瑯岐特大橋2 號橋工字型鋼套箱結構受力性能分析

■張小聰

（福州沈海復線高速公路有限公司，福州 350005）

瑯岐特大橋2 號橋承臺采用鋼套箱施工，該施工方法整體性強、穩定性好、能承受較大的豎向荷載和水平荷載[1]，但耗時較久，工序復雜，并隨著時間的推移，荷載和邊界條件也會隨之改變，因此需要對其進行鋼套箱力學分析。 分析最不利條件下鋼套箱的受力情況， 確定合理的施工工況是鋼套箱力學分析的重中之重。 根據經驗，鋼套箱的計算工況一般分為鋼套箱起吊下放工況、 鋼套箱下沉到位工況、鋼套箱澆筑混凝土工況、鋼套箱內抽水階段工況和承臺混凝土澆筑工況[2]。結合相關文獻[3-5]中鋼套箱的施工技術與受力分析，本文重點分析了不同工況下鋼套箱的剛度、強度、穩定性是否滿足設計要求， 和不同工況下鋼套箱受力最不利位置。

1 工程概述

瑯岐特大橋橋型布置為：2 （3×30 m）T 梁+11（4×40）T 梁+（55+2×100+55）連續箱梁+3×35 m T 梁橋。 瑯岐特大橋2#橋主橋位于長樂市潭頭鎮附近，橋梁上跨閩江梅花水道，梅花水道是閩江分洪入海主要汊道之一。 橋址河道狹窄，略彎曲，寬約1 km；北岸為凸岸，南岸為凹岸，附近河床穩定。 實測最高潮位+3.52 m、 實測最低潮位－2.1 m、 平均高潮位+2.6 m、平均低潮位－1.6 m、最大潮差5.3 m、平均潮差1.7 m。 瑯岐特大橋2 號橋22#～54# 墩位于閩江水中， 涉及的水中承臺尺寸有3 種， 其中22#～46#墩承臺為長12.5 m，寬7.5 m，厚度2.5 m 的啞鈴型結構。 承臺鋼套箱圍堰結構采用如下設計：砼底板結構采用6 根雙拼I40b 工字鋼做分配梁，上鋪混凝土（標號C25、C30）預制板，預制板鋼筋上下兩層布置，上層為φ12 螺紋鋼，間距150 mm×150 mm；下層為φ16 螺紋鋼，間距150 mm×150 mm。 底板共分為3 塊，底板與鋼護筒孔洞周圍空隙通過環形鋼蓋板（10 mm 厚）封堵。

側模采用6 mm 厚鋼板為面板，I16 工字鋼做豎肋（間距350 mm），采用2-I40 主梁（上下兩層）焊接于模板外側作為主要支撐梁系， 內側采用交叉的Φ377×8 mm 鋼管作為內支撐。鋼套箱結構如圖1所示。

圖1 鋼套箱結構圖

2 有限元模型

2.1 模型建立

為計算鋼套箱在不同施工工況下的剛度、強度及整體穩定性能否滿足要求， 本文采用ABAQUS/CAE 有限元軟件建立鋼套箱模型進行分析。鋼套箱面板、底板和型鋼、支撐鋼管采用殼單元模擬，封底混凝土采用實體單元模擬，支撐對拉桿采用梁單元模擬，鋼套箱有限元整體模型見圖2。

圖2 鋼套箱有限元模型

2.2 荷載及工況

鋼套箱在施工時承受的荷載主要有模板自重、封底混凝土重、浮力、靜水壓力、漲落潮壓力、新筑混凝土對側模的壓力、水流荷載和風荷載等，一般將最不利荷載進行組合來進行不同工況下鋼套箱的受力分析。

在進行有限元分析時，根據鋼套箱的施工流程分別考慮整體起吊下放、下沉到位、澆筑封底混凝土、鋼套箱抽水、承臺混凝土澆筑共5 個工況下鋼套箱的受力性能。 5 個工況下的荷載組合如圖3 所示。 鋼套箱下沉到位后，限制工字鋼分配梁底部的轉角和位移；澆筑封底混凝土時，考慮最不利條件，將混凝土預制板底模搭接在分配梁上。 鋼套箱抽水后，不能維持內外水壓力平衡，外部收到靜水壓力的影響，為最不利工況。 因此，限于篇幅，本文有限元分析時主要介紹澆筑封底混凝土、鋼套箱抽水和承臺混凝土澆筑3 個工況下鋼套箱受力性能及穩定性驗算結果。

圖3 不同工況下的荷載組合

其中，澆筑封底混凝土工況作用在鋼套箱上的荷載主要有風荷載、水流力和封底混凝土的壓力和自重。 該工況計算簡圖如圖4 所示。 水流力和風荷載作用在長邊所處的一個壁板上（x 方向），封底混凝土的壓力作用于內壁板。

圖4 澆筑封底混凝土工況計算簡圖

鋼套箱內抽水工況與澆筑封底混凝土工況相比減少了封底混凝土的壓力和自重，增加了抽水后產生的靜水壓力， 靜水壓力作用在四周外壁板上，計算簡圖如圖5 所示。

圖5 鋼套箱內抽水工況計算簡圖

承臺混凝土澆筑工況除增加了承臺混凝土重量和混凝土對內壁板的壓力外，其他荷載均與鋼套箱內抽水工況相同，其計算簡圖如圖6 所示。

圖6 承臺混凝土澆筑工況計算簡圖

3 有限元結果分析

3.1 澆筑封底混凝土工況

3.1.1 剛度

在澆筑封底混凝土工況荷載作用下，鋼套箱壁板在x 向最大位移為1.7 mm（圖7），沿水流力和風荷載加載方向，y 向最大位移為0.31 mm， 沿壁板外法向。 因此，最大位移為1.7 mm，小于容許值L/500=26 mm，剛度滿足要求。

圖7 鋼套箱內澆筑封底混凝土工況x 方向變形情況

3.1.2 應力

在澆筑封底混凝土工況荷載作用下，鋼套箱預制混凝土底板最大應力為拉應力0.9 MPa， 小于混凝土容許應力； 壁板最大應力為壓應力16.3 MPa，圈梁最大應力為壓應力10.9 MPa，均小于鋼材的容許應力。 由此可見，在鋼套箱內澆筑封底混凝土工況荷載作用下，鋼套箱的強度設計滿足要求。

3.1.3 穩定性

運用ABAQUS 對鋼套箱整體結構進行特征值屈曲分析，采用Lanczos 法進行特征值求解，求解結果如圖8 所示。 在鋼套箱內澆筑封底混凝土工況荷載作用下， 較長的鋼管內支撐會先發生屈曲失穩，屈曲荷載為屈曲特征值與所加荷載的乘積，第一模態對應的特征值即最小的穩定安全系數為257.4，滿足規范大于4 的要求，鋼套箱不會發生屈曲失穩。

圖8 鋼套箱整體屈曲模態

3.2 鋼套箱內抽水工況

3.2.1 剛度

在鋼套箱內抽水工況荷載作用下，鋼套箱壁板在x 向最大位移為3.6 mm，沿水流力和風荷載加載方向，y 向最大位移為4.2 mm （圖9）， 沿壁板外法向；鋼管內支撐位移基本為0。鋼套箱壁板最大位移也為4.2 mm，小于容許值L/500=26 mm，剛度滿足要求。

圖9 鋼套箱內抽水工況y 方向變形

3.2.2 應力

在鋼套箱內抽水工況荷載作用下，鋼套箱預制混凝土底板最大應力為拉應力2.0 MPa， 封底混凝土最大應力為拉應力0.3 MPa， 均小于各自的混凝土容許應力； 壁板最大應力為壓應力67.7 MPa，圈梁最大應力為壓應力28.2 MPa，鋼管內支撐最大應力為壓應力61.4 MPa（圖10），均小于鋼材的容許應力。 由此可見，在鋼套箱內抽水工況荷載作用下，鋼套箱的強度設計滿足要求。 從以上各部件的應力可以看出，鋼管內支撐的應力較大，說明鋼管內支撐為鋼套箱整體受力較薄弱的部件，在施工時應加強對鋼管內支撐的受力監測。

圖10 鋼管內支撐應力云圖

3.2.3 穩定性

運用ABAQUS 對鋼套箱整體結構進行特征值屈曲分析，采用Lanczos 法進行特征值求解，求解結果如圖11 所示。 在鋼套箱內抽水工況荷載作用下，較長的鋼管內支撐會先發生屈曲失穩，屈曲荷載為屈曲特征值與所加荷載的乘積，第一模態對應的特征值即最小的穩定安全系數為110.1， 滿足規范大于4 的要求，鋼套箱不會發生屈曲失穩。

圖11 鋼套箱整體屈曲模態

3.2.4 抗浮

在鋼套箱抽水階段，需要對鋼套箱的抗浮穩定性進行驗算，應滿足鋼套箱自重+封底混凝土自重+握裹力>浮力。

鋼套箱自重為875 kN， 封底混凝土自重為1655 kN，封底混凝土與鋼護筒之間的粘結力參照美國石油協會編寫的《海上固定平臺的規劃、設計和建設—應力設計手冊》[6]給出的計算方法，有剪力鍵時，計算鋼管與封底混凝土的粘結強度采用如下公式：

式（1）中，fcu為混凝土抗壓強度設計值（MPa）；h 為剪力鍵突出尺寸（mm）；s 為剪力鍵豎向間距（mm）。由于該工程中鋼護筒上的剪力鍵僅設置一層，現簡化計算公式，鋼護筒與封底混凝土的粘結力只取式（1）的第一項0.184 MPa，該取值仍比較保守。 封底混凝土與鋼護筒的接觸總面積為S=4×π×2.1×1.5=40 m2， 因此封底混凝土與鋼護筒之間的握裹力為0.184×40×1000=7360 kN。 當處于設計高水位時，鋼套箱受的浮力最大， 為抗浮穩定性的最不利工況，浮力為：10×12.5×7.5×5.5=5156 kN。

由于， 鋼套箱自重+封底混凝土自重+握裹力=875+1655+7360=9890 kN>5156kN， 抗浮安全系數K=9890/5156=1.9，因此抗浮穩定性滿足要求。

3.3 承臺混凝土澆筑工況

3.3.1 剛度

在承臺混凝土澆筑工況荷載作用下，鋼套箱壁板在x 向最大位移為0.6 mm，沿水流力和風荷載加載方向（圖12），y 向最大位移為0.3 mm，沿壁板外法向；鋼管內支撐位移基本為0。與鋼套箱內抽水工況相比，承臺混凝土的澆筑對鋼套箱內壁板產生壓力，可以平衡一部分靜水壓力，因此，本工況各部件的位移相對較小，鋼套箱的剛度滿足要求。

圖12 承臺混凝土澆筑工況x 方向變形

3.3.2 應力

在承臺混凝土澆筑工況荷載作用下，鋼套箱預制混凝土底板最大應力為拉應力0.9 MPa， 封底混凝土最大應力為拉應力0.4 MPa， 均小于各自的混凝土容許應力； 壁板最大應力為壓應力16.3 MPa，圈梁最大應力為壓應力6.1 MPa， 鋼管內支撐最大應力為壓應力17.9 MPa（圖13），均小于鋼材的容許應力，可知鋼套箱的強度設計滿足要求。 與鋼套箱內抽水工況相比，承臺混凝土的澆筑對鋼套箱內壁板產生壓力，可以平衡一部分靜水壓力，因此，該工況下各部件的應力相對較小。

圖13 鋼管內支撐應力云圖

3.3.3 穩定性

在承臺混凝土澆筑工況荷載作用下， 運用ABAQUS 對鋼套箱整體結構進行特征值屈曲分析，采用Lanczos 法進行特征值求解，求解結果如圖14所示。 結果表明較長的鋼管內支撐會先發生屈曲失穩， 屈曲荷載為屈曲特征值與所加荷載的乘積，第一模態對應的特征值即最小的穩定安全系數為372.9，滿足規范大于4 的要求。

圖14 鋼套箱整體屈曲模態

3.3.4 抗浮

承臺混凝土澆筑工況的抗浮穩定性應滿足：自重（鋼套箱+承臺混凝土+封底混凝土）<浮力+握裹力。

鋼套箱自重為875 kN， 封底混凝土自重為1655 kN，承臺混凝土重為2758 kN，封底混凝土與鋼護筒之間的粘結力為0.184 MPa[6]。封底混凝土與鋼護筒的接觸總面積為S=4×π×2.1×1.5=40 m2，因此封底混凝土與鋼護筒之間的握裹力為0.184×40×1000=7360 kN。 當處于設計低水位時，鋼套箱受的浮力為0，為抗浮穩定性的最不利工況。

自重（鋼套箱+承臺混凝土+封底混凝土）=875+1655+2758=5388 kN<7360 kN， 抗浮安全系數K=7360/5388=1.4，因此抗浮穩定性滿足要求。

4 結論

本文采用有限元分析方法，對瑯岐特大橋2 號橋22#～46# 鋼套箱進行計算分析，可以得出如下結論：（1）瑯岐特大橋2 號橋22#～46# 鋼套箱結構在整體起吊下放、下沉到位、澆筑封底混凝土、鋼套箱抽水、承臺混凝土澆筑共5 個工況下，鋼套箱剛度、強度、整體穩定性和抗浮穩定性均滿足要求。 （2）鋼套箱抽水工況對壁板與鋼管內支撐的受力最不利。（3）鋼管內支撐為鋼套箱整體受力較薄弱的部件，在施工時應加強對鋼管內支撐的受力進行監測。