復(fù)雜地質(zhì)情況下組合鋼圍堰受力性能研究

魏 謙，易明清，聶寧波，李 龍，牛俊杰

(中鐵十五局集團(tuán)第一工程有限公司 西安市 710000)

0 引言

隨著橋梁建設(shè)數(shù)量的不斷增加，在橋基建設(shè)當(dāng)中，為創(chuàng)造合適的施工條件，鋼圍堰越來越多地被運(yùn)用在橋梁基礎(chǔ)建設(shè)當(dāng)中。相關(guān)學(xué)者也對(duì)其進(jìn)行了一系列研究，例如：夏爭(zhēng)志等[1]對(duì)深水大直徑雙壁鋼圍堰的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)進(jìn)行了研究，李剛等[2]依托實(shí)際工程對(duì)鎖扣鋼管樁圍堰的施工進(jìn)行了詳細(xì)分析。張程然等[3]對(duì)臨港長(zhǎng)江公鐵兩用大橋3號(hào)墩組合圍堰施工過程中的應(yīng)力、變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析。

由于每個(gè)工程所處地質(zhì)情況的不同，鋼圍堰方案的選擇也會(huì)有所區(qū)別。因此需要根據(jù)工程地質(zhì)情況、施工條件等等原因選擇合適的圍堰方案，是圍堰施工的前提。由于圍堰施工過程中可能會(huì)遇到各種問題，尤其受力、變形情況是監(jiān)控圍堰施工安全的重點(diǎn)，可通過模擬鋼圍堰在各個(gè)施工階段的受力、變形狀態(tài)，對(duì)圍堰施工安全進(jìn)行監(jiān)測(cè)。因此，根據(jù)該工程復(fù)雜地質(zhì)情況對(duì)擺宴壩大橋鋼圍堰方案進(jìn)行了選擇、并對(duì)其各施工階段驗(yàn)算分析，保證了鋼圍堰施工安全，并為今后類似條件下的鋼圍堰施工提供了參考。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

廣元市擺宴壩嘉陵江大橋工程主路線長(zhǎng)2.672km，路線主線起于省道205線，自南向北展線，通過新建橋梁跨嘉陵江，盤石濱江路及京昆高速，止于國(guó)道108線平交處，其中橋梁長(zhǎng)1422.3m?？缃鳂?yàn)?49m+133m獨(dú)塔雙索面斜拉橋，塔高130.395m。主橋結(jié)構(gòu)形式采用獨(dú)塔、雙面索、密索體系、預(yù)應(yīng)力混凝土箱型主梁、塔梁墩固結(jié)體系結(jié)構(gòu)。全橋主梁標(biāo)準(zhǔn)段索距為6m，邊跨壓重段索距為4m。

1.2 水文地質(zhì)

2 圍堰方案比選

橋梁工程中常用圍堰形式主要包括雙壁鋼圍堰、鋼板樁圍堰、鎖口鋼管樁圍堰、鋼套箱圍堰等，而本工程借鑒塞爾維亞澤蒙大橋主橋[4]采用的圍堰形式，結(jié)合本工程地質(zhì)條件、經(jīng)濟(jì)情況等，通過綜合比較各個(gè)圍堰形式的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示，最終選用了組合鋼管樁圍堰—PC工法組合鋼管樁的圍堰形式。PC的含義是Pipe-Combination(鋼管樁組合)，是通過鎖扣對(duì)鋼管樁和一個(gè)或多個(gè)拉森鋼板樁進(jìn)行連接形成的結(jié)構(gòu)形式。

表1 圍堰方案對(duì)比

該圍堰結(jié)構(gòu)，結(jié)合了拉森鋼板樁和鋼管樁的優(yōu)點(diǎn)，通過鋼管樁與拉森鋼板樁的連接形成一個(gè)整體的鋼質(zhì)連續(xù)墻，整體穩(wěn)定性好。并且鋼管樁具有較強(qiáng)的抗彎性和抗斷性，鋼管樁可通過工廠統(tǒng)一生產(chǎn)，其質(zhì)量可控，能夠降低人工和地質(zhì)等原因造成的施工誤差。組合后的結(jié)構(gòu)體系，充分利用了鋼管的抗彎、拉森鋼板的止水、內(nèi)支撐拉、彎、壓等材料的特性，形成了組合式圍堰體系。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、施工設(shè)備簡(jiǎn)單、施工速度較快、拆除方便，鋼材回收率高，可周轉(zhuǎn)使用。既能滿足工程施工要求，又節(jié)省經(jīng)濟(jì)。

3 組合鋼圍堰簡(jiǎn)介

主橋主墩承臺(tái)尺寸2m×17m×17m，中間采用17m×12.5m×5m系梁連接，圍堰采用C9鎖扣樁+拉森4鋼板樁組合的圍堰形式。圍堰平面尺寸57.716m×20.32m，共設(shè)136根拉森4鋼板樁和136根C9鎖扣樁，第一層圍檁系統(tǒng)采用2HN600×200型鋼(Q235b鋼)；第二層圍檁系統(tǒng)采用2HN700×300型鋼(Q235b鋼)；第三層圍檁系統(tǒng)采用3HN700×300型鋼(Q235b鋼)；第四層圍檁系統(tǒng)采用3HN700×300型鋼(Q235b鋼)。圍堰內(nèi)支撐鋼管采用Φ710×10mm+Φ630×8mm以上鋼管，材質(zhì)均為Q235b鋼。圍堰圍檁加勁板采用t=10mm鋼板，圍檁對(duì)接鋼板采用t=10mm鋼板，材質(zhì)均采用Q235b鋼。圍堰封底混凝土采用C25混凝土，封底厚度1m。圍堰鎖扣連接圖與立面圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 圍堰鎖扣連接圖

圖2 圍堰立面布置圖

4 鋼圍堰結(jié)構(gòu)受力分析

4.1 圍堰整體有限元建模

通過MIDAS Civil軟件建立整體有限元模型如圖3所示，鋼管樁、拉森鋼板、內(nèi)支撐均采用梁?jiǎn)卧M，整個(gè)結(jié)構(gòu)共劃分7108個(gè)節(jié)點(diǎn)、6932個(gè)單元。圍堰受力狀態(tài)，外側(cè)采用主動(dòng)土壓、水壓加載，內(nèi)側(cè)采用彈性地基梁(M值)模擬。

圖3 圍堰模型

4.2 土壓力、水壓力計(jì)算參數(shù)

圍堰處地質(zhì)主要為人工填土，圓礫、細(xì)砂巖回填料為小顆粒卵石，詳細(xì)土層參數(shù)表如表2所示。

表2 土層參數(shù)

其中Ka：主動(dòng)土壓力系數(shù)，Ka=tan2(45°-φ/2),φ為土內(nèi)摩擦角；

Kp：被動(dòng)土壓力系數(shù)，Kp=tan2(45°+φ/2)，φ

為土內(nèi)摩擦角(圍堰插打時(shí)主要穿過人工填土，圓礫層采用水土分算進(jìn)行，細(xì)砂巖層按水土合算)。

水壓力P=rh

式中：r—水容重，取10kN/m3；

h—水深，水壓呈三角荷載分布。

4.3 各工況下的受力分析結(jié)果

4.3.1帷幕受力分析結(jié)果

根據(jù)實(shí)際工程施工過程，設(shè)計(jì)計(jì)算主要分為5個(gè)施工階段。

CS1：圍堰內(nèi)首次開挖至第一層圍檁下0.5m，圍堰內(nèi)外土基本平衡，固可不做驗(yàn)算。

CS2：安裝第一層圍檁內(nèi)支撐，基坑內(nèi)開挖至第二層圍檁下0.5m。

CS3：安裝第二層圍檁內(nèi)支撐，基坑內(nèi)開挖至第三層圍檁下0.5m。

CS4：安裝第三層圍檁內(nèi)支撐，基坑內(nèi)開挖至第四層圍檁下0.5m。

CS5：安裝第四層圍檁內(nèi)支撐，基坑內(nèi)開挖至封底。

根據(jù)施工階段，建立有限元模型分別對(duì)各施工階段下組合鋼管樁圍堰帷幕剛度、強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)研究分析，帷幕最不利位置出現(xiàn)在長(zhǎng)邊中間位置處的鋼板樁上，因此選取帷幕長(zhǎng)邊中間的鋼板樁為研究對(duì)象，如圖4所示。

圖4 研究對(duì)象位置

CS1工況下，圍堰內(nèi)外土基本平衡，固可不做驗(yàn)算。

CS2工況下，帷幕最大彎矩、最大應(yīng)力和最大變形如圖5所示。

圖5 CS2工況下帷幕最大彎矩(kN·m)、最大應(yīng)力(MPa)、最大變形(mm)

CS3工況下，帷幕最大彎矩、最大應(yīng)力和最大變形如圖6所示。

圖6 CS3工況下帷幕最大彎矩(kN·m)、最大應(yīng)力(MPa)、最大變形(mm)

CS4工況下，帷幕最大彎矩、最大應(yīng)力和最大變形如圖7所示。

圖7 CS4工況下帷幕最大彎矩(kN·m)、最大應(yīng)力(MPa)、最大變形(mm)

CS5工況下，帷幕最大彎矩、最大應(yīng)力和最大變形如圖8所示。

圖8 CS5工況下帷幕最大彎矩(kN·m)、最大應(yīng)力(MPa)、最大變形(mm)

各施工階段帷幕最大彎矩、最大應(yīng)力和最大變形匯總數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 圍堰帷幕各施工階段最大應(yīng)力、最大變形和最大彎矩

由表3可知，圍堰帷幕最大應(yīng)力出現(xiàn)在CS5，最大應(yīng)力值為142.17MPa，小于Q235鋼的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值190MPa；帷幕最大變形出現(xiàn)在CS5，最大變形為12.53mm，小于帷幕設(shè)計(jì)允許變形值δ=L/400=24000/400=60mm，因此PC工法組合鋼管樁圍堰帷幕強(qiáng)度和剛度滿足施工要求。

4.3.2內(nèi)支撐受力分析結(jié)果

根據(jù)有限元模型計(jì)算分析，圍堰內(nèi)支撐最不利受力情況出現(xiàn)在CS5工況下，其內(nèi)支撐最大應(yīng)力出現(xiàn)在圍堰第四層圍檁短邊位置處，因此選取該工況下第四層圍檁短邊為研究對(duì)象，其第四層圍檁整體應(yīng)力圖和短邊圍檁最大應(yīng)力圖分別如圖9、圖10所示。

圖9 CS5工況下第四層圍檁整體應(yīng)力(單位：MPa)

圖10 CS5工況下第四層圍檁短邊最大應(yīng)力(單位：MPa)

由圖9、圖10可知，圍堰內(nèi)支撐最不利受力情況下的第四層圍檁最大組合應(yīng)力為σmax=185.22MPa，小于Q235型鋼的許用應(yīng)力[σ]=215MPa，因此圍堰內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度滿足施工要求。

5 結(jié)論

根據(jù)本工程的復(fù)雜地質(zhì)、施工、經(jīng)濟(jì)等條件，對(duì)比各圍堰方案優(yōu)缺點(diǎn)，比選結(jié)果表明PC工法組合鋼管樁圍堰方案最適合該工程，因此采用PC工法組合鋼管樁圍堰進(jìn)行工程施工，并通過建立MIDAS有限元模型對(duì)其圍堰形式進(jìn)行計(jì)算分析，分析結(jié)果表明圍堰的強(qiáng)度、剛度在各個(gè)施工階段下均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)施工過程安全可靠。