鋼板樁圍堰支撐方案變更計算分析

陳青華，劉信，朱坦，孫輝

（1.阜陽市重點工程建設管理局，安徽　阜陽　236000；2.合肥工業大學，安徽　合肥　230009；3.霍山縣路燈管理所，安徽　六安　237200）

鋼板樁圍堰支撐方案變更計算分析

陳青華1，劉信2，朱坦2，孫輝3

（1.阜陽市重點工程建設管理局，安徽阜陽236000；2.合肥工業大學，安徽合肥230009；3.霍山縣路燈管理所，安徽六安237200）

鋼板樁圍堰的支撐體系空間的布置，對圍堰的變形和受力有著較大的影響，其合理與否直接影響著結構和施工的安全性。以在建的阜陽市東環路潁河大橋為工程背景，計算了圍堰受到的水壓力和土壓力，建立有限元模型，對兩種支撐體系設計方案進行計算和對比分析，驗算結構的變形和受力，驗證了改進方案的可行性。

鋼板樁圍堰；支撐；圍囹；土壓力

0　引言

鋼板樁圍堰作為一種比較成熟的橋梁深水基礎施工的圍堰方式，當前在我國已被廣泛應用。單排鋼板樁圍堰，其內部由多道支撐進行支護，工序復雜，支撐的數量和布置位置對圍堰的受力和施工難度有著較大的影響。本文結合某潁河大橋鋼板樁圍堰支撐布置方案的變更，計算分析新方案的可行性，可為類似工程提供參考依據。

1　工程概況

在建潁河大橋圍堰的設計承臺斷面尺寸為（長）34m×（寬）14m×（高）5m，圍堰尺寸為36m×16m，采用長為24m拉森FSPIV型鋼板樁，施工常水位為24.500m，河床標高為21.500m，樁底標高為2.500m。

原設計方案中，共布置7根支撐和圍囹，因現場施工需要，后改為現在的6根支撐和圍囹布置方案，變更前后支撐布置方案如圖1、圖2所示。

2　土壓力計算

目前的鋼板樁圍堰設計計算中，大多采用土體與圍堰結構分離的簡化計算方法，作用在鋼板樁圍堰外側的土壓力通常采用朗肯主動土壓力，內側通常采用朗肯被動土壓力。由于朗肯理論假定墻-土之間無摩擦，故土壓力方向垂直指向鋼板樁板身。

圖1　原設計方案鋼板樁圍堰里面布置圖

圖2　現設計方案鋼板樁圍堰里面布置圖

本文只考慮最后一個施工工況：所有支撐安裝完畢后，圍堰內繼續抽水吸泥至設計標高（原方案為8.259m，現方案為8.759m）。封底混凝土標高以下樁身，近似考慮為完全固結，故樁身內部的被動土壓力不進行計算，只計算樁身外部的主動土壓力。

粘性土朗肯土壓力計算公式為：

土壓力分布如圖3所示。

圖3　土壓力分布圖

3　鋼板樁圍堰有限元模型

在該大橋鋼板樁圍堰模擬分析中，圍堰用MIDAS/CIVIL中的殼單元來模擬，圍囹和支撐采用梁單元進行模擬。荷載用計算得到的主動土壓力以面荷載的形式加到殼單元上面，封底混凝土標高以下圍堰用全固結邊界條件模擬。如圖4、圖5所示。

圖4　現設計方案鋼板樁圍堰有限元模型

圖5　原設計方案鋼板樁圍堰有限元模型

4　鋼板樁圍堰計算分析

4.1樁身變形對比分析

分別計算鋼板樁在該工況下，沿X方向（縱橋向）和Y方向（橫橋向）的變形值，如圖6、圖7所示。

圖6　現設計方案鋼板樁沿X方向變形

圖7　現設計方案鋼板樁沿Y方向變形

分析可知，在該工況下，原設計方案X方向、Y方向的最大變形值分別為9.58mm、8.13mm，現設計方案X方向、Y方向的最大變形值分別為 9.99mm、7.66mm，變形最大值都發生在圍堰中間位置。方案改進后，X方向變形值變大，而Y方向變形值卻有所減小。兩種方案都是X方向變形值大于Y方向變形值，均小于樁身允許變形，故兩種方案都符合要求。

4.2圍囹和支撐變形對比分析

分別計算圍囹和支撐在該工況下，沿X方向（縱橋向）和Y方向（橫橋向）的變形值，如圖8、圖9所示。

圖8　現設計方案圍囹和支撐沿X方向變形

圖9　現設計方案圍囹和支撐沿Y方向變形

分析可知，在該工況下，原設計方案X方向、Y方向的最大變形值分別為9.56mm、7.76mm，現設計方案X方向、Y方向的最大變形值分別為 9.63mm、7.66mm，變形最大值都發生在圍堰中間位置。方案改進后，X方向變形值變大，而Y方向變形值卻有所減小。兩種方案都是X方向變形值大于Y方向變形值，均小于樁身允許變形，故兩種方案都符合要求。

4.3樁身應力計算

該工況下，樁身的應力計算結果如圖10所示。

圖10　樁身應力分布圖

由圖10可知，在該工況下，原設計方案最大應力值為8.67MPa，現設計方案最大應力值為7.95MPa，方案改進后，最大應力值有所減小。最大值均出現在靠近承臺底端中間位置處。應力均遠小于鋼材的容許應力200MPa，故鋼圍堰鋼板樁結構處于安全狀態。

4.4圍囹和支撐應力計算

該工況下，圍囹和支撐的應力計算結果如圖11所示。

圖11　圍囹和支撐應力分布圖

由圖11可知，在該工況下，原設計方案圍囹和支撐的最大壓應力值為36.3MPa，最大拉應力值為30.1MPa，現設計方案最大壓應力值為35.2MPa，最大拉應力值為29.7MPa。方案改進后最大拉應力值和壓應力值均有所減小。應力均遠小于鋼材的容許應力200MPa，故圍囹和支撐結構處于安全狀態。

5　結論

①通過計算分析，方案改進后，樁身、圍囹和支撐的X方向（縱橋向）變形值有所變大，而Y方向（橫橋向）變形值有所減小；樁身最大應力值有所減小；圍囹和支撐的拉應力值和壓應力值均有所減小，但變化不大。

②兩種支撐和圍囹布置方案的變形值和應力值均符合規范要求，鋼板樁圍堰結構均處于安全狀態。

③現方案采用的是6道支撐和圍囹，較原設計方案數量有所減小，節省了原材料，降低了成本；同時減少了施工工序，更利于施工的組織進行；受力和變形仍滿足規范要求。故此變更方案更便于施工，是合理可行的。

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U445.55+6

B

1007-7359（2016）04-0140-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.056

陳青華（1978-），男，安徽阜陽人，畢業于同濟大學，本科，工程師。