蘭州深安黃河大橋主墩基礎鋼套箱的結構分析

李涵軍，顧乾崗，胡震敏，張 波

（宏潤建設集團股份有限公司，上海市 200235）

1 工程概況

蘭州深安黃河大橋主橋采用下承式蝶形鋼拱疊合梁橋，跨徑156 m，橋寬36.5 m，梁高3.5 m，吊索間距8 m，主墩采用V型墩[1]。圖1為主橋的效果圖。

圖1 蘭州深安黃河大橋主橋效果圖

主墩采用圓端形承臺，承臺厚度3.5 m，封底混凝土厚2.0 m，承臺采用C30混凝土。每個承臺基礎采用9根Φ2 000鉆孔灌注樁，樁長45 m，鉆孔灌注樁采用C30水下混凝土。圖2、圖3為主墩承臺構造示意圖。

圖2 主墩承臺構造平面示意圖（單位：mm）

圖3 主墩承臺構造立面示意圖（單位：mm）

主墩位于黃河河床上，根據地質報告顯示，自河床以下100 m范圍內均為層卵石。所以，該工程主墩基礎施工擬采用設計與施工相對簡單、工程造價相對較低的雙壁鋼套箱圍護結構，利用套箱內壁做承臺混凝土模板[2]。雙壁鋼套箱結構設計如圖4、圖5所示，分為刃腳段與雙壁段。刃腳部分面板采用8 mm鋼板，角度為30°；雙壁段內面板8 mm，外面板6 mm，鋼板及隔板采用6 mm鋼板。內部為空間桁架結構，水平主桁加強圈采用8#槽鋼，綴條用8#槽鋼，豎向間距為500 mm；豎向加勁肋采用8#槽鋼，周向間距為700 mm。

圖4 鋼套箱平面示意圖

圖5 鋼套箱剖面示意圖

需要說明的是，雙壁鋼套箱的高度能夠滿足施工階段設計水位的要求，但實際施工中在雙壁段頂部預留一段1.5 m的單壁段進行加高，作為施工中偶遇高洪水位的預案。

主墩承臺在施工過程中，鋼套箱結構需要經歷多個施工過程，并承受多個施工工況，結構受力比較復雜。本文利用ANSYS結構分析軟件對鋼套箱結構進行三維仿真模擬，分析其在各個施工工況下的剛度、強度和穩定性。

2 鋼套箱三維仿真模型的建立

根據鋼套箱的設計，鋼套箱由內向外分別由內面板、內橫楞、內豎楞、橫梁、外豎楞、外橫楞、外面板及封底鋼板等7個結構部分組成。各構件材料均為Q235鋼材。

利用大型結構分析軟件ANSYS建立不考慮單壁加高段的鋼套箱結構的三維仿真模型。計算模型如圖6～圖8所示，模型共劃分56 175個單元，內外面板采用SHELL63板單元模擬，槽鋼采用BEAM44空間梁單元模擬。模型考慮了槽鋼相互之間的實際幾何相對關系，能夠真實反映結構實際剛度。

圖6 鋼套箱結構計算仿真模型

圖7 鋼套箱仿真模型局部示意圖（一）

圖8 鋼套箱仿真模型局部示意圖（二）

在仿真模型的底部施加3個平移自由度約束的固定邊界，這要求在實際施工中保證鋼套箱結構底部的固定措施。此外，仿真模型模擬了主墩基礎的各個施工過程，而施工過程則采用單元生死法模擬，以反映施工過程的累積效應。

3 鋼套箱施工過程的受力分析

主墩承臺在施工過程中，鋼套箱結構需經歷4個不同的施工工況，即鋼套箱吊裝、封底混凝土施工、基坑排水施工和承臺混凝土施工。每個施工階段所承受的荷載工況以及荷載的大小各不同，一般所承受的荷載有鋼套箱自重、水壓力以及混凝土澆筑壓力等。

由于文章篇幅所限，本文只簡要地介紹每個施工階段的施工工況、鋼套箱結構的變形、板單元和梁單元的應力，以及關鍵施工工況下鋼套箱結構的穩定性。

3.1 鋼套箱吊裝

鋼套箱吊裝時，吊點設置于頂部鋼套箱交接縫處，共設置4個吊點（加設10 mm厚加強肋板）[2]，鋼套箱自重由交接縫處肋板與內外楞間焊縫承擔。吊裝重量為52.6 t（其中焊縫重量取套箱結構自重的5%）。

根據結構仿真分析結果[3]可以得到，鋼套箱在4點吊裝階段，可能會產生最大變形為2.3 mm，該變形在施工容許偏差范圍內，滿足施工要求；鋼套箱結構板單元可能會產生最大應力23.3 MPa，梁單元可能會產生最大應力127 MPa，均小于鋼材彎曲容許應力145 MPa，滿足設計規范的要求。

3.2 封底混凝土施工

封底混凝土施工時，取鋼套箱內外水位齊平。圖9為封底混凝土剛澆筑至設計標高時工況示意圖。

圖9 封底混凝土施工工況示意圖（單位：m）

根據結構仿真分析結果[3]可以得到，鋼套箱結構在封底混凝土澆筑階段，可能會產生最大變形1.1 mm。該變形在施工容許偏差范圍內，滿足施工要求。板單元可能會產生最大應力64.7 MPa，梁單元可能會產生最大應力67.0 MPa，均小于鋼材彎曲容許應力145 MPa，滿足設計規范的要求。

3.3 基坑排水施工

封底混凝土初凝后，進行基坑排水作業，取鋼套箱外、夾板間水位不變，套箱內無水壓作用。此時，由于封底混凝土已經初凝，可考慮鋼套箱下部2 m范圍內固結，只考慮上部3.5 m范圍內的受力。該施工工況示意圖如圖10所示。

在該工況作用下，分析得鋼套箱結構變形情況如圖11所示。

圖11 基坑排水階段鋼套箱變形示意圖

根據結構仿真分析結果[3]可以得到，鋼套箱結構在基坑排水階段，可能會產生最大變形5.3 mm。該變形在施工容許偏差范圍內，滿足施工要求。板單元可能會產生最大應力72.0 MPa，小于鋼材彎曲容許應力145 MPa。梁單元可能會產生172 MPa的最大應力，大于鋼材彎曲容許應力145 MPa，不滿足設計規范要求。

此外，在該關鍵施工工況下，鋼套箱結構第一階失穩穩定系數為9.45，主要表現為水平向梁單元失穩；結構穩定系數大于4，滿足設計要求。

3.4 承臺混凝土施工

基坑排水完成后，在基坑內進行承臺鋼筋的綁扎，并澆筑承臺混凝土，取鋼套箱外、夾板間水位不變，套箱內受混凝土側壓力作用。此時，考慮鋼套箱下部2 m范圍內固結，只考慮上部3.5 m范圍內的受力，該工況的示意圖如圖12所示。

圖12 承臺混凝土施工工況示意圖（單位：m）

在該工況作用下，分析得到鋼套箱的變形情況如圖13所示。

圖13 承臺混凝土施工階段鋼套箱變形示意圖

根據結構仿真分析結果[3]可以得到，鋼套箱結構在承臺混凝土澆筑階段，可能會產生的最大變形為7.6 mm，該變形在施工容許偏差范圍內，滿足施工要求。板單元可能會產生最大應力66.0 MPa，小于鋼材彎曲容許應力145 MPa。梁單元可能會產生最大應力206 MPa，最大應力出現在外側豎桿封底混凝土頂面附近，大于鋼材彎曲容許應力145 MPa。

4 鋼套箱結構的優化

根據以上計算分析結果，鋼套箱結構的梁單元應力在基坑排水、承臺混凝土施工工況下超過了鋼材的彎曲容許應力，結構需要加強。現有鋼套箱豎向框架的槽鋼應力主要是由于彎曲應力引起的，為改善結構受力，建議增加斜撐，形成穩定的桁架結構，將桿件彎曲受力轉換為軸向受力，從而減少梁單元應力。鋼套箱增加豎向斜撐后的示意圖如圖14所示。

圖14 鋼套箱增加豎向斜撐后的示意圖

根據計算分析結果[3]可知，鋼套箱結構優化前后的變形與應力比較如表1所列。

表1 鋼套箱結構優化前后的變形與應力比較

由表1可知，鋼套箱結構優化后，結構變形減小顯著，剛度大大提高；梁單元應力也明顯降低，應力水平能夠滿足設計規范的要求。此外，根據分析結果[3]可知，關鍵施工階段——基坑排水施工，鋼套箱結構的第一階失穩穩定系數由9.45提高到13.03，穩定性能得到了顯著的改善。

所以，鋼套箱結構優化效果顯著。

5 意見與建議

綜合以上，可以得到以下一些結論與建議：

（1）仿真分析結果發現，雖然現有鋼套箱結構在施工階段各個工況下的變形能夠滿足施工要求，但是鋼套箱的梁單元（槽鋼）的應力過大，大于Q235鋼材的彎曲容許應力145 MPa，不滿足設計規范要求，建議采取有效的加強措施。

（2）建議把鋼套箱的主要受力單元——豎向框架經增設斜撐后變為桁架體系，受力性能可大大改善。經計算分析可以得到，鋼套箱結構經優化后，強度能夠滿足設計要求。

（3）本文鋼套箱結構分析在假定結構是完善的基礎上進行，理論上鋼結構的所有焊縫應該要考慮結構的等強連接，但在實際施工的實施過程中存在一定的困難，建議加強對焊縫質量的檢查，特別加強對豎向桁架構件的焊縫質量檢查。

（4）本文的仿真模型除鋼套箱在吊裝工況下采用吊點約束外，其余工況下模型采用了鋼套箱底部約束。所以，在具體施工過程中應采取有效的措施確保鋼套箱的底部固定，使實際結構和理論假定相一致。

[1]上海市政工程設計研究總院.蘭州市深安黃河大橋工程主橋施工圖設計文件[R].上海：上海市政工程設計研究總院，2011.

[2]宏潤建設集團股份有限公司.蘭州市深安黃河大橋工程主橋施工組織設計文件[R].上海：宏潤建設集團股份有限公司，2012.

[3]宏潤建設集團股份有限公司.蘭州市深安黃河大橋工程主橋主墩基礎鋼套箱結構計算報告[R].上海：宏潤建設集團股份有限公司，2012.