件的變形結(jié)果發(fā)現(xiàn),此時傳力件發(fā)生了明顯的壓彎變形。說明傳力件抗側(cè)移剛度較小時,傳力件在偏心壓力作用下產(chǎn)生較大彎曲變形導致剪應(yīng)力過大,制約其傳遞腰梁軸力的能力[23-24]。監(jiān)測結(jié)果得到的傳力件分擔軸力較模擬結(jié)果偏大,其原因有兩個：一是鋼板樁圍堰跨中變形較大,此時焊接的傳力件鋼板長度小于平均長度10 mm;二是模擬中傳力件采用了理想彈塑性模型,而Q235b的鋼材極限強度是其屈服強度的1.724倍,實際監(jiān)測中部分傳力件發(fā)生了塑性變形,導致其分擔軸力偏大。但是考慮到鋼圍檁的實際壓縮量很小且傳力件的抗側(cè)移剛度較大,實際設(shè)計中建議采用屈服強度。

3.3 腰梁實際軸力方法研究

3.2節(jié)的結(jié)果表明,傳力件分擔軸力的大小和傳力件的剛度以及傳力件當前所受的壓力(支撐軸力)有關(guān)。軸力分別為148 kN、773 kN和1 248 kN下的傳力件分擔軸力/支撐軸力和傳力件抗側(cè)移剛度/參考傳力件抗側(cè)剛度(長度為100 mm、he為10 mm、寬度為300 mm的T型傳力翼緣板)在雙對數(shù)坐標系下的關(guān)系(即ln (F/N)-ln (k/kr)關(guān)系)如圖6所示。由圖6可知，在支撐軸力為148 kN和773 kN時,二者呈線性變化。當支撐軸力為1 248 kN時,在抗側(cè)移剛度比達到64,軸力比不滿足線性關(guān)系并有所下降,說明此時的傳力件分擔軸力接近傳力件抗剪承載力;剛度比為8和1時,二者滿足低支撐軸力下的線性關(guān)系;而抗側(cè)移剛度比為0.125和0.016時,軸力比位于線性關(guān)系曲線之下,表明此時壓彎變形導致的附加應(yīng)力影響了傳力件傳遞軸力的大小。

圖6 不同支撐軸力下ln (F/N)-ln (k/kr)關(guān)系

基于上述理解,當支撐軸力為148 kN和773 kN時,軸力比隨傳力件抗側(cè)移剛度的數(shù)據(jù)在雙對數(shù)坐標系下線性擬合得到圖6中的直線,擬合方程為

(3)

將式(3)整理后得到F≤Fs,傳力件分擔軸力的大小F表達式為

(4)

其中:F為傳力件傳遞軸力(N);a為擬合系數(shù),取-1.760;b為擬合系數(shù),取0.238;k為傳力件抗側(cè)移剛度;kr為傳力件參考抗側(cè)移剛度,取4.635×106kN/m。將表達式(4)帶入支撐軸力、腰梁軸力和傳力件分擔軸力的關(guān)系中,即

Ny=N0+(Ncosa-F)，

(5)

其中:N0為疊加支撐水平分力前的腰梁軸力；Ny為腰梁實際軸力。式(5)用于計算腰梁疊加支撐分力后的實際軸力。

前文所述,當F>Fs后,傳力件分擔軸力和支撐軸力不滿足上述關(guān)系。但當傳力件達到一定抗側(cè)移剛度時(即k>kr),傳力件分擔軸力接近傳力件的抗剪承載力。按照數(shù)值模擬的結(jié)果,當F>Fs且k>kr,建議取F為0.8Fs作為傳力件分擔軸力所承受的剪力值。

4 結(jié)語

通過對某圍堰的實際軸力監(jiān)測和三維有限元施工全過程建模結(jié)果分析,并分析傳力件抗剪承載力對腰梁軸力的分擔作用,得到以下結(jié)論:

(1) 圍堰中腰梁和支撐的軸力監(jiān)測結(jié)果表明傳力件對腰梁的軸力存在一定分擔作用,在設(shè)計時不可忽視。

(2) 通過有限元分析不同長度傳力件下支撐軸力-腰梁軸力-傳力件傳遞軸力的受力特點,發(fā)現(xiàn)傳力件分擔軸力和傳力件剛度與支撐軸力的大小有關(guān),并存在臨界值，即不大于傳力件的抗剪承載力。

(3) T型傳力件的抗剪承載力遠大于鋼板的抗剪承載力,故工程中不推薦直接焊接鋼板作為傳力件。

(4) 在雙對數(shù)坐標下,傳力件傳遞軸力/支撐軸力和傳力件抗側(cè)移剛度/參考傳力件抗側(cè)剛度在傳力件傳遞軸力小于其抗剪承載力時,二者呈線性變化。