大跨度橋梁深水基礎單壁鋼套箱圍堰有限元應用技術

門發忠

（中鐵二十一局集團第二工程有限公司，甘肅　蘭州　730000）

大跨度橋梁深水基礎單壁鋼套箱圍堰有限元應用技術

門發忠

（中鐵二十一局集團第二工程有限公司，甘肅蘭州730000）

深水基礎因其工程特點成為了大跨度橋梁的施工關鍵，鋼圍堰作為深水基礎施工中常用的一種擋水結構，其設計應符合各個工程特點及現場施工條件，力求經濟合理。論文以某大橋實際工程為背景，詳細介紹了單壁鋼圍堰的設計方案及借助有限元模型進行合理性檢算的過程，為同類型深水基礎鋼圍堰施工檢算提供技術參考。

大跨度橋梁；深水基礎；單壁鋼圍堰；有限元；分析計算

鋼圍堰是當今橋梁深水基礎施工常用的臨時阻水結構，其作用是通過四周鋼壁和封底混凝土圍水圍沙，為基礎施工提供一個穩定的無水環境。鋼圍堰形式主要有鋼板樁圍堰、鋼套箱圍堰、鋼吊箱圍堰等。鋼板樁圍堰一般采用單壁結構，主要適用于流速較小、水位較低，承臺較淺、河床地質透水性弱的地層；鋼套箱圍堰可分為單壁、雙壁以及單雙壁組合式，適用于流速較大、水位較深，承臺較淺的地層；鋼吊箱鋼圍堰主要適用高樁承臺。由于鋼套箱圍堰具有施工速度快、防水性能好、可重復利用等諸多優點，被廣泛應用于修建橋梁深水基礎時的圍堰工程［1，4］。

1　工程概況

該深水河大橋是一座 （91.2+2×160+91.2）m連續剛構橋，主橋23#～25#主墩采用雙肢薄壁墩形式，墩身順橋向寬度為180cm，雙肢凈距440cm，橫橋在超出同箱梁底板寬度處接半圓截面。主墩承臺順橋向寬1360cm，橫橋向寬1440cm，厚450cm，承臺下接9根φ220cm鉆孔灌注樁基礎。樁基順、橫向樁間距均為500cm。樁基礎按嵌巖樁設計，持力層為中風化白云巖。本橋的設計防撞力采用3000t，經過防撞設計采用承臺左右幅分修，自身滿足防撞要求。同時在墩身周圍設置浮筒式防撞設施，可有效避免船只與承臺、橋墩直接相撞，以達到消能降低撞擊力的目的。

受水文狀況影響24#號墩鋼護筒施工定位困難［5］，經多次方案比選決定采用在24#墩護筒底部設單壁固腳圍堰，在圍堰內灌注封底混凝土包裹鋼護筒，以穩定鋼護筒底部。

2　圍堰設計與檢算

2.1圍堰結構形式

1）圍堰形式。為適應水下地形條件，24#墩為高低刃腳單壁鋼圍堰，其斷面如圖1所示。

圖1　鋼圍堰斷面圖（單位：cm）

2）鋼套箱平面尺寸。承臺平面尺寸為14.4m（橫橋向）×13.6m（順橋向），考慮利用套箱作為承臺施工模板，為保證承臺軸線的精確，在承臺外緣留出10cm空間，作為鋼圍堰在下沉時的偏差余量，鋼圍堰平面尺寸如圖2所示。

圖2　圍堰平面布置圖（單位：mm）

3）鋼圍堰面板結構［6～7］

面板厚度為8mm；橫向肋［8］，間距為55cm；豎向肋I22a，間距為55cm。

面板四周設L100×100×10角鋼連接件，連接螺栓孔為φ22mm，孔距137.5mm（單排），螺栓為M20× 65mm。

4）圍囹及支撐。圍囹選用雙拼I56a工字鋼；斜撐選用雙拼I36a工字鋼；支撐選用φ530×8mm鋼管。

5）封底。圍堰內澆筑C20混凝土進行封底。

2.2檢算模型

2.2.1建立模型

對單壁鋼套箱圍堰結構的受力情況檢算采用MIDAS程序進行［1］，整個圍堰采用空間梁單元模擬，模型圖如圖3所示。

圖3　有限元分析模型圖

本模型共劃分為3356個節點和6690個空間梁單元，縱向肋和豎向肋采用自由度耦合的方式進行處理之間的連接。

2.2.2檢算工況

工況一整體套箱吊裝下沉到位，荷載組合［2］：①套箱自重（包括套箱側板、加勁肋、支撐系統、吊耳等）+②按3.21m/s的流速產生的流水壓力，計算內容為吊裝支撐系統受力計算；

1）計算模型［10］。計算模型為鋼套箱4個角鉸接，迎水面的中間位置再設置一道樁，并利用I56工字鋼水平連接，以防迎水面的底部應力自由長度太大造成的應力過大。

2）結構分析結果。經分析：

①位移最大值發生在套箱頂部，為39mm。

②彎曲應力的最大值為170MPa，小于許用應力188.5MPa。

③剪應力的最大值為97.2MPa，小于許用應力110.5MPa。

④軸向應力的最大值為166MPa，小于許用應力182.5MPa。

故鋼套箱圍堰在本階段的剛度和強度均滿足要求，如圖4所示，見表1。

圖4　工況一分析結果

表1　支反力

由鋼套箱的支反力可以看出，迎水面高程較高的點位置出現了支反力為拉力的情況，由于迎水面其余位置的支反力均為壓力，且數值大于該位置處的拉應力值，為防止鋼套箱出現傾斜等情況，建議鋼套箱下放到位后在迎水面利用鋼絲繩錨固，并根據現場情況施加一定的拉力，為防止傾覆，可在迎水面的鋼箱面設置一些配重。

1.2.1 成立循證護理小組 由護士長和高年資護士5人組成。通過培訓,小組成員能熟練掌握循證護理方法。

3）鋼套箱底部錨固樁受力檢算。由支反力可知，鋼套箱下放到位后，其水平力之和為1317.23kN，全部由迎水面的12根直徑15cm的錨固樁承擔，則：

每根錨固樁承擔的水平荷載為：1317.23/12= 109.77kN；

Q=0.7ftDD=0.7×1.95×150×120=24570N= 24.57kN＜109.77kN，由于由截面混凝土提供的抗剪強度不滿足要求，故需要減小錨固樁承擔的水平剪力，在鋼套箱頂部需要設置錨索，并使錨索承擔的水平荷載為水平荷載的66.6%（因流水壓力呈倒三角分布，上部的流水壓力較大），則由底部錨固樁承擔的水平剪力為0.333×1317.23=438.65kN；

由于水流壓力為動水壓力，故需要提高錨固樁的承載力，增加底部錨固樁的數量，在迎水面設置20根直徑15cm的錨固樁，箍筋按照I級鋼筋，直徑8mm，間距100mm配置。

樁的入土深度需要按照錨固樁承擔的彎矩計算，由于錨固樁主要承受剪力，彎矩不好確定，按照構造確定其錨固深度。錨固深度需大于其在地基之上的高度。

2.2.3整體穩定性［11］

套箱穩定性最不利工況是：鋼套箱已下沉至河床，但還沒有澆筑封底混凝土。此時作用在鋼套箱上的荷載有鋼套箱自重、靜水壓力和流水壓力。

流水壓力產生的傾覆力矩Mq為10939kN·m，鋼套箱自重產生的抵抗力矩Md為13698kN·m，故穩定系數為：

此時的傾覆穩定系數較小，需要在鋼套箱頂部設置錨固鋼絲繩，或者在迎水面的鋼圍堰面上設置配重。若設置配重，則配重數量為：

若要求穩定系數大于2，需要在迎水面鋼圍堰處設置59.2t的配重。若穩定系數要求1.5，則配重為17.6t。

若在鋼套箱頂設置錨索，則所有迎水面設置的錨索提供的水平力需大于700kN。

建議鋼套箱下沉到位后［9］，利用砂袋或鋼構件懸吊在迎水面上，在封底混凝土澆筑后，卸除配重。

2.3結果

1）鋼套箱下沉到位的同時，需在鋼套箱頂部設置拉索，拉索承受的荷載需大于700kN；鋼套箱底部設置20根直徑15cm的錨固樁，以承擔流水壓力對鋼套箱的水平力，按照此布置的鋼套箱強度滿足要求；

2）豎向肋與內支撐連接處應力比較集中，應做局部加固處理；

3）為滿足傾覆穩定性要求，需在鋼套箱頂部設置錨索或在迎水面的套箱處設置配重。

3　結束語

由上述結論可以看出，采用有限元程序可以對橋梁鋼套箱圍堰結構進行三維整體仿真計算，能夠較好直觀地模擬圍堰的受力情況，與平面結構計算相比更符合實際的工況，方法更合理更可靠。工程實踐也表明該方法的計算結果完全可以滿足施工要求，可為類似工程的設計檢算提供參考和借鑒。

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