基于有限元法的長淮衛淮河大橋鋼板樁圍堰施工支護計算

張營營，李曉威，辛　欣，廖一天

(三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443002)

基于有限元法的長淮衛淮河大橋鋼板樁圍堰施工支護計算

張營營，李曉威，辛欣，廖一天

(三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443002)

摘要：由于擋土、擋水的需要，圍堰成為必不可少的工程元素之一，而鋼板樁圍堰憑借其施工簡便、擋水性好、可重復使用等優點，在工程中的應用越來越廣泛。鋼板樁圍堰在支護計算方面主要采用等值梁法和平面有限元法，簡化的方法與實際的工況有一定的偏差，因此本文采用三維有限元軟件Midas對鋼板樁圍堰建立空間結構模型，模擬圍堰真實的受力狀態。

關鍵詞：鋼板樁圍堰；三維建模；結構計算；強度；穩定性

蚌埠市長淮衛淮河大橋位于城區東北部，是蚌埠市改善城區交通狀況的重要工程。主橋采用80 m+200 m+80 m雙桁鋼桁架拱橋，寬42.5 m。18#墩為主橋北岸側過渡墩，距漫灘岸坎線約22 m，航道側河床泥面高程約9.4 m。該河段的枯水期常水位為13.0 m，橋區附近地質較好，水流平順，并無淺灘、礁石等障礙物。墩位中心距離漫灘岸坎約22 m，河床地形呈斜坡狀，與設計圖紙中河道斷面基本一致。為了營造干燥無水的施工條件，必須用圍堰進行擋水，目前應用較為廣泛的圍堰型式有混凝土圍堰、鋼板樁圍堰和雙壁鋼圍堰等[1]。混凝土圍堰造價較高，主要用于大型水利工程；雙壁鋼圍堰整體穩定性較好，但其占地面積較大，插打困難；鋼板樁圍堰具有施工簡便，可重復使用的優點，常用的標準長度為12 m和18 m，擋水高度適中；所以初步選擇采用鋼板樁圍堰為橋墩進行擋水施工。

1鋼板樁圍堰施工

根據地質勘察報告，18#墩地質資料及土層參數分別如表1所示。

18#墩承臺底部位于枯水期常水位以下5.4 m，擬定最高施工水位以下8.9 m。從水深、地質、堰型經濟性及適用范圍等方面綜合考慮[2]，決定采用鋼板樁圍堰法施工。采用拉森IV型鋼板樁，材質為Q345，頂標高不低于17.0 m，最高施工水位16.5 m(與北岸便道撤退預警水位相同)，考慮鋼板樁定型規格，選用長度為18.0 m的鋼板樁，堰頂高程17.928 m。

單個橋墩圍堰長為8.4 m，寬為8.4 m，內設置3道工40型鋼圍檁，材質為Q235。各道圍檁的內支撐采用角隅式布置，Φ529*8鋼管，長約3.26 m，四角各1根，從承臺底往上，間距為3.5 m、2.5 m、2.5 m。圍堰每邊超出承臺邊沿0.9 m，留出40 cm的圍檁空間后，便于裝拆定型鋼模及支撐[3]。

表1　18#墩土層參數表

2鋼板樁圍堰支護計算

隨著技術的發展，各種計算軟件不斷被研發出來，使工程計算不僅更加簡便，而且更加準確。Midas就是一種主要用于建筑、橋梁、巖土、仿真等領域的結構設計有限元分析軟件。本文就是利用Midas對鋼板樁圍堰進行三維建模并進行支護結構的計算。

圖1　鋼板樁圍堰空間模型

將計算所得的水壓力荷載、土壓力荷載按面荷載形式施加到模型上，結構自重由程序自行計入[5]，得到計算結果如下所示。

(1)鋼板樁應力計算結果

鋼板樁應力計算結果見圖2、圖3、圖4、圖5、圖6所示。

(2)內部支撐應力計算結果

內部支撐應力計算結果見圖7。

圖2　鋼板樁圍堰等效應力云圖

圖3　鋼板樁圍堰X方向主應力云圖

圖4　鋼板樁圍堰Y方向主應力云圖

圖5　鋼板樁圍堰Z方向主應力云圖

圖6　鋼板樁圍堰剪應力云圖

圖7　鋼板樁圍堰內部支撐最大組合應力云圖

(3)鋼板樁圍堰位移計算結果

鋼板樁圍堰位移計算結果見圖8。

圖8　鋼板樁圍堰位移云圖

經計算鋼板樁圍堰最大等效應力159 MPa，位移8.29 mm，圍檁結構最大組合應力47.8 MPa，位移6.03 mm，滿足規范要求。

3結論

首先由計算結果知鋼板樁圍堰的強度、剛度，圍檁的強度、剛度均滿足規范要求；其次，本方法建立了鋼板樁圍堰的三維結構模型，與真實的圍堰受力狀態最為接近，計算結果最為可靠。隨著技術的進步，此種方法對于圍堰的支護計算不僅更加準確，還提供了很大便利，避免了繁瑣的人工手算，是今后工程計算的一個發展方向，本工程的支護計算也能為其他工程實例提供借鑒。

參考文獻：

[1]韋清江，劉根.大型橋梁深水基礎類型及其特點[J]．四川建筑，2008，28(5)：71-72．

[2]張駿.橋梁深水基礎鋼板樁圍堰受力分析與應用[J].橋梁建設，2012，42(5):74-81．

[3]趙志縉，應惠清.簡明深基坑工程設計施工手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2000.

[4]張守海.Midas civil軟件在懸灌連續梁施工中的三維仿真模擬驗算分析[J].建設工程技術與設計，2014(3):250-252．

[5]杜闖，丁紅巖，張浦陽，等．鋼板樁圍堰有限元分析[J]．巖土工程學報，2014，36(S2):159-164．

Calculation of steel sheet pile cofferdam construction support of Changhuaiwei Huaihe Bridge based on finite element method

ZHANG Yingying，LI Xiaowei，XIN Xin，LIAO Yitian

(CollegeofHydraulicandEnvironmentEngineering，ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China)

Abstract：With the increasing of engineering construction, cofferdam has become one of the indispensable engineering, due to the need to retain earth and water. And steel sheet pile cofferdam is widely applied in engineering with its advantages of simple construction, good water retaining and reusability. The main method used in supporting computing of steel sheet pile cofferdam is “equivalent beam method” and “plane finite element method”, but the simplified method has a certain deviation with the actual conditions. And therefore, this article established a spatial structure model of steel sheet pile cofferdam with Midas three-dimensional finite element software, to simulate the real stress state of cofferdam.

Key words：steel sheet pile cofferdam; 3-D modeling;structure calculation; strength; stability

作者簡介：張營營(1992-)，男，碩士研究生，主要從事水利工程施工與管理方面的研究。

中圖分類號：TU473.5

文獻標志碼：A

文章編號：2096-0506(2016)05-0032-04