大型雙壁鋼圍堰施工過程有限元分析

焦文容

（重慶市建筑科學研究院，重慶 400016）

0 引言

雙壁鋼圍堰因其剛度大、穩(wěn)定性強以及適應性強等優(yōu)點，在我國橋梁深水基礎建設中應用廣泛[1]。相對于單壁鋼圍堰，雙壁鋼圍堰承受內外側水位差的能力更強。但是在施工過程中，雙壁鋼圍堰所處的水下環(huán)境惡劣，受力情況復雜[2]。因此，本文結合某大橋雙壁鋼圍堰的設計，采用Midas/Civil對雙壁鋼圍堰進行有限元分析，以此來研究雙壁鋼圍堰在施工過程中的受力性能，保證在施工各階段結構的安全性[3]。

1 圍堰設計

1.1 結構形式與尺寸

該橋主橋為斜拉橋，橋塔基礎采用先成圍堰后成樁的方案施工，圍堰采用雙壁鋼圍堰。圍堰相關設計如下：

該圍堰采用圓形雙壁鋼圍堰，平面尺寸為40×21.144×2m（外徑×高度×壁厚）。為方便抽（灌）水以及側壁灌注混凝土，將圍堰壁間的豎向隔艙分為12個封閉隔艙。

壁板沿高度方向的上中下段厚度分別為6mm、8mm和6mm。在刃腳1.25m范圍內，壁板加強，厚度為20mm。內外側壁板周圍設置豎向加勁肋，按外側間距為320mm成對設置，規(guī)格均為∠75 mm×75mm×8mm角鋼。內外壁上對應設有水平環(huán)板，環(huán)板間距為1.1m、1m和0.8m，環(huán)板厚度為20mm和25mm，并在下段設壁厚為25mm的環(huán)板加勁板。同一平面上的內外水平環(huán)板間設有水平連桿，形成環(huán)形的水平桁架，使內外井壁合成整體，水平連桿在上下段分別有兩個尺寸，為∠100mm×100mm×10mm角鋼和∠125mm×125mm×12mm角鋼。

圍堰內無內支撐，圍堰分兩層加工，一次下放。圍堰頂面標高▽237m，最大設防水位▽236.5m，設計封底混凝土厚度為4.6m。圍堰結構如圖1所示，材料參數見表1和表2。

圖1 鋼圍堰立面圖（單位：mm）

表1 材料參數表

表2 主要材料特征表

1.2 施工方案

圍堰采用先成圍堰后成樁基的方案進行施工。具體施工流程為：在圍堰范圍內進行基坑開挖，搭設棧橋與作業(yè)平臺，進行圍堰下放支架的搭設，安裝圍堰下放導向裝置，圍堰拼裝，安裝下放系統(tǒng)（并試吊），圍堰下放，圍堰下放就位后側壁混凝土灌注，圍堰防沖刷工序施工，安裝樁基護筒，澆筑封底混凝土，樁基施工，抽水進行承臺施工。

2 有限元分析

2.1 荷載分析

在圍堰施工計算過程中，需要考慮的荷載有：相關結構的自重、靜水壓力、動水壓力、風荷載、鋼護筒握裹力。

（1） 自重

自重按照結構實際重量考慮；在Midas/Civil 2015中直接添加即可自動計算。

（2） 靜水壓力

靜水壓力采用三角形分布，按照靜水壓力公式進行計算，不同水深對應不同的水壓力。也可在Midas/Civil添加流體壓力荷載，通過輸入水的容重以及參考高度，就能自動計算出靜水壓力。

（3） 動水壓力

動水壓力，集度荷載按倒三角形施加，根據《公路橋涵設計通用規(guī)范》中4.3.9計算：

式中：R1為流水壓力標準值；γ為水的容重，取γ=10kV/m3；ν為流速， 取2.8m/s；g為重力加速度9.81m/s2；K為形狀系數，按《公路橋涵設計通用規(guī)范》[4]（JTG D60-2015表4.3.9）選取，因鋼圍堰為圓形結構物，按表取K=0.8。

計算得出水流速度為3.4 m/s時，頂部壓強9.428kPa，河床處壓強為0。這里頂部壓強應小于9.428 kPa，因為按照倒三角形施加荷載，荷載集中力應在三角形2/3處位置，這里為方便計算，則取荷載作用位置在三角形1/2處，這樣計算結果也相對保守。

（4） 風荷載

風荷載僅施加于露出水面的部分，依據《建筑結構載荷規(guī)范》[5]計算，計算公式如下：

式中：W0為基本風壓，單位（N/m2）；Vs為基本風速。 工作狀態(tài)的最大風速為13.6m/s（6級風），基本風壓為0.116kN/m2；非工作狀態(tài)的最大風速為38.4m/s（13級臺風），基本風壓為0.922kN/m2。

（5） 握裹力

鋼護筒握裹力取150kPa。

2.2 工況分析

在圍堰施工過程中，主要考慮如下工況：

工況1：采用支架系統(tǒng)對鋼圍堰進行整體下放。鋼圍堰在支架上進行拼裝，支架承受鋼圍堰的全部重量，對支架進行強度剛度的驗算，對支架底部施加固定約束；在下放過程中，鋼圍堰受風荷載以及自重的作用，對圍堰進行驗算，約束設置為約束頂板豎向位移，側面施加對稱約束；

工況2：鋼圍堰在下放到位后，進行圍堰隔艙內澆筑混凝土、澆筑封底混凝土。此時隔艙內水以及圍堰內水沒有被抽取，且與隔艙內混凝土共同減輕了外側壁板的水壓，圍堰處于一個安全的狀態(tài)。因此，此階段可不進行計算；

工況3：在抽水位235.5m時，抽取圍堰內水。此時，圍堰外側有強大的水壓力作用在圍堰的外壁上，但此時圍堰內水被抽干，圍堰內壁沒有水壓作用。圍堰內外側的力局部處于一個不平衡的狀態(tài)，此時圍堰受力不利。約束設置為外側壁板底部施加豎向約束，兩側面分別施加相應對稱約束；

工況4：若水位達到圍堰頂部237m，此時不能施工，處于渡洪階段。為使圍堰安全受力，將隔艙內灌滿水，對圍堰進行驗算。約束設置與工況3相同。

圖2 鋼圍堰1/4模型

2.3 計算分析

2.3.1模型建立

采用大型通用有限元軟件Midas/Civil 2015軟件分析，內外壁板采用板單元模擬，豎肋、角鋼環(huán)撐采用梁單元模擬，壁艙混凝土及封底混凝土均采用混凝土實體單元模擬，鋼圍堰采用1/4模型進行計算，計算模型如圖2所示。

2.3.2受力性能分析各工況荷載組合系數如表3所示。

表3 各工況荷載組合系數

圖3、圖4、圖5、圖6為工況3的部分結構的應力圖，其中壁板、水平撐、環(huán)板和豎肋的最大應力分別為139.00MPa、77.73MPa、99.363MPa和102.02MPa。可以看出，這些結構的最大應力位置都出現(xiàn)在隔艙混凝土頂部附近。由圖6可以看出，在隔艙混凝土位置的豎肋已經被刪除一部分，因為豎肋橫截面比較小，在隔艙混凝土頂面，豎肋在很大的靜水壓力下受到混凝土的限制，導致豎肋的局部應力超過限值，在刪除部分豎肋之后，圍堰各結構應力都在容許范圍之內。因此，豎肋在此工況下，部分豎肋應力超過限值，在退出工作后，對結構整體強度和剛度影響不大。計算結果如表4所示。

圖3 壁板Mises應力云圖（MPa）

圖4 水平撐應力云圖（MPa）

圖5 水平環(huán)板Mises應力云圖（MPa）

圖6 豎肋應力云圖（MPa）

表4 鋼圍堰各構造應力及變形計算結果（應力/MPa、變形/mm）

由表4可以看出，雙壁鋼圍堰壁板、水平撐及豎肋最大應力分為139.0MPa、77.7MPa和102.0MPa，小于容許應力215MPa；最大變形分別為6.8mm、6.8mm和8.1mm，懸臂端構件允許變形為L/500，圍堰看作豎直方向的懸臂構件允許變形為L/500=40000/500=80mm；壁板強度和剛度均滿足要求。環(huán)板最大應力為99.4MPa，小于容許應力205MPa；最大變形為7.0mm，小于容許變形80mm。因此，雙壁鋼圍堰的強度和剛度均小于容許值，滿足要求。

2.3.3抗浮穩(wěn)定性分析

在鋼圍堰封底混凝土澆筑完畢后，抽水施工承臺，此時澆筑了封底混凝土的圍堰整體形成了一個巨型桶狀結構，在水中受到向上的浮力F。這時需要通過鋼圍堰的自重G1、封底G2及隔艙混凝土G3的重量，鋼護筒的握裹力F0和隔艙內水G4的重量來抵抗向上的浮力F。具體平衡方程為：

故圍堰抗浮滿足要求?？垢∠禂涤嬎闳绫?所示。

表5 抗浮系數計算表（kN）

3 結論及建議

（1）運用有限元分析軟件Midas/Civil對某大橋雙壁鋼圍堰進行施工過程模擬并分析，從得出的結果可知圍堰在施工過程中強度和剛度均滿足規(guī)范要求。

（2）由表4可以看出，工況3是壁板、環(huán)板和水平撐的最不利工況，此時圍堰內不灌水，圍堰主要受圍堰外側靜水壓力的作用，壁板、環(huán)板和水平撐最大應力出現(xiàn)在這個階段。并且豎肋在隔艙混凝土頂的位置的應力很大，刪除部分豎肋后的分析結果滿足要求?？梢钥醋髫Q肋在應力超過限值后，退出工作，結構受力滿足要求。

（3）當圍堰中水被抽干到施工承臺時，圍堰的抗浮穩(wěn)定性處于最差的狀態(tài)。但通過計算分析可以發(fā)現(xiàn)，此階段鋼圍堰的抗浮穩(wěn)定性仍滿足施工要求。

責任編輯：劉艷萍

施工安全

施工電梯圍護外架搭設方法

高層建筑施工時，一般都要使用外用電梯，而外用施工電梯的圍護外架是保證外用電梯正常使用的重要構造。根據《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規(guī)范》規(guī)定：常用密目式安全立網全封閉雙排腳手架的允許搭設高度不宜超過50m，高度超過50m的雙排腳手架應采用分段搭設等措施。目前，在很多高層建筑施工過程中，使用的外用電梯雙排鋼管圍護外架的搭設高度在主體結構的18層左右時一般都超過了50m，有些外用電梯雙排鋼管圍護架能一直搭設到主體結構的32～34層，其搭設高度甚至超過了100m，造成了安全隱患。

正確搭設施工外用電梯圍護架可采用以下三種方法。

（1）在外用電梯不超過50m的搭設高度范圍內采用落地式鋼管雙排架體，超過50 m范圍采用懸挑鋼管雙排架圍護架體。

（2）在一二層搭設落地式鋼管雙排圍護架體，3層以上每8層搭設一次懸挑鋼管雙排架圍護架體。

（3）從首層開始搭設懸挑鋼管雙排圍護架體，以后每8層搭設一次懸挑鋼管雙排架圍護架體。

通過采用以上三種外用電梯圍護架體的搭設方法，既滿足《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規(guī)范》的要求，又可排除外用電梯圍護架體不規(guī)范搭設而造成的安全隱患。