基于ANSYS鋼板樁圍堰有限元分析

張樹清， 魏慶慶

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司; 公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230088)

1 工程概況

太和縣穎河四橋,主跨(63+115+63) m，為變截面預應力混凝土連續梁。鋼板樁圍堰尺寸為27 m×17 m,鋼板樁樁長28 m,采用長密扣式拉森Ⅳ級鋼板樁,如圖1所示。鋼板樁圍堰四周打入8根D529 mm的鋼管樁,四角各1根,每個圍堰面中心各1根。內設置1道冠梁,距離承臺底設置7道圍檁支撐,間距分別為2.2 m、2.2 m、2.2 m、2.1 m、2.0 m、2.0 m、1.0 m。施工計算按15#墩最不利計算。根據太和縣水文資料,按汛期水位資料控制,鋼板樁頂面標高29.5 m。

圖1 鋼板樁圍堰布置圖

2 材料參數

鋼材彈性模量[1]Es=2.1×105MPa,泊松比νs=0.3,溫度線膨脹系數為1.2e-5。鋼材強度設計值指標應根據鋼材牌號、厚度或直徑取值[2],按表1采用。

表1 鋼材的強度設計值

3 計算荷載

計算時按施工水位的最大標高取鋼板樁圍堰的頂標高，為+29.5 m。結構所受的側面壓力,在河床以上的范圍內為靜水壓力,在河床以下至封底混凝土底面以上的范圍內為靜水壓力與主動土壓力之和。

考慮施工過程,分析結構受力狀態,選取支護結構的最不利狀態進行分析計算,共選取九種工況進行計算分析。

工況一:圍堰打插到位,吸除基底泥土至基坑底設計位置,封底混凝土尚未澆筑,圍堰內有水,圍堰內外水壓力平衡,圍堰只受土壓力作用。

工況二:圍堰打插到位,吸除基底泥土至基坑底設計位置,封底混凝土尚未澆筑,圍堰內有水,圍堰內外水壓力平衡,圍堰只受土壓力作用,為平衡土壓力圍堰內注水使圍堰內水位高于圍堰外20 cm。

工況三:封底混凝土澆筑完成,抽水至第二道圍檁位置,第二道圍檁尚未安裝,圍堰受(外側高出部分)土壓力作用+水壓力。

工況四:第二道圍檁安裝完成,抽水至第三道圍檁位置,第三道圍檁尚未安裝,圍堰受土壓力作用+水壓力。

工況五:第三道圍檁安裝完成,抽水至第四道圍檁位置,第四道圍檁尚未安裝,圍堰受土壓力作用+水壓。

工況六:第四道圍檁安裝完成,抽水至第五道圍檁位置,第五道圍檁尚未安裝,圍堰受土壓力作用+水壓力。

工況七:第五道圍檁安裝完成,抽水至第六道圍檁位置,第六道圍檁尚未安裝,圍堰受土壓力作用+水壓力。

工況八:第六道圍檁安裝完成,抽水至第七道圍檁位置,第七道圍檁尚未安裝,圍堰受土壓力作用+水壓力。

工況九:第七道圍檁安裝完成,圍堰內水抽完,圍堰受土壓力作用+水壓力。

4 計算模型

4.1 有限元模型

鋼板樁圍堰結構具有對稱性,建模應考慮其對稱性。為減少計算規模,提高有限計算單元網格劃分精度,根據設計鋼板樁、圍檁、支撐拼接點具體情況作適當簡化處理。采用ANSYS軟件建立鋼板樁圍堰有限元模型，如圖2所示。鋼板樁采用殼單元shell 63模擬,應力剛化和大變形能力已考慮在其中[3]。圍檁和支撐采用梁單元beam 44模擬。

圖2 鋼板樁圍堰有限元模型圖

4.2 邊界條件

根據圣維南原理：分布于彈性體上一小塊面積(或體積)內的荷載所引起的物體中的應力，在離荷載作用區稍遠的地方，基本上只同荷載的合力和合力矩有關；荷載的具體分布只影響荷載作用區附近的應力分布[4]。

由于鋼板柱圍堰的入土深度較大,土體對入土部分的圍堰起到了嵌固作用,此時圍堰上端受到內撐的支撐作用[5],下端受到土體的嵌固支承作用。本文計算作出如下假設:

(1) 因土處于飽和水狀態,為簡化計算且偏安全考慮,不考慮土的黏聚力(c=0)。

(2) 假設鋼板樁在封底混凝土面以下1 m處固結,在ANSYS中限制Ux,Uy,Uz約束。

(3) 土壓力計算采用不考慮水滲流效應的水土分算法[6],即鋼板樁承受孔隙水壓力、有效主動土壓力及有效被動土壓力。

(4) 鋼板樁間連接可靠,不考慮栓釘、焊縫影響,不考慮栓釘滑移。

模型橫橋向為X軸,順橋向為Z軸,豎橋向為Y軸,右手螺旋法則確定。

5 結果分析

通過有限元分析,繪制出鋼板樁圍堰等效應力云圖,限于篇幅僅列出施工過程中工況一、工況二、工況九的應力云圖,如圖3～圖5所示。各工況作用下,結構最大響應見表2。

圖3工況一 鋼板樁圍堰等效應力(單位：MPa)

圖4工況二 鋼板樁圍堰等效應力(單位：MPa)

圖5工況九 鋼板樁圍堰等效應力(單位：MPa)

表2 各工況作用下結構最大響應

鋼板樁在施工過程,工況二、工況三、工況四作用下,應力較大。原因分析:如工況二作用下,第一道圍檁安裝完畢,抽水至安裝第二道圍檁,第二道圍檁尚未安裝時,第二道圍檁至封底混凝土頂面部分鋼板樁,承受圍堰外側土壓力和第一道圍檁與第二道圍檁之間高度3 m的水頭壓力,根據靜水壓力為三角形荷載:Pa=ρgH1,H1為距離水面的高度,水壓力為2.2×10=22 kN/m2,鋼板樁類似于兩端支撐的簡支梁,最大支撐間距13.7 m,鋼板樁在水壓力+土壓力作用下變形很大,鋼板樁應力較大。

鋼板樁應力、變形結果顯示,鋼板樁施工,隨著圍檁支撐的安裝,應力、變形量值逐步降低,鋼板樁可看作兩點支撐的簡支梁,逐步增加支撐點變成為多點支撐的連續梁,支撐間距減小,鋼板樁受力趨于合理,鋼板樁應力減小。

橋梁深水基礎采用的鋼板樁的最大應力為σ=202.303 MPa<[σ]=300 MPa,滿足要求; 鋼管樁最大應力為158.224 MPa<[σ]=300 MPa,強度滿足要求;圍檁支撐穩定性滿足要求;圍檁最大應力為140.797 MPa<[σ]=300 MPa,強度滿足要求。

6 結束語

由于水深較大,常水深接近10 m,基坑開挖后水深達到18 m,加之地質較差,內部基坑抵抗力偏弱,內外的壓力差很大,基礎承載力偏小。采取如下措施:

(1) 鋼板樁28 m,入土深度10.8 m。

(2) 為提高承載力和改善鋼板樁受力及穩定性,建議采用圍堰內壁輔助插打鋼管樁予以加固,如插打8根D529鋼管樁。

(3) 鋼板樁打插到位,吸除基地泥土至基坑底設計位置,封底混凝土尚未澆筑,圍堰內有水,施工時鋼板樁受力最為不利,穩定性較差,施工時應采取一定措施,保證鋼板樁穩定,比如可邊清基邊往圍堰內注水,使圍堰內水位高于河水水位,保持一定水頭壓力差約20 cm。