雙壁鋼圍堰受力性能數值模擬分析

雙壁鋼圍堰受力性能數值模擬分析

雙壁鋼圍堰常應用于深水橋梁基礎工程中，主要由內外壁板、中間桁架聯接及底部刃腳組成，具有強度高、剛度大、施工方法簡便、結構安全等優點。韓江特大橋、灤河特大橋、淮河特大橋、沙田贛江特大橋、陶樂黃河公路特大橋、重慶江津觀音巖長江大橋等工程進行基礎施工時均采用了該種圍堰結構形式。鋼圍堰的構造和受力均較復雜，已有的相關研究主要針對結構的穩定性、構件的內力分布以及設計與施工方式上；但對于施工過程中，鋼圍堰受力全過程的分析鮮有相關文獻報道。本文以雙壁鋼圍堰為研究對象，采用通用有限元軟件ANSYS對其在各施工階段的受力狀態進行數值分析，以期得到不同施工荷載和約束條件下結構的受力狀態。

工程概況

某橋主墩雙壁鋼圍堰外框尺寸30.78m×14.5m，壁厚1.2m，總高14.96m，圍堰下部設1.7m高的刃腳，總入土深度5m。施工階段鋼圍堰沿高度方向共布置2層內支撐，支撐于圍堰鋼箱面板內側，內支撐及其斜撐和立柱分別采用Φ630×10mm鋼管以及I25a型鋼。圍堰內、外面板采用6mm厚度的設有縱向加勁肋的鋼板。以第一層內支撐為界，圍堰內外面板加勁肋分別選用L75×50×6mm以及L90×56×6mm的型鋼以保持面板的穩定性能。圍堰沿高度方向設置厚度為8mm的水平環板。鋼圍堰共設置14個鋼箱，鋼箱面板厚度為8mm，面板內部設置L90×56×6的縱向加勁肋。封底混凝土厚2m，采用C20水下混凝土。雙壁鋼圍堰總體布置如圖1所示。

圖1 鋼圍堰整體布置（標高單位：cm；尺寸單位：mm）

施工工藝特點

鋼圍堰各構件由專業鋼結構加工場加工制作，運至現場拼裝成整體結構。其中，首層鋼圍堰利用拼裝平臺現場拼裝、整體下沉至設計標高；第二層鋼圍堰利用首層圍堰的自浮能力對稱拼裝、加水下沉。鋼圍堰著床后，澆筑刃腳部位水下混凝土。河床清基至設計標高后澆筑水下混凝土進行封底。

圍堰下放過程中設置內支撐以確保抽水后圍堰結構安全。承臺施工完成后，拆除第一層除（橫向橋）中間支撐外的內支撐，以滿足墩身施工空間要求。墩身施工4.5m后，

本文以某橋雙壁鋼圍堰為研究對象，介紹了雙壁鋼圍堰的構造特點及施工工藝特點；對施工過程中鋼圍堰不同施工階段的荷載進行分析；采用有限元對其在各施工階段的受力特性進行數值分析。結果表明：最不利荷載組合作用下，鋼圍堰各構件最大Von Mises應力為197.73MPa，可以滿足該種施工條件下臨時結構的強度要求。圍堰內加水至+56.74m標高處，然后拆除第二層除（橫向橋）中間支撐外的內支撐，以滿足橋墩上部施工空間要求。

圖3 圍堰其他側外面板受力示意

圖4 圍堰內面板受力示意

圖5 圍堰上游側外面板受力示意

圖6 圍堰其他側外面板受力示意

圖7 圍堰內面板受力示意

圖8 圍堰上游側外面板受力示意

圖9 圍堰內面板受力示意

圖10 圍堰上游側外面板受力示意

施工過程中荷載和約束條件分析

計算工況

根據雙壁鋼圍堰的施工方式，將鋼圍堰的受力分為以下四個工況進行分析：

工況一：圍堰下沉到位，圍堰內河床清基至封底混凝土底面設計標高；

工況二：澆筑封底混凝土達到強度要求后，圍堰內抽水形成干作業面；

工況三：承臺施工完成后，拆除第一層內支撐；

工況四：第一節墩身施工完成后，拆除第二層內支撐，同時圍堰內加水至+56.74m處。

計算荷載分析

工況一作用下，鋼圍堰主要承受自重、流水壓力、土壓力三種荷載作用，其荷載情況如圖2和圖3所示。

工況二作用下，鋼圍堰主要承受自重、流水壓力、靜水壓力、土壓力四種荷載的共同作用，其荷載情況如圖4～圖6所示。

工況三作用下，鋼圍堰主要承受自重、流水壓力、靜水壓力、土壓力四種荷載作用（由于承臺混凝土澆筑完畢，圍堰底部受力相對比較安全，因此僅考慮承臺混凝土頂面以上的荷載作用，下同）。其荷載情況如圖7和圖8所示。

工況四作用下，鋼圍堰承受自重、流水壓力、靜水壓力、土壓力四種荷載共同作用，其荷載情況如圖9和圖10所示。

表1 各工況邊界條件

表2 鋼圍堰各構件計算結果匯總

圖11 鋼圍堰整體有限元模型

有限元分析

單元選取及邊界條件模擬

鋼圍堰有限元模型采用大型通用軟件ANSYS 10.0建立。其中，鋼圍堰內外面板、鋼箱面板和水平環板采用板單元shell63模擬；水平桁架、縱肋、內支撐采用梁單元beam44模擬，鋼圍堰整體有限元模型如圖11所示，各工況邊界條件如表1所示。

計算結果分析

各工況作用下，鋼圍堰各構件應力和變形計算結果如表2所示。根據計算結果知，工況二為鋼圍堰結構受力最不利工況。由計算荷載知，靜水壓力為鋼圍堰結構最主要的計算荷載，而工況二及其以后的施工階段中，由于鋼圍堰內部抽水而形成干作業面，鋼圍堰兩壁間的水壓對內壁產生的靜水壓力無法得到平衡，鋼圍堰各構件應力水平及變形值較工況一均有很大程度的增大。工況三承臺施工完成，鋼圍堰內壁在承臺高度范圍內得到支承，而此時第一層內支撐被拆除，在荷載作用下，工況三較工況二各構件應力及變形均有所減少，但幅度不大。工況四作用下，圍堰內加水至+56.74m處，承臺頂部至+56.74高程范圍內內壁的靜水壓力降低；同時第二層內支撐被拆除，工況四較工況三整體應力及變形有所增加，其中內支撐鋼管應力水平增加顯著。工況三和工況四作用下，鋼圍堰受力也較為不利，在進行鋼圍堰設計時應予以考慮。施工過程中，鋼圍堰各構件應力水平最大值為197.73MPa，滿足臨時結構的強度要求。

結論

本文采用有限元仿真分析，對雙壁鋼圍堰在施工過程中的受力性能進行了分析，通過分析各施工階段構件的應力和變形，得到以下結論：

1）在鋼圍堰下沉到位至拆除第二層內支撐的施工過程中，以澆筑封底混凝土達到強度要求、圍堰內抽水形成干作業面時為受力最不利階段；

2）施工過程中，該種雙壁鋼圍堰各構件應力水平最大值為197.73MPa，滿足此種施工條件下臨時結構的強度要求。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.19.033