深水承臺雙壁鋼圍堰施工過程力學性能研究

劉斐

摘 要：近年來隨著我國深水基礎施工技術不斷提高，因在深水承臺施工過程中，鋼圍堰所受的靜水壓力、動水壓力較大，而雙壁鋼圍堰剛度大、隔水性能好，故被廣泛使用。本文以漢江五橋主橋為工程依托，使用專業有限元軟件ANSYS對深水承臺雙壁鋼圍堰進行三維彈塑性有限元數值模擬分析，對鋼圍堰在施工過程中較不利施工階段的受力進行分析，對多種組合荷載作用下結構的受力狀態和變形狀態進行系統研究。

關鍵詞：深水承臺;雙壁鋼圍堰;有限元分析;力學性能

一、概述

當前工程行業中，深水基礎施工常使用的圍堰形式有鋼板樁圍堰、鋼套箱圍堰、鋼吊箱圍堰、混凝土圍堰和鋼-混凝土組合結構圍堰等幾種。

雙壁鋼套箱圍堰（下簡稱雙壁鋼圍堰）與單壁鋼套箱圍堰相比，其剛度大、隔水性能好，能承受更大的靜水壓力和動水壓力，更適用于水深、流速快的大型水域中深水基礎的施工。雙壁鋼圍堰由角鋼、槽鋼及扁鋼焊接或栓接而成，構成平面形式為圓形或矩形的雙層骨架;雙壁鋼圍堰底部設刃腳，采用向圍堰壁內注水或灌注砼增加圍堰重量使其下沉。

本文以漢江五橋主橋為工程依托，在總結、整理雙壁鋼圍堰相關研究文獻資料的基礎上，采用專業有限元軟件ANSYS進行三維彈塑性有限元數值模擬分析，對深水承臺雙壁鋼圍堰的設計方法、施工工藝和受力性能進行研究，為今后類似工程的施工建設積累資料和提供理論參考。

二、工程概況

（一）鋼圍堰工程背景

漢江五橋的主橋為梁、拱組合體系剛構橋，跨徑布置77m+138m+138m+77m，主梁為變截面預應力鋼筋砼箱梁。漢江五橋主橋主墩承臺為鋼筋砼結構，矩形圓倒角截面，外形尺寸：23.5×17m，承臺四角倒圓半徑2.0m，承臺厚度5m，采用C40混凝土。

各主樁承臺均設置于漢江左、右航道河床以下，墩位處水深均約7～10m。

（二）鋼圍堰主要設計思路

鋼圍堰結構設計主要從結構受力可靠、功能性滿足的角度出發。

整體尺寸的擬定包括整體平面尺寸、整體立面尺寸和分塊尺寸。其中，鋼圍堰整體平面大小根據橋梁承臺大小擬定，考慮鋼圍堰的功能而確定圍堰放大尺寸;當鋼圍堰同時承擔承臺側模的功能時，僅按照行業規范規定的允許偏差進行尺寸放大，外放尺寸取為10cm;當鋼圍堰僅為施工擋水結構，不作為承臺施工側模時，為保證承臺施工時模板支撐具備足夠空間，其外放尺寸取為1m左右。鋼圍堰整體立面參數則由防浪高度、施工過程中的最高水位、承臺底高程和封底砼厚度擬定，同時還應計入河床受水流沖刷的影響。而鋼圍堰下放時的分塊尺寸則由現場施工設備資源情況確定，在盡量減少圍堰塊數的基礎上，要求單塊圍堰分塊重不超過現場起重機起重能力，同時分塊尺寸不宜過大，以便于施工安裝。

鋼圍堰細部構造的參數設計，即圍堰內外側壁板厚度、壁板間距、桁架豎向水平間距、橫肋和豎肋間距均由同類工程施工經驗擬定。

鋼圍堰平面布置應為墩柱施工留足空間;立面布置則根據承臺、圍堰高度以及同類工程施工經驗確定，同時根據已有材料和經驗對圍堰結構進行選型。

擬定好的圍堰結構應采用相應計算方法對結構強度、剛度和穩定性進行驗算，對于不滿足要求的應進行尺寸的調整，直至滿足受力和功能性要求。

（三）鋼圍堰結構參數

雙壁鋼圍堰采用矩形斷面的結構形式，長26.0m，寬19.5m（圍堰平面尺寸擴大10cm），壁厚1.2m，圍堰總高19.0m，下部設1.7m高的刃角。面板采用10mm鋼板，縱肋采用[10型鋼，間距35cm。壁板桁架采用雙等邊角鋼L100×8，桁架腹桿節點間距1.3m（頂層水平環板處為單等邊角鋼L100×8）。一般水平環板均采用10mm鋼板，分層處水平環板均采用20mm鋼板，桁架焊接在水平環板上，桁架層距0.6m～1.7m。鋼圍堰共設10個鋼箱，鋼箱面板采用10mm鋼板，面板縱肋采用[10型鋼，間距35cm。施工時共設置三層圍堰內支撐，其水平撐桿采用?630×10mm鋼管，焊接于圍堰壁板鋼箱內側，第一、二層內支撐之間設I25a工字鋼立柱、斜支撐形成空間桁架結構。封底砼厚2.5m，采用C20水下混凝土。鋼圍堰布置詳見下圖：

（四）主要施工工藝

1、鋼圍堰拼裝

為了加工和運輸方便，常對鋼圍堰進行豎向分層、水平分塊處理，并對塊構件進行編號，以方便現場拼裝。

依托工程鋼圍堰沿高度方向將其從下至上依次分為5.9m、4.8m以及8.3m共3層，每層以最大起重量作為控制要素分為14塊。其中，每層的14塊根據其構造分為A和B兩類。

在圍堰拼裝范圍內，拆除原鉆孔作業平臺后，利用承臺外側樁基鋼護筒，以及主棧橋和支棧橋的鋼管樁，將型鋼拼接焊制做為承重梁，承重梁上鋪槽鋼作為分配梁，形成鋼圍堰拼裝作業平臺。圍堰拼裝作業平臺以施工時實際水位為準，控制其頂面高程至少高于水位線1.0m，并保證寧低勿高。

2、鋼圍堰下放

鋼圍堰首層結構在安裝平臺上拼接完成并安裝吊點后，運用千斤頂將首層鋼圍堰頂起至距離安裝平臺10cm左右;拆除鋼圍堰安裝作業平臺，并緩慢下放首層鋼圍堰，并保證下放過程中各吊點的同步，確保各吊點下放高度相同，避免出現各吊點的受力不均現象。為確保施工安全，在各吊點位置搭設操作平臺，并在平臺周圍設置標準圍欄。

首層鋼圍堰入水后會發生自浮，在撤移上吊點千斤頂后，拆除鋼圍堰的下放提吊系統，拆除順序遵循先下吊點后上吊點的順序。

第一層鋼圍堰下放到設計高程時，繼續拼裝接高第二層和第三層鋼圍堰。待三層鋼圍堰均拼接成型后，在其刃角位置澆筑刃角砼，以增加其重量，使其下沉至初步整平后的河床基底。

鋼圍堰在下沉過程中主要通過向鋼圍堰壁板內加水以及在鋼圍堰所在區域抓挖清理等方式進行糾偏，并每隔2小時進行一次測量，以確保鋼圍堰下放過程中其平面位置以及垂直度滿足施工要求。糾偏完成后，進行鋼圍堰平面位置以及垂直度復測，直到滿足要求才可繼續下沉，避免施工偏差的累積。

3、封底砼澆筑及抽水

封底砼采用2臺臥泵并配合2套導管以及儲料倉等設備進行澆筑，從下游向上游進行一次性澆筑完成。每個布料點首封時，混凝土經泵送入儲料倉，并確保達到首封方量，經溜槽進入導管漏斗，再經直徑為32cm的導管進行水下澆筑。

在進行首盤砼封底之前，用測繩測量出砼導管下端與河床面之間的距離，并依靠墊梁將其調整至10～20cm范圍內。打開裝滿砼的集料斗閥門，通過泵送管送料，直至首盤封底砼澆注完成。確保砼導管在首封砼下放完后在砼內埋深0.4～0.6m，并在砼導管口及其附近布設測點，及時測量導管的埋深與流動范圍。整個圍堰范圍內導管監測測點共布置17個，對導管位移進行監測。

待混凝土達到其設計強度的90%以后，進行鋼圍堰內的抽水工作。主要包括以下三個步驟：

①封閉水下連通管。

②第一次抽水至標高+55.2m處，并觀測鋼圍堰壁板是否漏水，其構件變形是否處于正常范圍內;

③第二次抽水直至將圍堰內水抽干，實現“干作業”。

鋼圍堰抽水完成后，進行封底砼頂面的鑿毛與清理工作，并補澆剩余部分混凝土直至其設計標高。其中，采用人工鑿毛和風鎬鑿毛相結合的方式進行封底砼的頂面鑿毛。

三、深水承臺雙壁鋼圍堰施工過程受力性能分析

（一）結構受力分析方法簡述

考察結構受力的主要方法包括：試驗、近似簡化以及數值分析等三種。其中，數值分析是根據有限元原理對結構的受力狀態進行模擬分析，可以精確的計入結構各構件參數，較為準確考慮結構的材料本構關系，精細的模擬結構實際的邊界條件以及受力狀態，因此其計算結果較近似簡化方法更反應結構真實的受力和變形狀態;并且在一定程度上可以將其代替試驗的方法以分析結構的受力，也更為經濟。

（二）鋼圍堰有限元模型

1、單元選取

鋼圍堰內外面板、鋼箱面板和水平環板均采用4節點彈性板殼單元shell63模擬;水平桁架、縱肋、內支撐均采用3D漸變不對稱梁單元beam44模擬。鋼圍堰三維有限元模型如圖4-1所示。

2、鋼圍堰施工過程工況分析

根據依托工程的施工方案以及施工過程中結構的受力特點，選取鋼圍堰受力較為不利的施工階段，將鋼圍堰在施工過程中的力學性能劃分為以下兩個工況進行分析：

工況一：鋼圍堰下沉到設計高程，鋼圍堰內的河床清淤至封底砼底面設計高程;該工況鋼圍堰承受自重、流水壓力以及土壓力三種荷載。

工況二：鋼圍堰封底砼達到強度要求后，鋼圍堰內抽水形成干作業空間。此工況鋼圍堰受力復雜，為最不利工況。鋼圍堰承受自重、流水壓力、靜水壓力以及土壓力四種荷載。

3、邊界條件模擬

各工況所對應的邊界條件如下：

工況一：圍堰底部節點豎向約束（即Uy=0）;各層橫向支撐中心水平方向約束，（Ux=0、Uz=0）。

工況二：圍堰底部環板節點豎向約束（即Uy=0）;內面板與封底砼接觸面上的節點水平方向約束（即Ux=0、Uz=0）。

4、圍堰施工過程受力分析

4.1工況一

該工況鋼圍堰下沉到位，圍堰內河床清基至封底砼底面設計標高，根據計算結果可以看出，各板件高應力區域分布于其下緣，受力最不利板件為鋼圍堰外面板。

4.2工況二

該工況鋼圍堰封底砼達到強度要求后，鋼圍堰內抽水形成干作業空間。此工況鋼圍堰受力復雜，為最不利工況。根據計算結果可以看出，各板件在其下緣出現應力集中現象，忽略應力集中區域各板件高應力區域分布于板件中部，并且各板件位移較大位置分布于板件中部，受力最不利板件為鋼圍堰內面板。

（三）鋼圍堰施工過程抗浮穩定量分析

封底砼澆筑完成，圍堰內抽水后，驗算圍堰抗浮穩定性。封底砼采用C20水下混凝土，厚度按1.5m計算（實際施工為2m），圍堰內隔艙加水至+63.00標高處，即內倉加水12.26m。

四、結語

本文結合實際工程的施工方案以及施工過程中結構的受力特點，對鋼圍堰受力較為不利的施工階段進行了闡述，并進一步劃分了施工工況，對各工況在其相應荷載以及邊界條件作用下結構的受力性能進行了有限元數值模擬分析。結果顯示，各工況下，不計應力集中區域，鋼圍堰各構件應力水平均小于規范規定值，最大變形均不大于7mm，均符合設計要求。各工況下，受力較為不利的構件為鋼圍堰內、外面板以及鋼箱面板，工況二（鋼圍堰封底砼達到強度要求后，鋼圍堰內抽水形成干作業空間時）為鋼圍堰受力最不利工況。對鋼圍堰封底砼澆筑完成、圍堰內抽水完成后結構的抗浮穩定性進行了驗算，結果表明鋼圍堰抗浮穩定性滿足要求。

本文對深水承臺雙壁鋼圍堰在施工過程中的靜力性能進行了研究，取得了一定的成果;但由于時間和精力有限，仍然存在一些不足之處。為使雙壁鋼圍堰結構的成熟應用，還有以下幾個方面有待進一步研究：

（一）由于鋼圍堰組成構件多為細長或薄壁構件，在其下沉就位或抽水后，還應考慮其穩定性受力問題;

（二）鋼圍堰實際受力過程中，不僅承受靜力荷載，還承受水流和波浪等動力荷載，因此若條件允許還應進行鋼圍堰的動力響應分析。

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