基于異型雙壁鋼圍堰下水及浮運過程的有限元模擬分析

陳明

武漢市漢陽市政建設集團有限公司 湖北 武漢 430050

深水基礎工程是大跨度橋梁施工的關鍵，施工技術復雜，投入的施工機具設備多，對橋梁工程造價影響巨大。近些年，橋梁建設進入高速發展時期，我國鐵路、公路橋梁廣泛使用雙壁鋼圍堰，以此作為水深流急區域橋梁復合式基礎的外圍結構。大型鋼圍堰結構往往采用在鋼構廠加工后轉運至現場拼裝下水[1]，因此如何將其由船廠轉移至橋址位置，如何保證拼裝下水過程中圍堰的定位控制是一項重要技術[2],[3]。

針對某長江大橋雙壁鋼圍堰的拼裝下水及浮運過程，建立流固耦合模型利用有限元模擬分析整個施工過程結構的位移、強度及抗傾覆性。期望通過以此為基礎，對以后相關項目的實施能起到借鑒意義。

1 工程概況

某長江大橋主橋某墩為水中主塔墩，承臺為啞鈴形承臺，承臺平面最大尺寸為58.8m×28.8m，承臺高7m，承臺頂面標高為+2.0m，設計水位標高+21.67m，圍堰處河床標高為-0.5m（根據實測河床標高），水深21.5m，承臺下設置38根直徑3.0m的鉆孔樁，承臺位于粉砂層內，根據承臺形狀，結合水位情況，采用帶刃角啞鈴形雙壁鋼圍堰作為施工時的擋水結構。

啞鈴形圍堰平面最大尺寸為32.4m×62.4m，高為34m，圍堰壁厚1.8m，圍堰底面標高為-12.0m，在兩端圓形結合處對稱設置兩道內支撐，圍堰分兩層加工，一次接高，自下至上分層高度為24m+10m，設計封底混凝土厚度為6.0m[4]。

2 目的及方法

2.1 計算目的

本次研究的主要目的是對某長江大橋雙壁鋼圍堰在下水及浮運過程中在水流荷載及風荷載作用下的穩定性進行評估，并得到圍堰入水時產生的涌浪高度、漂行距離以及浮運過程中的鋼纜受力。

2.2 計算方法

采用CD-Adapco公司的STAR-CCM+計算流體動力學（CFD）分析軟件，基于CFD算法，采用VOF方法、結構與流體動態相互作用方法（DFBI）以及重疊網格功能，對圍堰下水和浮運過程中圍堰的運動姿態進行模擬。

3 計算參數設置

3.1 基本參數

圍堰總高24m，圍堰本體重量約2200t，助浮系統約500t，下河重量共計2700t。圍堰的重心高度為12.416m，由于圍堰結構為對稱結構，在水平方向上，重心位于對稱中心位置[5]。根據大橋當地水文資料，圍堰下水時靜水流速為1m/s。

大橋當地最大允許風速為10m/s。

3.2 下水過程相關參數

將圍堰在岸上起滑的過程等效為重力加速度作用下沿堤岸切線方向的勻加速運動[6]。在模擬的初始時刻，賦予圍堰初速度，初速度的計算方式如下：

圍堰前端距水邊距離為43m，靠近水邊的23m坡度為1:9，距水邊較遠的20m坡度為1:20。取圍堰與氣囊之前的滾動摩擦系數為0.025，可計算出圍堰前端到達水邊時的速度為水平方向3.62m/s，豎直方向0.18m/s。氣囊工作高度（圍堰底距地面距離）：0.8m。風向：與水流方向一致，10m/s[7]。

3.3 浮運過程相關參數

浮運過程中動水流速為2.7m/s，風向與水流方向垂直，風速10m/s。

4 圍堰下水模擬

4.1 幾何及網格模型建立及DFBI參數設置

本次數值模擬采用計算流體動力學方法，結合VOF、DFBI方法，使用STAR-CCM+中的重疊網格功能對圍堰下水及浮運過程進行分析。建立分析域幾何模型并對圍堰內部的附屬結構進行簡化，保留圍堰雙層鋼壁和助浮系統，如圖1（左）所示。圍堰下水的幾何模型見圖1（右），分析模型采用重疊網格方法，網格模型見圖2（左）。邊界條件的詳細設置見圖2（右）。

圖1 圍堰及助浮系統幾何模型圖（左）和圍堰下水模擬幾何模型圖（右）

圖2 圍堰下水模擬網格模型（左）和圍堰下水分析模型邊界條件（右）

風與水的流動方向均為Y軸正向，河床表面以及兩側邊界（紅色區域）采用VOF波函數速度邊界，下游出口處設置為VOF波函數壓力出口邊界條件，圍堰表面以及河岸設置為壁面邊界條件。

對圍堰添加以下荷載：重力、圍堰與支撐氣囊之前的接觸力、空氣和水流動引起的作用力。圍堰初速度為X軸方向3.62m/s，Y軸方向0m/s，Z軸方向-0.18m/s。

4.2 求解參數設置

采用隱式不定常方法對整個過程進行瞬態分析，每一時間步內內部迭代次數為5次。分析模型中為保證模型收斂，將時間步長設為0.05s,計算總時長設置為65s。

4.3 計算結果

4.3.1 圍堰入水整體過程

圍堰在下水初始階段時，由于水的阻力相對較小，隨著圍堰入水深度增大，河水的阻力作用增大，在t=6.8s時刻，圍堰速度達到最大值5.62m/s。之后圍堰開始減速，在t=14s時刻圍堰后端脫離支撐氣囊，圍堰不再受氣囊接觸力作用，僅在重力和流體作用力下自由運動，此時圍堰減速明顯。在t=65s時刻，圍堰在前進方向上的速度小于水流流速1m/s，前進行方向不再是圍堰的主要運動方向。漂行距離為圍堰質心在X軸方向上的移動距離，在t=65s時刻，漂行距離為140.7m。由于初始時刻圍堰質心位于岸上，距水邊距離為31.2m，故圍堰的實際漂行距離為109.5m。

4.3.2 圍堰內的涌浪高度分析

在VOF方法中，假設水的體積分數為100%，則空氣的體積分數為0。通常我們取水的體積分數為50%的等值面作為液面高度，在本分析中將這一高度作為浪涌的有效高度。

涌浪高度達到最高的時刻發生在圍堰脫離支撐氣囊，落入水中的時間段。在圍堰下水的全過程中有效涌浪高度最大值為5.3m，未超過助浮系統的高度6.25m。故助浮系統上蓋板不封閉時不會引起涌浪的進入。

4.3.3 圍堰穩定性分析

圍堰下水過程中左右晃蕩（X軸方向轉動）及前后俯仰（Y軸方向轉動）的角度圖3所示。此處采用的坐標系為圍堰局部坐標系，初始方向不整體坐標系方向保持一致。在水流以及風力作用（Y軸正向）下，圍堰轉動最大角度的絕對值為2.49度，晃蕩的主要原因是在圍堰的轉向過程中由離心力引起。

圖3 圍堰下水過程中 X 軸方向及 Y 軸方向轉動角度

在慣性力作用下圍堰會發生圍繞Y軸方向的轉動，取圍堰不水面平行時角度為0，則圍堰在初始時刻由于起滑坡度存在的原因，初始角度為-2.86度（坡度1: 20），在下滑過程中坡度從1:20變為1:9，圍堰在Y軸方向的傾斜角度發為-6.27度。圍堰完全入水后發生的是大俯仰角度為3.26度。綜上所述，在圍堰易發生側翻的X軸轉動方向上，圍堰的最大轉動角度為2.49度，整個過程中未収生側翻的情形。

5 圍堰浮運模擬

5.1 幾何及網格模型建立及DFBI參數設置

在本分析模型中，圍堰的幾何模型仍采用圍堰下水模擬中的幾何模型。整個分析域的尺寸為350*200*50m，水深設置為9m；圍堰位于分析區域的中部，初始吃水深度為2.8m。圍堰通過鋼纜予以固定。

邊界條件按照STAR-CCM+中提供的VOF波函數進行設置。實際浮運過程中浪高較低，故分析中波函數浪高設置為0。在圍堰表面處采用壁面邊界，鋼纜拉力由圍堰位移引起的鋼纜伸長量計算獲得，當鋼纜處于松馳狀態時取力為0。

5.2 求解參數設置

采用隱式不定常方法對整個過程進行瞬態分析，每一時間步內內部迭代次數為5次。分析過程為保證模型收斂，將時間步長設為0.05s。以圍堰達到相對穩定的前行狀態的時刻作為初始時刻，分析總時長為50s。

5.3 計算結果

5.3.1 圍堰穩定性分析

圍堰在浮運過程中存在圍繞X,Y,Z軸方向的轉動，在整個過程中，圍堰在各個軸向上的轉動角度如圖4所示。

圖4 圍堰在X、Y、Z軸方向上的轉動角度

圍堰在50s的運行過程中，在各個方向上的轉動角度都相對較小。在圍堰最易發生傾覆的方向（X軸轉動方向）上，轉動最大角度為0.58度。晃動產生的主要原因是由橫向（Y軸負向）風荷載引起，在鋼纜拉力、重力以及水流阻力作用下回復至平衡位置。圍堰在前后俯仰方向（Y軸轉動方向）上，轉動最大角度為0.87度。在首尾搖擺方向（Z軸轉動方向）上，轉動最大角度為0.14度。整個過程中圍堰在各方向上的傾角都較小，無傾覆狀況的發生。

5.3.2 鋼纜拉力計算

在圍堰浮運過程中各鋼纜的受力情況隨圍堰的晃動而發化，鋼纜處于拉緊和松弛的交替過程[8]。#1～#7鋼纜在浮運過程中大部時間處于拉緊狀態，對調整圍堰姿態起到主要作用；#8鋼纜處時松弛狀態的時間較長，過程中最大拉力見表1。

表1 各鋼纜在浮運過程中的最大拉力

由表1可知，#7鋼纜的拉力最大，主要是由圍堰在水流作用下前部仰起，導致#7鋼纜緊崩造成的。建議適當延長#7、#8鋼纜的長度，更多地通過#1～#6鋼纜調節圍堰的運行姿態[9]。

6 結語

（1）本研究采用STAR-CCM+計算流體動力學（CFD）分析軟件，基于CFD算法，采用VOF方法、結構與流體動態相互作用方法（DFBI）以及重疊網格功能，對某長江大橋主塔圍堰下水和浮運過程中圍堰的運動姿態全過程進行模擬。

（2）在圍堰下水及浮運過程中，涌浪高度未超出助浮系統上沿，下水漂行距離為 138m。在慣性、水流和風力作用下，圍堰未収生傾覆，滿足要求。

（3）在圍堰浮運過程中各鋼纜的受力情況隨圍堰的晃動而發化，鋼纜處于拉緊和松弛的交替過程。圍堰在水流作用下前部仰起相對較大，建議適當延長#7、#8鋼纜的長度，更多地通過#1～#6鋼纜調節圍堰的運行姿態。