鋼板樁圍堰應用與受力分析

張 凱

(西安灃東市政工程建設有限公司，陜西 西安 710000)

鋼板樁圍堰應用與受力分析

張 凱

(西安灃東市政工程建設有限公司，陜西 西安 710000)

結合某工程實例，從鋼板樁圍堰的整體強度及穩定性出發，應用有限元程序MIDAS Civil2010對此工程中鋼板樁圍堰最不利狀況進行了結構分析，并對其強度以及穩定性進行了檢算，通過檢算結果證明了鋼板樁圍堰強度和穩定性均滿足相應要求，說明了鋼板樁圍堰在該工程應用中的可行性。

鋼板樁圍堰，結構計算，強度，穩定性

0 引言

鋼板樁圍堰適用于深水或深基坑、水流速度較大的粘質土、砂類土、碎石土等堅硬的河床，是水下承臺、水下墩(臺)身施工時最常見的防水圍堰形式，主要由鋼板樁和封底混凝土共同形成，既能夠作為封底混凝土的模板，也能和封底混凝土共同起到防水作用。鋼板樁圍堰以其良好的強度性、防漏水性、緊密性以及相對施工的簡便性、快速性、材料本身的易回收性等特點被廣泛應用。本文針對某實際工程，從組成鋼板樁圍堰各構件的強度和整體穩定性出發，利用大型計算程序對其進行空間建模計算，檢算鋼板樁圍堰在不利情況下的強度以及穩定性。

1 工程概況

2 鋼板樁圍堰受力分析

2.1 參數取值

鋼板樁圍堰各構件相關計算參數取值，內圍囹：截面面積A=86.07 cm2，重量M=73.808 kg/m，慣性矩I=21 714 cm4，截面抵抗矩W=1 085.7 cm3；SP-Ⅳ鋼板樁：截面面積A=96.9 cm2，重量M=76.1 kg/m，慣性矩I=38 600 cm4，截面抵抗矩W=2 270 cm3；φ529鋼管(δ=8 mm)：截面面積A=130.88 cm2，重量M=102 kg/m，慣性矩I=37 424.843 cm4。

2.2 采用的計算工況

根據鋼板樁圍堰所在土層特點，在進行受力分析時對鋼板樁圍堰的各組成構件強度及其整體穩定性進行檢算?？紤]鋼板樁施工中對土層產生的擾動，故將其所在土體容重均按浮容重考慮。由于該鋼板樁圍堰采用“先支撐后挖泥，分層支撐分層挖泥”的原則進行施工，分析表明圍堰內抽干水狀態為最不利工況，因此按以下兩種工況進行檢算。

工況一：按挖深至79.6 m，河床覆蓋層，鋼板樁計算長度為10 m，此時鋼板樁圍堰外側承受主要荷載為：靜水壓力。

工況二：按挖深至78.733 m，河床巖面，鋼板樁計算長度為10.87 m，此時鋼板樁圍堰外側承受主要荷載為：靜水壓力，靜止土壓力。

檢算時主要考慮以下荷載：

靜水壓力p=γh，鋼板樁圍堰四周均施加靜水壓力。

靜止土壓力：p0=k0γz，其中,k0為靜止土壓力系數，對粘土k0取0.55。

2.3 鋼板樁圍堰檢算

對鋼板樁圍堰采用MIDAS Civil2010軟件建立空間有限元計算模型，鋼板樁采用板單元模擬，內支撐、圍囹均采用梁單元模擬，鋼板樁圍堰下插于河床面并且有封底混凝土，因此將鋼板樁底部采用固定約束的邊界條件。鋼板樁圍堰的MIDAS空間有限元檢算模型如圖2所示。

2.3.1 圍囹和內撐的檢算

由空間模型計算得到在工況一和工況二下圍囹和內撐的受力狀況，具體如表1所示。

表1 圍囹和內撐所受最大應力和軸力

由建模所得計算結果可知在工況一和工況二下，圍囹受到最大應力值分別為54.8 MPa和34.1 MPa，均發生在最下層圍囹與內撐相交處，小于其構件容許應力140 MPa，圍囹應力滿足要求。

內撐所用鋼管截面面積A=13 088 mm2，慣性半徑i=184 mm，λ=12 913/184=70,φ=0.751。

內撐考慮穩定自身所能承受最大軸力：N=φ×A×[f]=0.751×13 088×140=1 376 kN。

由建模所得計算結果可知在工況一和工況二下，內撐受到最大應力值分別為98.7 MPa和74.5 MPa，小于構件容許應力140 MPa，內撐應力滿足要求；內撐受到最大軸力值分別為1 078.8 kN和903.9 kN，均位于最下層斜撐，小于構件容許軸力1 376 kN，內撐穩定性滿足要求。

2.3.2 鋼板樁檢算

由模型分析計算得到在工況一和工況二下，鋼板樁圍堰每延米的繞水平軸的最大彎矩分別為248.2 kN·m/m和275.8 kN·m/m(如圖3，圖4所示)。取一片鋼板樁進行驗算，鋼板樁的寬度為0.4 m，鋼板樁邊緣斷面的模量為：W=814.8 cm3，計算得到鋼板樁外緣應力為：

工況一時，鋼板樁應力最大值發生在順橋向南側河床覆蓋層鋼板樁的相交處，鋼板樁容許應力為140 MPa，其應力滿足要求。

工況二時，鋼板樁應力最大值發生在順橋向南側底部混凝土支護與鋼板樁的相交處，鋼板樁容許應力為140 MPa，其應力滿足要求。

2.3.3 整體穩定性檢算

鋼板樁圍堰的整體穩定性可以通過模型分析計算中的屈曲模態數據得到，在工況一和工況二下鋼板樁圍堰整體屈曲模態如圖5和圖6所示。

工況一時，鋼板樁圍堰的屈曲模態最小特征值即臨界荷載為97.8>1，結構整體穩定性能滿足要求。

工況二時，鋼板樁圍堰的屈曲模態最小特征值即臨界荷載為109>1，結構整體穩定性能滿足要求。

2.3.4 檢算結論

由模型計算得到的結果分析得出：

1)在工況一和工況二下，鋼板樁圍堰的圍囹、內撐和鋼板樁強度及內力均滿足要求。

2)在工況一和工況二下，鋼板樁圍堰結構整體穩定性能均滿足要求。

3)最下層圍囹與內撐是受力薄弱處，河床覆蓋層和巖床層與鋼板樁交界處是鋼板樁受力薄弱處，施工中應注意薄弱位置的變形和受力變化。

3 結語

通過對鋼板樁圍堰最不利受力狀況進行結構分析，對其強度以及穩定性進行詳細檢算，檢算結果證明鋼板樁圍堰強度和穩定性均滿足相應要求，說明鋼板樁圍堰在本工程應用中的可行性；檢算結果同時給出最大受力處，在進行鋼板樁圍堰施工時應留意相應部位的變形及受力變化，為保障工程開挖安全順利進行提供了可參考依據。

[1] 陳長明.強涌潮地區拉森Ⅵ型鋼板樁圍堰施工計算[J].橋梁建設，2009，19(5)：49-52.

[2] 張 駿.橋梁深水基礎鋼板樁圍堰受力分析與應用[J].橋梁建設，2012，42(5)：74-81.

Application and stress analysis of steel sheet pile cofferdam

Zhang Kai

(Xi’anFengdongMunicipalEngineeringConstructionCo.,Ltd,Xi’an710000，China)

Combined with an engineering example, starting from the integral strength and stability of steel sheet pile cofferdam, application of the finite element program MIDAS Civil2010 of this project in the most unfavorable situation of steel sheet pile cofferdam structure analysis, on the strength and stability calculation, through the inspection results prove the steel sheet pile cofferdam strength and stability all meet the corresponding requirements, indicate the feasibility of steel sheet pile cofferdam in the engineering application.

steel sheet pile cofferdam, structure calculation, strength, stability

2014-11-29

張 凱(1984- )，男，工程師

1009-6825(2015)04-0180-02

U445.4

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