圓形鋼護筒臨時存放受力性能研究

于文杰，謝曉鵬，高 波，楊 露

(1.鄭州航空工業管理學院 土木建筑學院，河南 鄭州 450046；2.江蘇省交通工程集團有限公司，江蘇 鎮江 212100；3.河南工程學院 土木工程學院，河南 鄭州 451191)

1 工程背景

南村黃河特大橋是澠垣高速上的控制性節點工程，大橋呈南北走向，全長約1 727.6 m，總寬33 m，單幅橋寬16.25 m，幅間凈距0.5 m。全橋跨徑布置為：(1×30.6)m+(60+13×100+60)m+(9×30)m，其中主橋部分為15孔一聯，總長1 420 m。

由于本工程處于小浪底庫區，水位深、變化大，為減少深水施工的投入與風險，P3～P16主墩設計采用超大直徑樁基礎，樁、柱一體式的下部結構，主墩承臺下設置4根(2×2布置)直徑2.5 m樁基礎，橫橋向樁間距為6.25 m，順橋向間距為5.0 m。為方便下部結構施工，P4～P16主墩所有高程+276 m以上部分墩身采用模板施工，直徑為2.8 m，混凝土標號C40，+276 m以下至樁頂部分墩身采用鋼護筒施工，鋼護筒為永久性結構，設計護筒進入沖止標高以下，具體進入長度可根據實際地質情況確定，此段墩身混凝土采用C40水下混凝土。墩身鋼護筒采用Q345C鋼材制作，內徑設計為3.0 m，壁厚25 mm，其技術指標符合《低合金高強度結構鋼》(GB/T 1591-2008)。

單根樁基鋼護筒+210.0 m→+276.0 m總長66 m，需分段輸運至施工現場，鋼護筒數量多、體積大，需要在施工現場備用大面積的空曠區域，由于場地限制，施工現場的鋼護筒只能堆疊放置，當堆疊過高時，最下面一層的鋼護筒首先因其上鋼護筒的重量，擠壓變形甚至因上部荷載過大產生不可恢復的塑性變形，影響后續樁基礎的施工。本文主要研究是的最下層鋼護筒在在可允許的變形范圍內最多可堆放幾層護筒。

2 有限元模擬

2.1 參數設置

本文采用ansys模擬，鋼護筒采用shell63單元模擬。Shell63號單元為板殼單元，既具有彎曲能力又具有膜力，可以承受平面內荷載和法荷載；本單元每個節點具有6個自由度：沿節點坐標系X、Y、Z方向的平東和沿節點坐標系X、Y、Z的轉動，應力鋼化和大變形能力已經考慮其中，可以模擬板殼的平面膜應力和平面彎曲。

鋼護筒材料參數如表1所示。鋼護筒放置在地面，有限元模擬時，鋼護筒圓心為坐標原點，豎直向上為Y軸正向，水平向右為X軸正向，垂直向紙面向外為Z軸正向，如圖1所示，將y=-1.5 m的節點，進行全約束，將力加載于y=1.5 m的節點，如圖2所示。

表1 鋼護筒有限元參數

圖1 有限元模型坐標系示意圖

圖2 鋼護筒有限元模型及約束和加載方式示意圖

2.2 工況設置

本文共設置四種工況，工況一為放置兩層鋼護筒，工況二為放置三層鋼護筒，工況三為放置四層鋼護筒，工況四為放置五層鋼護筒，每種工況同時分析鋼護筒長度的對目標參數的影響。在有限元模擬時，不同工況可通過改變節點加載力的大小來實現，可通過計算鋼護筒的總合力平均分配到鋼護筒頂部節點上，如表2所示。

表2 不同工況節點力

3 結果分析

3.1 豎向變形分析

如圖3所示，為鋼護筒單段長度為6 m時，放置不同層數鋼護筒最底層鋼護筒豎向位移云圖，圖(a)是放置兩層鋼護筒時底層鋼護筒豎向位移云圖，最大豎向位移為-4.597 7 cm；圖(b)是放置三層鋼護筒時底層鋼護筒豎向位移云圖，最大豎向位移為-7.681 5 cm，圖(c)是放置四層鋼護筒時底層鋼護筒豎向位移云圖，最大豎向位移為-10.765 2 cm，圖(d)是放置五層鋼護筒時底層鋼護筒豎向位移云圖，最大豎向位移為-13.848 9 cm，從位移云圖分布狀況可知，最大位移均位于鋼護筒頂部，最小位移均位于鋼護筒底部與地面接觸的位置，隨著層數的增多，底層的鋼護筒承受壓力越來越大，其豎向變形也越大。

圖3 鋼護筒豎向位移云圖

如表3所示，鋼護筒長度不同時，放置不同層數鋼護筒最底層鋼護筒豎向位移極值表。分析表1中數據堆疊層數(高度)對底層護筒的豎向位移值影響很大，隨著堆疊層數的增加，豎向位移增大。護筒長度對底層豎向位移值的影響較小，隨著護筒長度的增加，其最大豎向位移值略微減小。

表3 底層鋼護筒最大豎向位移值/cm

3.2 水平向變形分析

如圖4所示，單段長度為6 m時放置不同層數鋼護筒最底層鋼護筒水平向位移云圖，放置2層時底層護筒水平向最大位移值為2.104 9 cm(圖a)；放置3層時底層護筒水平向最大位移值為3.513 8 cm(圖b)；放置4層時底層護筒水平向最大位移值為4.922 8 cm(圖c)；放置5層時底層護筒水平向最大位移值為6.331 7 cm(圖d)；從位移云圖分布狀況可知，最大位移均在鋼護筒中間部位，最小位移均在豎向頂部和底部，層數越多其水平向變形也越大。

表4 底層鋼護筒最大水平向位移值/cm

如表4所示，鋼護筒長度不同時，放置不同層數鋼護筒最底層鋼護筒水平位移極值表。分析表2中數據堆疊層數(高度)對底層護筒的豎向位移值影響很大，隨著堆疊層數的增加，豎向位移增大。護筒長度對底層豎向位移值的影響較小，隨著護筒長度的增加，其最大水平位移值略微減小。

圖4 鋼護筒水平向位移云圖

3.3 應力分析

材料(鋼材)處于復雜應力狀況時判定材料是否進入塑性階段通常采用米塞斯應力指標，米塞斯應力(Mises應力)是一種折算應力，折算依據為能量強度理論，即第四強度理論。在三向應力(立體應力)作用下，Mises應力可按下式計算：

圖5 鋼護筒米塞斯應力云圖

如圖5所示，單段長度為6 m時放置不同層數鋼護筒最底層鋼護筒塞斯應力云圖，放置2層時底層護筒應力最大值為135 MPa(圖a)；放置3層時底層護筒應力最大值為214 MPa(圖b)；放置4層時底層護筒應力最大值為292 MPa(圖c)；放置5層時底層護筒應力最大值為381 MPa(圖d)，鋼護筒頂部和頂部局部已經發生屈服；從應力云圖分布狀況可知，最大應力均位于鋼護筒豎向頂部中心和底部中心。隨著堆疊層數的增加，米塞斯應力極值隨之增大。

如表5所示，鋼護筒長度不同時，放置不同層數鋼護筒最底層鋼護筒米塞斯應力極值表。分析表3中數據堆疊層數(高度)對底層護筒的米塞斯應力值影響很大，隨著堆疊層數的增加，米塞斯應力增大。當放置5層時，最底層鋼護筒局部屈曲，產生破壞導致不能使用，護筒長度對底層豎向位移值的影響較小，隨著護筒長度的增加，其最大水平位移值略微減小。

表5 底層鋼護筒米塞斯應力最大值/MPa

4 結 論

本文針對鋼護筒堆放問題，采用ansys模擬，研究了鋼護筒的承載特性，并得到如下結論：

(1)隨著堆放層數的增多，底層的鋼護筒承受壓力越來越大，其豎向變形也越大，節點最大位移均位于鋼護筒頂部，最小位移均位于鋼護筒底部與地面接觸的位置，護筒長度對底層節點豎向位移值的影響較小，隨著護筒長度的增加，節點最大豎向位移值略微減小。

(2)隨著堆放層數的增多，底層的鋼護筒承受壓力越來越大，其水平向變形也越大。節點最大位移均位于鋼護筒中間部位，節點最小位移均位于鋼護筒頂部和底部節，護筒長度對底層節點豎向位移值的影響較小，隨著護筒長度的增加，節點最大豎向位移值略微減小。

(3)隨著堆放層數的增多，底層的鋼護筒承受壓力越來越大，隨著堆疊層數的增加，米塞斯應力極值隨之增大。最大應力均位于鋼護筒頂部和底部，且堆放5層時，鋼護筒豎向頂部和底部局部已經發生屈。