矩形截面雙壁鋼圍堰結構行為與受力性能研究

池 鵬，徐 強，孫蕊鑫

(1.陜西省高速公路建設集團公司，陜西 西安 710064；2.陜西高速公路工程咨詢有限公司，陜西 西安 710064；3.西安中交土木科技有限公司，陜西 西安 710075)

矩形截面雙壁鋼圍堰結構行為與受力性能研究

池 鵬1，徐 強2，孫蕊鑫3

(1.陜西省高速公路建設集團公司，陜西 西安 710064；2.陜西高速公路工程咨詢有限公司，陜西 西安 710064；3.西安中交土木科技有限公司，陜西 西安 710075)

文章以漢江五橋矩形截面雙壁鋼圍堰工程為例，對雙壁鋼圍堰在橋墩基礎施工過程中所體現出的結構行為進行分析，并采用有限元程序建立雙壁鋼圍堰的板梁混合精細有限元模型，結合簡化計算方法對雙壁鋼圍堰的受力性能進行了研究，提出了改善雙壁鋼圍堰受力性能的構造措施。

橋梁工程；矩形截面雙壁鋼圍堰；結構行為；受力性能；有限元方法

0 引言

跨江、跨海大橋施工過程中常常要在深水中修建巨大的橋墩基礎圍堰以創造良好的施工環境。20世紀70年代我國在修建九江長江大橋深水橋墩基礎時創造性地提出了雙壁鋼圍堰這一新的圍堰形式，這在簡化突破季節施工限制、提升施工工序、縮短施工工期方面有了新的突破[1]。此后，雙壁鋼圍堰成為我國橋梁深水基礎施工廣泛采用的一種圍堰形式[2]。

雙壁鋼圍堰所處的水下施工環境惡劣，受力十分復雜，目前對雙壁鋼圍堰的研究多限于構造設計與施工方案的探討[3-7]，對其在橋墩基礎施工過程中所體現出的受力性能研究較少。針對上述問題， 本文以漢江五橋雙壁鋼圍堰為研究背景， 詳細分析其

在橋墩基礎施工過程中的體現出的結構行為，采用有限元仿真分析與簡化計算相結合的方法對雙壁鋼圍堰的受力性能進行研究。

1 工程概況

漢江五橋橋墩基礎施工用圍堰為矩形截面雙壁鋼圍堰，堰長26.0 m，寬19.5 m，高19.0 m，壁厚1.2 m，下部設1.7 m高的刃角；鋼圍堰豎向設10個鋼箱，鋼箱面板與水平環板厚度為10 mm；面板縱肋采用[10型鋼，間距35 cm；鋼圍堰內設三層內支撐，內支撐水平桿采用φ630×10mm鋼管，焊接在鋼箱內面板上，一、二層內支撐間的立柱、斜撐(Ⅰ25a)與內支撐形成空間桁架。雙壁鋼圍堰總體布置見圖1。

圖1 雙壁鋼圍堰總體布置圖(尺寸單位：cm；高程單位：m)

2 雙壁鋼圍堰結構行為特點分析

根據橋墩基礎施工過程中雙壁鋼圍堰承受的外荷載和約束條件的變化，將雙壁鋼圍堰的結構行為按以下5個施工階段進行分析：

(1)階段1：雙壁鋼圍堰下沉至設計位置，將圍堰內河床清挖至封底混凝土底面標高。此時，圍堰內外水位等高，凈水壓力內外平衡；迎水側外面板承受流水壓力與土壓力，其它外面板只承受土壓力。

(2)階段2：封底混凝土達到設計強度后抽干圍堰內存水。此時，階段2～階段4外面板均承受與階段1相同的荷載；內面板內、外側水頭差達到最高的16.135m，內面板承受最大單側凈水壓力，內支撐承受的軸向壓力也達到最大；本階段雙壁鋼圍堰受力圖示見圖2。

(a)內面板 (b)迎水側外面板 (c)非迎水側外面板

(3)階段3：第一層承臺混凝土達到設計強度，拆除第一層內支撐及第一、第二層內支撐間斜撐。第一層承臺在其高度范圍內為內面板提供剛性橫向支撐，間接降低了內面板內、外側水頭差，內面板承受的凈水壓力減小；由于拆除了第一層內支撐，第二、第三層內支撐承受的軸向壓力增大。

(4)階段4：第二層承臺混凝土達到設計強度，拆除第二層內支撐，施工首批7m高橋墩。第二層承臺為內面板提供剛性橫向支撐，內面板內、外側水頭差進一步減小，內面板承受的凈水壓力減小；拆除第二層內支撐后，第三層內支撐承受的軸向壓力較上階段增大。

(5)階段5：首批橋墩施工結束，向圍堰內回灌6m高江水，拆除第三層內支撐。由于江水回灌，內面板承受的凈水壓力對內、外側水頭差減而減小；因內支撐全部拆除，需密切關注圍堰頂口變形。

3 有限元仿真分析模型

3.1 有限元分析模型

采用有限元程序ANSYS建立雙壁鋼圍堰的板梁混合精細有限元模型，采用板殼單元Shell63模擬鋼圍堰內、外面板、鋼箱及水平環板；采用梁單元Beam44模擬面板縱肋與內支撐鋼管。有限元數值模型如圖3所示。

圖3 雙壁鋼圍堰1/2有限元模型圖

雙壁鋼圍堰材料選用Q235結構鋼，各向同性，屈服強度fy=235MPa，彈性模量取E=2.06×105MPa，泊松比取為0.3，密度取為7 850kg/m3。

3.2 計算荷載與邊界條件

3.2.1 計算荷載

(1) 流水壓力呈倒三角形分布，按現行公路橋規公式FW=KγmAv2/2g計算圍堰迎水面流水壓力，計算斷面流水速度v=1.0m/s[10]；

(2) 靜水壓力呈正三角形分布，與水深成正比，按公式q1=γωh計算，最大值為156.35kPa；

(3) 鋼圍堰刃角入土后，作用在鋼圍堰上的土壓力介于靜止土壓力和主動土壓力之間，均呈正三角形分布，根據現行公路橋規按公式p0=γ′hK0與pa=γ′hKa分別計算，取用兩值中的較大者[10]；

(4) 按公式Ft=τ×A計算土側摩阻力，細砂層τ=30MPa，卵石土層τ=90MPa，A為圍堰外面板入土面積，因圍堰下沉時破壞了土層的原始狀態，計算時考慮2倍安全系數；

(5) 封底混凝土與鋼護筒之間握裹力系數取0.15MPa[11]；

(6) 水的浮力為9 800N/m3。

水壓力與土壓力荷載以梯度荷載的形式施加在圍堰面板上。

3.2.2 邊界條件

約束鋼圍堰底層節點與刃腳斜面板節點的豎向位移自由度，施工過程中按封底混凝土與承臺的澆筑高度對內面板的面外位移自由度進行約束，為保證結構整體計算的穩定性，約束上層內支撐中間節點的橫、順橋向位移自由度。

4 雙壁鋼圍堰受力性能分析

4.1 靜力性能分析

分別對前文劃分的5個施工階段雙壁鋼圍堰的受力狀態進行有限元仿真分析，計算結果見表1。

表1 雙壁鋼圍堰各構件應力與變形值表

說明：“—”表示內支撐鋼管已全部拆除。

由表1可以看出，CS2鋼圍堰受力最不利，除外面板外，其它構件最大應力均在本階段出現；CS5鋼圍堰總體剛度最弱，除內支撐外，其它構件的最大變形均在本階段出現。施工過程中鋼板件最大應力為185.8MPa，桿件最大應力為201.6MPa，均屬于約束或構件連接位置的局部應力集中現象，鋼圍堰其它區域應力水平較低。

由圖5～9可以看出，由于雙壁鋼圍堰內部設置有內支撐，橫、順橋向內面板最大變形均出現在面板中央兩道內支撐之間，且變形呈環狀由內向外逐漸減小；內面板在鋼箱與橫、順橋向面板間焊縫處因受到較強的面外支撐(內支撐兩端與鋼箱焊接)而呈現出較高的應力水平，且局部有應力集中現象，鋼箱之間與鋼箱與垂直面板之間的面板變形相對自由，應力水平較低。

圖5 鋼圍堰整體變形圖(單位：m)

圖6 內面板Mises應力分布圖(單位：kPa)

圖7 外面板Mises應力分布圖(單位：kPa)

圖8 鋼箱面板Mises應力分布圖(單位：kPa)

圖9 水平環板Mises應力分布圖(單位：kPa)

4.2 穩定性能分析

4.2.1 結構整體抗浮穩定性分析

封底混凝土澆注完成并達到設計強度后，抽干圍堰內存水。此時，雙壁鋼圍堰依靠封底混凝土與鋼護筒的握裹力(方向向下)以及鋼圍堰自重、封底混凝土重量、刃角填充混凝土重量、圍堰內倉水重量以及圍堰外面板受到的土層摩阻力來克服江水浮力，防止鋼圍堰被浮起。如果需要的握裹力小于封底混凝土與鋼護筒之間的最大握裹力，可以保證鋼圍堰穩定和施工安全。否則，鋼圍堰抗浮穩定性不滿足要求。

圖10 鋼圍堰豎向受力示意圖

鋼圍堰受力狀態見圖7，豎向受力平衡方程為：

∑F=Gw+Gf+Gh+Ft+Fm-fw(1)

式中:Gw——鋼圍堰自重(kN)；Gf——封底混凝土與圍堰刃角填充混凝土自重(kN)；

Gh——鋼圍堰雙壁內倉江水重量(kN)，內倉水位與江水持平；

Ft——鋼圍堰外面板受到的土層摩阻力(kN)；

Fm——封底混凝土與鋼護筒之間的握裹力(kN)；

fw——鋼圍堰承受的浮力(kN)。

如果鋼圍堰在水中保持平衡，必有∑F≥0，即(Gw+Gf+Gh+Ft+Fm)/fw)≥1。根據相關公式計算各分力值，可得：

(Gw+Gf+Gh+Ft+Fm)/fw=1.23>1.0

鋼圍堰排水后抗浮穩定性能滿足施工安全要求，且由上式還可以看出，必要時可以通過增減鋼圍堰平臺配重、調節隔艙內水位和江水間的落差來改善圍堰排水后的抗浮穩定性。

4.2.2 內支撐穩定性簡化分析

橋墩基礎施工過程中，鋼圍堰壁板主要承受由凈水壓力、流水壓力以及土壓力產生的面外水平荷載，幾乎不承擔軸向荷載，壁板穩定性能較容易保證；鋼圍堰相當于四周承受水壓的矩形環，環板是提供抗壓面積的主要構件，主要承受壓力，由于環板中心挖空，有效長度小，穩定性亦不存在問題；內支撐起平衡兩側壁板壓力，減小壁板計算跨度的作用，為受壓桿件，穩定問題尤為突出，且隨下層內支撐的拆除，剩余內支撐承受的壓力亦會發生變化，需對整個施工過程內支撐的穩定性進行研究。

考慮同層內支撐桿件間的相互約束作用，壓桿計算長度取內支撐節間長6.5m，按兩端鉸支壓桿簡化，其歐拉臨界應力為：

由于根據彈性理論計算得到的歐拉臨界應力2 309 MPa遠大于Q235鋼材的屈服強度235 MPa，根據文獻[12]按下式對其進行非彈性修正：

由式(3)計算得到內支撐彈塑性屈曲臨界應力為229MPa，與表1各施工階段內支撐最大應力比較可知，各施工階段內支撐最大應力均小于其彈塑性屈曲臨界應力，內支撐穩定性滿足要求。

5 結語

(1) 雙壁鋼圍堰鋼板件最大應力為185.8MPa，桿件最大應力為201.6MPa，均屬于約束或構件連接位置的局部應力集中現象，鋼圍堰其它區域應力水平較低。

(2) 封底混凝土達到設計強度并抽干圍堰內存水，為雙壁鋼圍堰抗浮穩定受力最不利狀態，此時，雙壁鋼圍堰抗浮穩定系數為1.23，抗浮穩定性滿足施工安全要求。

(3) 考慮同層內支撐間相互約束作用，按兩端鉸支壓桿進行簡化計算得到內支撐彈塑性屈曲臨界應力為229MPa，大于內支撐承受的最大壓應力125.8MPa。

(4) 內面板內、外較大的水頭差導致其應力水平高于外面板，可采用在隔艙下部填充混凝土、上部填充水來替代全部填充水的方法，以達到減少結構應力與變形，提高結構剛度和穩定性的目的。

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[12]陳鐵云,陳伯真.船舶結構力學[M].上海：上海交通大學出版社,1991.

Study on Structural Behavior and Mechanical Properties of Rectangular Section Double-wall Steel Cofferdam

CHI Peng1，XU Qiang2，SUN Rui-xin3

(1.Shaanxi Expressway Construction Group Corporation，Xi'an，Shaanxi，710064；2.Shaanxi Expressway Engineering Consulting Co.，Ltd.，Xi'an，Shaanxi，710064；3.CCCC Civil Engineering Science & Technology Co.，Ltd.，Xi'an，Shaanxi，710075)

With rectangular section double-wall steel cofferdam project of Hanjiang V Bridge as the example，this article analyzed the structural behavior of double-wall steel cofferdam during the pier foundation construction，and established the mixed plate-girder refined finite element model of double-walled steel cofferdam by using the finite element program，and combined with simplified calculation method，it studied the mechanical properties of double-wall steel cofferdam，then proposed the structure measures to improve the mechanical properties of double-wall steel cofferdam.

Bridge engineering；Rectangular section double-wall steel cofferdam；Structural behavior；Me-chanical performance；Finite element method

U445.55+

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.06.012

1673-4874(2015)06-0048-05

2015-05-08

池 鵬，工程師，碩士，主要從事橋梁與隧道設計及施工管理研究；

徐 強，工程師，主要從事路橋施工管理工作；

孫蕊鑫，工程師，碩士，主要從事橋梁工程設計與科研工作。