基于有限元法的長(zhǎng)淮衛(wèi)淮河大橋鋼板樁圍堰施工支護(hù)計(jì)算

張營(yíng)營(yíng)，李曉威，辛　欣，廖一天

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

基于有限元法的長(zhǎng)淮衛(wèi)淮河大橋鋼板樁圍堰施工支護(hù)計(jì)算

張營(yíng)營(yíng)，李曉威，辛欣，廖一天

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

摘要：由于擋土、擋水的需要，圍堰成為必不可少的工程元素之一，而鋼板樁圍堰憑借其施工簡(jiǎn)便、擋水性好、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，在工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。鋼板樁圍堰在支護(hù)計(jì)算方面主要采用等值梁法和平面有限元法，簡(jiǎn)化的方法與實(shí)際的工況有一定的偏差，因此本文采用三維有限元軟件Midas對(duì)鋼板樁圍堰建立空間結(jié)構(gòu)模型，模擬圍堰真實(shí)的受力狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：鋼板樁圍堰；三維建模；結(jié)構(gòu)計(jì)算；強(qiáng)度；穩(wěn)定性

蚌埠市長(zhǎng)淮衛(wèi)淮河大橋位于城區(qū)東北部，是蚌埠市改善城區(qū)交通狀況的重要工程。主橋采用80 m+200 m+80 m雙桁鋼桁架拱橋，寬42.5 m。18#墩為主橋北岸側(cè)過(guò)渡墩，距漫灘岸坎線約22 m，航道側(cè)河床泥面高程約9.4 m。該河段的枯水期常水位為13.0 m，橋區(qū)附近地質(zhì)較好，水流平順，并無(wú)淺灘、礁石等障礙物。墩位中心距離漫灘岸坎約22 m，河床地形呈斜坡?tīng)睿c設(shè)計(jì)圖紙中河道斷面基本一致。為了營(yíng)造干燥無(wú)水的施工條件，必須用圍堰進(jìn)行擋水，目前應(yīng)用較為廣泛的圍堰型式有混凝土圍堰、鋼板樁圍堰和雙壁鋼圍堰等[1]。混凝土圍堰造價(jià)較高，主要用于大型水利工程；雙壁鋼圍堰整體穩(wěn)定性較好，但其占地面積較大，插打困難；鋼板樁圍堰具有施工簡(jiǎn)便，可重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)，常用的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為12 m和18 m，擋水高度適中；所以初步選擇采用鋼板樁圍堰為橋墩進(jìn)行擋水施工。

1鋼板樁圍堰施工

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，18#墩地質(zhì)資料及土層參數(shù)分別如表1所示。

18#墩承臺(tái)底部位于枯水期常水位以下5.4 m，擬定最高施工水位以下8.9 m。從水深、地質(zhì)、堰型經(jīng)濟(jì)性及適用范圍等方面綜合考慮[2]，決定采用鋼板樁圍堰法施工。采用拉森IV型鋼板樁，材質(zhì)為Q345，頂標(biāo)高不低于17.0 m，最高施工水位16.5 m(與北岸便道撤退預(yù)警水位相同)，考慮鋼板樁定型規(guī)格，選用長(zhǎng)度為18.0 m的鋼板樁，堰頂高程17.928 m。

單個(gè)橋墩圍堰長(zhǎng)為8.4 m，寬為8.4 m，內(nèi)設(shè)置3道工40型鋼圍檁，材質(zhì)為Q235。各道圍檁的內(nèi)支撐采用角隅式布置，Φ529*8鋼管，長(zhǎng)約3.26 m，四角各1根，從承臺(tái)底往上，間距為3.5 m、2.5 m、2.5 m。圍堰每邊超出承臺(tái)邊沿0.9 m，留出40 cm的圍檁空間后，便于裝拆定型鋼模及支撐[3]。

表1　18#墩土層參數(shù)表

2鋼板樁圍堰支護(hù)計(jì)算

隨著技術(shù)的發(fā)展，各種計(jì)算軟件不斷被研發(fā)出來(lái)，使工程計(jì)算不僅更加簡(jiǎn)便，而且更加準(zhǔn)確。Midas就是一種主要用于建筑、橋梁、巖土、仿真等領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有限元分析軟件。本文就是利用Midas對(duì)鋼板樁圍堰進(jìn)行三維建模并進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算。

圖1　鋼板樁圍堰空間模型

將計(jì)算所得的水壓力荷載、土壓力荷載按面荷載形式施加到模型上，結(jié)構(gòu)自重由程序自行計(jì)入[5]，得到計(jì)算結(jié)果如下所示。

(1)鋼板樁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

鋼板樁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3、圖4、圖5、圖6所示。

(2)內(nèi)部支撐應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

內(nèi)部支撐應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖2　鋼板樁圍堰等效應(yīng)力云圖

圖3　鋼板樁圍堰X方向主應(yīng)力云圖

圖4　鋼板樁圍堰Y方向主應(yīng)力云圖

圖5　鋼板樁圍堰Z方向主應(yīng)力云圖

圖6　鋼板樁圍堰剪應(yīng)力云圖

圖7　鋼板樁圍堰內(nèi)部支撐最大組合應(yīng)力云圖

(3)鋼板樁圍堰位移計(jì)算結(jié)果

鋼板樁圍堰位移計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8　鋼板樁圍堰位移云圖

經(jīng)計(jì)算鋼板樁圍堰最大等效應(yīng)力159 MPa，位移8.29 mm，圍檁結(jié)構(gòu)最大組合應(yīng)力47.8 MPa，位移6.03 mm，滿足規(guī)范要求。

3結(jié)論

首先由計(jì)算結(jié)果知鋼板樁圍堰的強(qiáng)度、剛度，圍檁的強(qiáng)度、剛度均滿足規(guī)范要求；其次，本方法建立了鋼板樁圍堰的三維結(jié)構(gòu)模型，與真實(shí)的圍堰受力狀態(tài)最為接近，計(jì)算結(jié)果最為可靠。隨著技術(shù)的進(jìn)步，此種方法對(duì)于圍堰的支護(hù)計(jì)算不僅更加準(zhǔn)確，還提供了很大便利，避免了繁瑣的人工手算，是今后工程計(jì)算的一個(gè)發(fā)展方向，本工程的支護(hù)計(jì)算也能為其他工程實(shí)例提供借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]韋清江，劉根.大型橋梁深水基礎(chǔ)類型及其特點(diǎn)[J]．四川建筑，2008，28(5)：71-72．

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[3]趙志縉，應(yīng)惠清.簡(jiǎn)明深基坑工程設(shè)計(jì)施工手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000.

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[5]杜闖，丁紅巖，張浦陽(yáng)，等．鋼板樁圍堰有限元分析[J]．巖土工程學(xué)報(bào)，2014，36(S2):159-164．

Calculation of steel sheet pile cofferdam construction support of Changhuaiwei Huaihe Bridge based on finite element method

ZHANG Yingying，LI Xiaowei，XIN Xin，LIAO Yitian

(CollegeofHydraulicandEnvironmentEngineering，ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China)

Abstract：With the increasing of engineering construction, cofferdam has become one of the indispensable engineering, due to the need to retain earth and water. And steel sheet pile cofferdam is widely applied in engineering with its advantages of simple construction, good water retaining and reusability. The main method used in supporting computing of steel sheet pile cofferdam is “equivalent beam method” and “plane finite element method”, but the simplified method has a certain deviation with the actual conditions. And therefore, this article established a spatial structure model of steel sheet pile cofferdam with Midas three-dimensional finite element software, to simulate the real stress state of cofferdam.

Key words：steel sheet pile cofferdam; 3-D modeling;structure calculation; strength; stability

作者簡(jiǎn)介：張營(yíng)營(yíng)(1992-)，男，碩士研究生，主要從事水利工程施工與管理方面的研究。

中圖分類號(hào)：TU473.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2096-0506(2016)05-0032-04