基于FEA—AHP—模糊綜合評估法的鎖口鋼管樁圍堰安全性評估

楊萬鵬 麻偉 肖杰 王沖 石拓

摘要：鎖口鋼管樁圍堰在深水基礎的施工中發揮著巨大作用，而其在施工過程中的安全性一直是比較重要控制因素，本文以某大橋基礎施工中的鎖口鋼管樁圍堰為工程背景，利用有限元軟件建立整個圍堰的三維模型，選取最不利工況的控制構件應力，結合層次分析法和模糊綜合評估法對鎖口鋼管樁圍堰的安全性做了評估，并與實際施工監測結果進行對比得出了結論與建議。

關鍵詞：鎖口鋼管樁圍堰；有限元分析；層次分析法；模糊綜合評估法；施工監測

引言

鋼圍堰作為深水基礎常見的臨時結構設施，有剛度大、方便施工等特點[1]，在施工期間鋼圍堰受力體系復雜，影響其安全性的因素很多，而很多學者采用了有限元建模對鋼圍堰進行安全驗算 [2][3][4][5]。本文利用有限元法（FEA）結合結合層次分析法（AHP）和模糊綜合評估法對某鋼圍堰安全性作出評價。

1 工程背景

某大橋為四跨連續剛構橋，由于該橋所處河道水較深，基礎水沒深度超過了5m，屬于深水基礎，因此基礎施工采用鋼圍堰施工。7#墩基礎鋼圍堰采用鎖口鋼管樁形式，鋼管樁為φ630mm×10mm的鋼管和工字鋼焊接組合，工字鋼和φ160mm×8mm鋼管形成鎖口，鋼管樁樁長17m。圍堰平面尺寸為15.18m×33.04m， 圍堰內設置兩層豎向間距4.5m的水平內支撐，內支撐選用φ630mm×10mm鋼管支撐，圍囹為雙拼I40b工字鋼，鋼管樁共設37+37+15+15=104根。圍堰施工時，設計水位為60.65m，設計水流速度1.0m/s，主墩處河床強風化泥巖層最低標高52.00m。圍堰拼裝完成后，圍堰內開挖至高程51m，抽水并進行水下混凝土封底。鋼圍堰平面圖如圖1所示。

圖1 圍堰平面布置圖（單位：cm）

2 建立有限元模型

將整個圍堰用Midas-civil進行模擬，離散為2536個梁

單元，圍堰結構只考慮鋼管樁受力，鋼管樁端部設定為固定端，計算最不利工況（圍堰內水抽干）。整個圍堰所受到的外水壓力分為靜水壓力和動水壓力，靜水壓力作用于圍堰的四周，動水壓力作用于圍堰迎水面，本次主要驗算在外靜水壓力和動水壓力作用下鋼管樁的工作狀況。計算模型如圖2所示。

圖2 鋼圍堰midas Civil有限元模型

3 施工現場測點測站布置

3.1 位移測點布置

根據圍堰的布置形式，位移測點分別布置在圍堰鋼管樁頂部，四個角點樁（各1個）、上游圍堰中點樁（1個）、下游圍堰中點樁（1個）、橫橋向圍堰中點（2個，柳州側和梧州側各一個），總共8個位移測點（測點編號為L1～L3、W1～W3、上游測點、下游測點），測點布置圖如圖3所示。

圖3 圍堰位移測點布置

3.2 應力測點布置

應力測點根據圍堰構造和受力特點，分別布置在圍堰上下層內支撐鋼管端部（上層6個，下層6個，共12個）、圍囹工字鋼中點（上游圍囹1個、下游圍囹1個、橫橋向柳州側1個、橫橋向梧州側1個，上下兩層共8個），總共20個應力測點（上層測點編號A1～A10，下層測點編號B1～B10，測點布置圖如圖4和圖5所示。

圖4 圍堰上層應力測點布置圖

圖5 圍堰下層應力測點布置圖

3.3 測站布置和測量方法

位移測站點設置在梧州岸平地上，位移觀測點布設棱鏡頭，采用全站儀進行測量。應變測點布置于內支撐鋼管端部和工字鋼中點表面，采用手持應變儀進行測量。

4 有限元計算結果

4.1 位移計算

在荷載自重和水壓力的組合作用下，圍堰最大位移發生在上游面中部，如圖6所示。

圖6 荷載組合作用下圍堰位移分布圖

4.2 應力計算

在荷載自重和水壓力的組合作用下，圍堰最大彎曲應力發生在圍堰與河床交接處，如圖7所示。

圖7 圍堰彎曲應力圖

5 層次-模糊分析綜合評估

圍堰由鋼管樁、圍囹、支撐鋼管組成，圍堰整體安全性由這些構件決定，從有限元計算模型中分別提取橫橋向和縱橋向這些構件的最大應力值。

（1）運用層次分析評估法構造6個構件的判斷矩陣

注：1為橫橋向，2為縱橋向

計算的權重向量W=（0.43，0.26，0.03，0.07，0.10，0.11）

判斷矩陣最大特征值λmax=6.5803

一致性指標

一致性比率

滿足一致性原則

（2）模糊綜合評估法

將鋼管樁、圍囹、支撐鋼管應力與允許應力的比值作為評估指標

把構件應力比值區間評價集（0.2，0.4，0.6，0.8，1.0）劃分為好、良好、較好、中、差五個安全等級。

隸屬函數選用三角形隸屬函數

圖8三角形隸屬函數

得到6個構件的評估矩陣

模糊計算B=W·R=（0.15，0.16，0.10，0.58，0.01）

評價集取中間值進行賦值C=（0.1，0.3，0.5，0.7，0.9）T

圍堰整體安全等級評估結果P=B·C=0.528

可得圍堰在最不利工況的施工安全性等級為較好。

6 有限元計算結果與監測值對比分析

6.1 位移數據對比

圖9 圍堰位移測點和實測值對比圖

6.2 應力數據對比

圖10 圍堰應力測點和實測值對比圖

6.3 對比結果及其分析

（1）圍堰位移測點橫橋向最大位移為-19.0mm，縱橋向最大位移為-32.0mm，在施工期間在最不利工況下（內水抽干），圍堰位移量不大；

（2）圍堰應力測點最大壓應力-68.04MPa，最大拉應力46.20MPa，小于《鋼結構設計規范》（GB 50017-2003）對Q235鋼的極限應力值225Mpa；

（3）實測的圍堰位移和應力結果表明，本工程橋梁橋墩基礎施工圍堰在最不利工況下（內水抽干），圍堰是安全、穩定的；

（4）圍堰位移和應力理論計算值均小于實測值，原因主要是由于計算模擬圍堰結構受力只考慮鋼管樁受力，不考慮工字鋼和焊接鋼板受力的作用，這就導致了結構實際受力狀態與計算值略有偏差。

7 結論

本文運用FEA-AHP-模糊綜合評估法對深水基礎施工的鎖口鋼管樁圍堰的進行了安全性評估，得出了鋼圍堰在最不利施工工況下的施工安全等級為較好，并與實際監測數值進行對比分析，實際監測數據說明鋼圍堰在施工中的應力與位移都在安全范圍內，與評估結構比較吻合。可為同類型鎖口鋼管樁圍堰的施工期間安全性評估提供參考。

參考文獻：

[1]方詩圣，丁仕洪. MARC軟件的橋梁深水基礎鋼圍堰仿真分析[J].南昌大學學報，2008（03）：91-94

[2]崔春義，黃建，孫占琦，等.不同水位下鋼板圍堰工作性狀有限元分析[J].廣西大學學報： 自然科學版，2010（01）： 187-192.

[3]韓躍國，陳永勇，皮海波.永修大橋主墩鋼板樁圍堰設計與施工[J].鐵道標準設計，2008（5）： 74-77.

[4]薛政群，顧衛東.單層鋼板樁深水圍堰[J].公路， 2003（03）： 81-85.

[5]卓全.鋼板樁支護設計與施工中應注意的若干問題[J].建筑科學，2002， 18（4）： 42-44.

作者簡介：楊萬鵬 ，男，廣西大學土木建筑工程學院碩士研究生，主要研究方向橋梁施工監控