考慮施工“路徑”的鋼板樁圍堰內(nèi)力分析

梁　棟,狄方殿,朱亞洲，劉　菁，段文博，陳紅霞

(1.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院, 天津　300401；2.河北省土木工程技術(shù)研究中心, 天津　300401)

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考慮施工“路徑”的鋼板樁圍堰內(nèi)力分析

梁棟1,2,狄方殿1,朱亞洲1，劉菁1，段文博1，陳紅霞1

(1.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院, 天津300401；2.河北省土木工程技術(shù)研究中心, 天津300401)

摘要：針對(duì)鋼板樁在安裝內(nèi)支撐的過(guò)程中其受力是連續(xù)的，即內(nèi)支撐的安裝總是發(fā)生在鋼板樁所受內(nèi)外水頭壓力差引起的累積變形之后，以某特大橋鋼板樁圍堰施工為例，利用有限元分析軟件ANSYS建立了鋼板樁圍堰考慮施工“路徑”的空間模型，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。計(jì)算結(jié)果表明：考慮施工“路徑”效應(yīng)的分析結(jié)果與實(shí)測(cè)值更為吻合。

關(guān)鍵詞：地基基礎(chǔ)工程；鋼板樁圍堰；“路徑”效應(yīng)；施工過(guò)程；有限元分析

跨海、跨河橋梁的橋墩施工時(shí)需要在無(wú)水環(huán)境中進(jìn)行，作為臨時(shí)隔水的圍堰為施工提供可能。鋼板樁圍堰以其經(jīng)濟(jì)、安裝速度快和可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)在跨河、海橋墩施工中得到廣泛的運(yùn)用[1-3]。為保證水下作業(yè)的安全，鋼圍堰的受力分析尤為重要。目前鋼板樁圍堰的計(jì)算主要采用等值梁法及平面有限元等簡(jiǎn)化方法，按不同工況單獨(dú)計(jì)算[4-5]。

在實(shí)際工程中，鋼板樁在安裝內(nèi)支撐的過(guò)程中其受力是連續(xù)的，即當(dāng)前工況的應(yīng)力和變形總是發(fā)生在上一工況應(yīng)力和變形的基礎(chǔ)之上。一般的施工順序是：鋼板樁插打完成后，即開(kāi)展抽水作業(yè)，至一定深度后自上而下的安裝第1道內(nèi)支撐，然后再抽水至下一道內(nèi)支撐處，安裝第2道內(nèi)支撐，以此類推，直至全部?jī)?nèi)支撐安裝完畢。內(nèi)支撐的安裝總是發(fā)生在鋼板樁所受內(nèi)外水頭壓力差引起的累積變形之后[6-7]。而常用的簡(jiǎn)化計(jì)算由于是按不同工況單獨(dú)計(jì)算的，并未考慮每道內(nèi)支撐相應(yīng)位置處鋼板樁已發(fā)生的累積變形。鋼板樁圍堰在施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)、荷載及邊界條件是不斷變化的，考慮這一變化過(guò)程即“路徑”效應(yīng)的計(jì)算結(jié)果與常用的一次性加載計(jì)算結(jié)果存在較大差異，與實(shí)際情況差距較大[8-11]。

本文以某特大橋鋼板樁圍堰施工工程為例，首次建立了考慮“路徑”效應(yīng)的空間有限元模型，并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證考慮施工過(guò)程中“路徑”效應(yīng)后模型分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，為類似工程的鋼板樁圍堰模型分析提供建模參考。

1工程實(shí)例

1.1工程概況

某特大橋的橋墩位于河道中，施工環(huán)境極其復(fù)雜，其設(shè)計(jì)承臺(tái)底標(biāo)高為-10.259 m，河床標(biāo)高為-3.0 m，承臺(tái)尺寸為30.5 m×18.95 m×5.0 m，墩高為15 m。由于沒(méi)有沖刷實(shí)測(cè)值，故在本計(jì)算中沖刷深度按1.0 m考慮；最高水位按最高潮水位+3.8 m考慮；水流速度按2.0 m/s考慮。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，該墩所處地質(zhì)分層及土層參數(shù)取值如表1所示。

表1　橋墩所處位置的土層參數(shù)及相應(yīng)的主、被動(dòng)土壓力系數(shù)

1.2鋼板樁圍堰的施工監(jiān)控

1.2.1鋼板樁圍堰的布置

樁基施工完成后即進(jìn)行鋼板樁的施工。鋼板樁采用拉森Ⅵ型，樁長(zhǎng)26 m，圍堰尺寸為20.6 m×32.6 m，共設(shè)置4道圍檁及內(nèi)支撐，設(shè)計(jì)承臺(tái)底標(biāo)高為-10.259 m，棧橋平臺(tái)頂面標(biāo)高為+5.9 m，設(shè)計(jì)鋼板樁頂面標(biāo)高為+4.3 m。樁底標(biāo)高為-21.7 m。鋼板樁圍堰具體布置如圖1所示。

圖1　鋼板樁圍堰的平面和立面布置圖Fig.1　Steel sheet pile cofferdam plan and rertical view

1.2.2監(jiān)控測(cè)點(diǎn)布置

為了監(jiān)測(cè)鋼板樁的應(yīng)力變化情況，選取鋼板樁圍堰四邊中點(diǎn)的4個(gè)鋼板樁設(shè)置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，每個(gè)鋼板樁設(shè)置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別位于相鄰兩道內(nèi)支撐中間。為了監(jiān)測(cè)內(nèi)支撐的受力特點(diǎn)，擬在每層內(nèi)支撐不利位置處安裝12個(gè)傳感器。第1層與第4層支撐測(cè)點(diǎn)布置同第2、第3層，圍堰具體的應(yīng)力監(jiān)控測(cè)點(diǎn)見(jiàn)圖2。

圖2　監(jiān)控測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2　Monitoring point arrangement

1.2.3鋼板樁圍堰的施工步驟工況

該墩在樁基施工完成后進(jìn)行鋼板樁施工，具體施工步驟工況如下。

工況1：安裝第1道內(nèi)支撐，圍堰內(nèi)抽水至-1.4 m；

工況2：安裝第2道內(nèi)支撐，圍堰內(nèi)繼續(xù)抽水、清淤至-5.2 m 處；

工況3：安裝第3道內(nèi)支撐，圍堰內(nèi)加水至圍堰外水位，水下吸泥、清淤至-12.259 m；

工況4：澆注封底砼，圍堰內(nèi)抽水至-8.0 m處；

工況5：安裝第4道內(nèi)支撐，圍堰內(nèi)抽水至-10.259 m處。

其中最危險(xiǎn)的是工況4。

2考慮“路徑”效應(yīng)的有限元計(jì)算分析

根據(jù)土力學(xué)知識(shí)確定鋼板樁的外荷載，按等值梁法確定鋼板樁的計(jì)算長(zhǎng)度，采用有限元軟件ANSYS對(duì)鋼板樁圍堰建立整體空間有限元模型。

2.1鋼圍堰所受荷載分析

對(duì)于1.2.3節(jié)的所有工況，按等值梁法確定鋼板樁的計(jì)算長(zhǎng)度，從主動(dòng)土壓力與被動(dòng)土壓力相等的反彎矩截面(即凈土壓力為零或彎矩為零)形成固定端約束。鋼板樁主要受到流水壓力、外側(cè)靜水壓力和內(nèi)側(cè)靜水壓力。本工程鋼板樁施工范圍內(nèi)土層為淤泥質(zhì)土、黏土、粉砂，均為強(qiáng)透水性土層，土壓力計(jì)算時(shí)采用朗肯土壓力，計(jì)算時(shí)均考慮采用水土分算法[12-20](即土壓力為按土的浮容重計(jì)算的有效土壓力與土體間孔隙水的水壓力之和)。依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，各土層主、被動(dòng)土壓力系數(shù)如表1所示。

下面以工況2為例介紹鋼板樁所承受的流水壓力、外側(cè)靜水壓力和內(nèi)側(cè)靜水壓力。

該工況為安裝第2道內(nèi)支撐，圍堰內(nèi)繼續(xù)抽水、清淤至-5.2 m 處。此工況鋼板樁受力如圖3所示。

圖3　工況2鋼板樁受力簡(jiǎn)圖Fig.3　Forces on steel sheet pile under load case 2

0.766×8.7×5.7+0.301×8.7×y+10×(12.5+y)=

1.142×8.7×3.5+3.322×8.7×y+2×6×1.823+10×(3.5+y)，

解得y=2.71 m，則等值梁計(jì)算長(zhǎng)度為15.21 m。

在考慮動(dòng)力壓力后，鋼板樁迎水面各控制標(biāo)高處所受的壓強(qiáng)分別為

p(+3.8)=0.0+Fw=4.64kN/m2；

p(-3.0+)=γwh+Fw=10×6.8+4.64=72.6kN/m2；

p(-3.0-)=γwh=10×6.8=68.0 kN/m2；

p(-5.2)=Kaγh+γwh=0.766×8.7×2.2+10×9.0=104.7 kN/m2；

p(-8.70)=71.35 kN/m2；

p(-11.41)=0.0 kN/m2。

除迎水面外，圍堰其他面鋼板樁所受壓強(qiáng)為p(+3.8)=0.0 kN/m2；

p(-3.0)=68.0 kN/m2；

p(-5.2)=104.7 kN/m2；

p(-8.70)=71.35 kN/m2；

p(-11.41)=0.0 kN/m2。

其余各工況荷載可以按照同樣的方法算出，不再贅述。

2.2空間有限元模型的建立

鋼板樁采用SHELL63殼單元模擬[21]。SHELL63既具有彎曲能力又具有膜力，可以承受平面內(nèi)荷載和法向荷載。本單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度：沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X，Y，Z方向的平動(dòng)和沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X，Y，Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。應(yīng)力剛化和大變形能力已經(jīng)考慮在其中。圍檁及內(nèi)支撐采用beam188梁?jiǎn)卧M。beam188單元適合于分析從細(xì)長(zhǎng)到中等粗短的梁結(jié)構(gòu)，該單元基于鐵木辛哥梁結(jié)構(gòu)理論，并考慮了剪切變形的影響。鋼材的彈性模量為210GPa，泊松比取0.3[22]。

從上至下各道圍檁依次采用2I50b，2H588×300，3H700×30，3H700×300型鋼。第1道內(nèi)支撐采用Φ630mm×10mm，其余內(nèi)支撐均采用Φ800mm×10mm圓鋼管，按照工程鋼板樁圍堰實(shí)際尺寸建立了有限元模型。整體鋼板樁圍堰的空間有限元模型見(jiàn)圖4。

圖4　鋼板樁圍堰有限元模型Fig.4　Finite element model of steel sheet pile cofferdam

2.3鋼圍堰所受荷載的施加

2.3.1不考慮施工過(guò)程“路徑”效應(yīng)

不考慮施工過(guò)程“路徑”效應(yīng)，即模型一次成型，將按等值梁法所確定的荷載強(qiáng)度一次性施加在對(duì)應(yīng)工況的有限元模型上。

2.3.2考慮施工過(guò)程“路徑”效應(yīng)

鋼板樁圍堰的施工過(guò)程一般按施工順序分不同工況進(jìn)行模擬。內(nèi)支撐是在前一工況鋼板樁已發(fā)生變形的基礎(chǔ)上安裝的，與前一工況相比，當(dāng)前工況的模型荷載、結(jié)構(gòu)和邊界條件都發(fā)生了變化。每一工況的約束條件通過(guò)等值梁法確定。考慮施工過(guò)程“路徑”效應(yīng)的主要計(jì)算步驟是以前一工況的計(jì)算結(jié)果作為當(dāng)前工況的初始條件，然后施加當(dāng)前工況較前一工況的新增荷載或結(jié)構(gòu)約束改變，進(jìn)行求解，得到考慮“路徑”效應(yīng)的當(dāng)前工況的模型計(jì)算結(jié)果；重復(fù)上述步驟，進(jìn)而可以得到所有工況下考慮“路徑”效應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。

對(duì)于模型結(jié)構(gòu)和邊界條件發(fā)生的變化，本文利用ANSYS軟件生死單元功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體步驟如下：首先建立完整的鋼圍堰模型(即包含所有內(nèi)支撐)，在荷載步一中殺死多余單元，施加本階段約束及荷載；前一荷載步的計(jì)算結(jié)果(應(yīng)力、應(yīng)變)作為當(dāng)前荷載步的初始條件，進(jìn)行荷載步二，激活相關(guān)單元，施加新增荷載，施加此工況下的結(jié)構(gòu)約束，計(jì)算求解；依次進(jìn)行后續(xù)荷載步的計(jì)算。

2.4空間有限元模型的計(jì)算結(jié)果

以最危險(xiǎn)的工況4為例，兩種不同建模方式得到的變形結(jié)果如圖5所示。

圖5　工況4下模型變形圖Fig.5　Deformation pictures of the model for case 4

通過(guò)變形云圖對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：是否考慮施工過(guò)程中“路徑”效應(yīng),造成圍堰模型變形結(jié)果有較大差異。考慮“路徑”效應(yīng)后，模型產(chǎn)生較大變形，模型上部位移較未考慮“路徑”效應(yīng)的偏大。即考慮“路徑”效應(yīng)后模型變形值及分布較未考慮“路徑”效應(yīng)的都有較大差異。

3監(jiān)控實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

表2給出工況4下部分測(cè)點(diǎn)的模型與實(shí)測(cè)對(duì)比結(jié)果。

由表2可知，不考慮施工過(guò)程“路徑”效應(yīng)的模型分析結(jié)果較實(shí)測(cè)結(jié)果有較大的差異，最大絕對(duì)差值為15.46 MPa，相應(yīng)的相對(duì)誤差為76.57%。考慮施工過(guò)程“路徑”效應(yīng)的模型分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較，最大絕對(duì)差值為6.13 MPa，相應(yīng)的相對(duì)誤差為9.99%；最小絕對(duì)差值僅有0.49 MPa，相應(yīng)的相對(duì)誤差為1.21%；相對(duì)誤差最大為21.70%。因此可以看出考慮“路徑”效應(yīng)后模型計(jì)算結(jié)果較為精確，理論分析值與實(shí)測(cè)值基本一致。

表2　各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

4結(jié)論

通過(guò)優(yōu)化鋼板樁圍堰的建模方法，得到更符合實(shí)際工程情況的有限元模型。對(duì)比考慮施工“路徑”效應(yīng)和不考慮施工“路徑”效應(yīng)的模型計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果，可得出以下結(jié)論：

1) 在實(shí)際的鋼板樁圍堰施工工程中，為方便內(nèi)支撐的安裝，先進(jìn)行鋼圍堰內(nèi)抽水作業(yè)，然后進(jìn)行內(nèi)支撐的安裝，由此形成的壓力差使得內(nèi)支撐的安裝總是發(fā)生在鋼板樁的累積變形以后，傳統(tǒng)的一次成型加載的模型分析與實(shí)際情況不符，分析結(jié)果可能存在較大誤差。

2) 考慮到實(shí)際施工過(guò)程中鋼圍堰結(jié)構(gòu)、約束和荷載是在不斷變化的，應(yīng)建立與施工“路徑”相吻合的空間有限元模型。常用簡(jiǎn)化方法由于未考慮施工過(guò)程中的“路徑”效應(yīng)，計(jì)算所得最大應(yīng)力和變形偏小，計(jì)算結(jié)果偏不安全。

3) 對(duì)比優(yōu)化后模型與傳統(tǒng)模型及實(shí)測(cè)結(jié)果，考慮施工過(guò)程“路徑”效應(yīng)的模型應(yīng)力分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，最大絕對(duì)差值為6.13 MPa，相應(yīng)的相對(duì)誤差為9.99%；最小絕對(duì)差值僅有0.49 MPa，相應(yīng)的相對(duì)誤差為1.21%；相對(duì)誤差最大為21.70%。

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Internal force analysis of steel sheet pile cofferdam by considering the construction "path" effect

LIANG Dong1,2, DI Fangdian1, ZHU Yazhou1, LIU Jing1, DUAN Wenbo1, CHEN Hongxia1

(1. College of Civil and Transportation, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China;2. Civil Engineering Technology Research Center of Hebei Province, Tianjin 300401, China)

Abstract:In the process of installing inner support, the force loaded on the steel sheet pile is continuous, that is, the installation of inner support always happens after the accumulative deformation caused by inside and outside pressure difference of the steel sheet pile cofferdam. Taking the steel sheet pile cofferdam construction of a specially long span bridge as example, the paper puts forwards a spatial model of steel sheet pile cofferdam considering the construction “path” based on ANSYS. The model calculation result and the actual measurement result are compared. The results show that the model based on considering the “path” effects has a more similar calculating result with the measured value.

Keywords:ground foundation engineering; the steel sheet pile cofferdam; "path" effect; the construction process; the finite element analysis

中圖分類號(hào)：TU337

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：梁棟(1976—)，男，河北邢臺(tái)人，教授，博士，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)理論方面的研究。E-mail:13622114075@139.com

收稿日期：2015-11-04；修回日期：2015-12-08；責(zé)任編輯：馮民

doi:10.7535/hbkd.2016yx02014

文章編號(hào)：1008-1542(2016)02-0198-07

梁棟, 狄方殿,朱亞洲，等.考慮施工“路徑”的鋼板樁圍堰內(nèi)力分析[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào),2016,37(2):198-204.

LIANG Dong, DI Fangdian, ZHU Yazhou, et al.Internal force analysis of steel sheet pile cofferdam by considering the construction "path" effect[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2016,37(2):198-204.