新型組合結構圍堰鋼-混連接段關鍵技術

張凱 張程然， 張振 譚映梁

（1.四川公路橋梁建設集團有限公司，成都 610015；2.西南交通大學土木工程學院，成都 610031）

在深水中建造大型水利或交通工程，基礎開挖受水的制約而難度很大，必須修建一種臨時圍封并創造干作業空間的結構——圍堰［1］。目前，橋梁基礎施工中圍堰類型主要包括：鋼板樁圍堰、鎖扣鋼管樁圍堰、鋼吊箱圍堰、鋼套箱圍堰、土石圍堰等［2-5］。近年來，從降低施工成本，優化作業效率的角度出發，各種結構形式的組合圍堰也不斷涌現出來。蒙西至華中鐵路洞庭湖特大橋［6］施工中，采用了下部鋼筋混凝土+上部鋼板樁圍堰。潮漳高速公路韓江特大橋2#主墩［7］施工中，采用混凝土墻及鋼板樁組合圍堰，取得了理想的經濟以及施工成本控制效果。青島海灣大橋第五合同段［7］承臺施工采用了混凝土-鋼套箱組合圍堰完成了海上施工任務。甌江特大橋7 號主墩［8］利用鋼板樁+混凝土墻組合圍堰解決橋區作業環境復雜，施工難度大的問題，取得了良好的止水效果，各項力學指標均滿足要求。南京內環繞城高速路［9］橋梁擴建工程中，采用鋼-混組合雙壁鋼圍堰，克服了復雜的現場作業條件，縮短了項目建設周期。組合圍堰施工中，其組合結構的連接構造是決定圍堰施工質量、防滲止水效果的重要控制點，其構造設計的好壞往往決定橋梁基礎施工建設的成敗。

本文以建設中的宜賓臨港長江公鐵兩用大橋（以下簡稱臨港橋）3#主墩基礎施工為依托，對國內首次采用的混凝土咬合樁+雙壁鋼圍堰進行了介紹。針對組合結構圍堰設計重點控制環節，采用ABAQUS 建立鋼-混連接段有限元元模型并進行現場監控，驗證結合段設計的合理性。

1 工程概況

1.1 項目簡介

建設項目位于四川省宜賓市內，該橋為川南城際鐵路與蓉昆高鐵、渝昆高鐵，及連接宜賓北岸臨港區、南岸翠屏區市政交通的共同過江通道。臨港橋跨布置為9×40.7 m+（72.5+203+522+203+72.5）m 主 橋+7×40.7 m；橋梁全長1 724.2 m，主橋長1 073 m，主橋立面見圖1。

圖1 主橋立面（單位：cm）

1.2 組合圍堰設計概況

臨港橋3#主墩位于江心，采用矩形承臺設計，承臺頂面標高253.3 m，尺寸為67.00 m×35.75 m×7.00 m。

由于橋梁所處區域水位變化劇烈，在實際施工中結合現場施工條件，采用一種新型的鋼-混組合型圍堰設計。即在長江水位枯水期，施工下部混凝土咬合樁作為組合圍堰結構下部基礎。在長江洪水期來臨前，接長上部雙壁鋼圍堰，組合圍堰立面如圖2所示。

圖2 組合圍堰立面（單位：m）

為充分發揮混凝土材料的抗壓承載能力，臨港橋組合圍堰采用“雙拱形啞鈴”構造［10］。組合圍堰沿環向共分為22 個塊段，在中部塊段之間設置3 層橫向鋼管支撐，組合圍堰整體平面尺寸84.5 m×50.0 m，如圖3所示。

圖3 組合圍堰平面布置（單位：cm）

1.3 組合圍堰鋼-混連接段設計構造

組合圍堰鋼-混連接段為結構設計控制重點，是保證圍堰防滲止水效果、結構安全的前提。最為常見的鋼-混連接段設計有內槽鑲嵌、預埋螺栓連接等方式［11-12］，但上述連接方式施工工序較為繁瑣，結構強度難以保證，故在本項目中采用“預埋板+剪力筋”連接方式。即在組合圍堰冠梁施工期間，提前預埋中部定位剪力筋以及兩側預埋板連接件。當組合結構圍堰上部接長通過咬合樁上部冠梁接長時，將兩側預埋板與上部鋼圍堰底部進行焊接連接，并澆筑C30 夾倉混凝土提高連接段整體止水性以及結構強度。組合圍堰鋼-混連接段設計如圖4所示。

圖4 組合圍堰鋼混連接段設計（單位：cm）

2 有限元模型分析

2.1 計算模型

組合圍堰鋼-混連接段結構復雜，是圍堰結構設計控制重點部位，為驗證結構設計的合理性，利用有限元軟件ABAQUS 建立了組合圍堰結構3D 模型。采用4 節點線性實體單元（C3D4）模擬組合圍堰計算模型中咬合樁、冠梁及夾倉混凝土。采用三維桁架單元T3D2 模擬圍堰內部剪力筋；4 節點曲面薄殼模擬上部雙壁鋼圍堰部分。將雙壁鋼圍堰表面與夾倉混凝土綁定，從而實現鋼和混凝土的共同作用。結構總共劃分331 357個單元，98 884個節點。

2.2 材料參數

計算模型中混凝土采用Willam?Warnke 五參數破壞準則進行模擬，相應參數取值可參見文獻［13］，具體表達式為

式中：y=σ∕fc，x=ε∕εc，fc為混凝土軸心抗壓強度，fc= 0.4f7∕6cu；εc為混凝土受壓峰值應變，εc= 383f7∕18cu×10-6；fcu為混凝土立方體抗壓強度；A1為混凝土單軸受壓上升段參數，A1= 9.1f-4∕9cu；B1= 1.6(A1- 1)2；對于鋼筋混凝土α1= 2.5f3cu× 10-5。

鋼材本構關系采用彈塑性模型，符合Von Mises屈服準則和各向同性應變硬化。對應的應力-應變關系如下：

式中：σi為鋼材等效應力；fs為鋼材屈服強度；fu為鋼材極限強度，取1.5fs；Es為鋼材彈性模量，取2.06 ×105MPa；Est為硬化模量，取0.46%Es；εi，εy，εst與εu分別為鋼材的等效應變、鋼材屈服應變、鋼材強化時應變與鋼材的極限應變，εu=εst+ 0.5fs∕(0.46%Es)，其中εu= 120εy。

2.3 鋼材與混凝土粘結

由于夾倉混凝土在組合圍堰鋼板中澆筑，圍堰鋼壁板與混凝土間發生相互滑移前，存在水泥凝膠體與壁板間接觸面的化學黏結力以及粗糙不平的鋼板表面和混凝土的機械咬合力，計算模型中通過定義基于面的黏結行為（Surface?based cohesive behavior）進行模擬，其本構模型方程如式（3）所示。

式中：τ為黏結應力，MPa；s為滑移，mm；k1為線性段斜率，k1=τcr∕scr；k2為劈裂段斜率，k2=(lu-τcr)∕(su-scr)；k3為下降段斜率，k3=(τr-τu)∕(sr-su)。τan為卸載點的黏結應力，MPa；sun為卸載點的相對滑移，mm；ft，r為鋼材的極限強度。

2.4 設計荷載

1）結構自重

組合圍堰結構自重系數取1.0。

2）樁身土壓力

樁身主動土壓力為

式中：q為咬合樁每延米受到荷載，kN∕m；μ為主動土壓力系數，取0.301 4；D為為咬合樁樁身直徑，取1.25 m；γ為土體重度，取9 kN∕m3（依據水土分算原則）；h為樁在土內的深度。

3）靜水壓力

靜水壓按三角形分布，取橋區不同水深進行計算，靜水壓最大計算深度19.2 m。

4）動水壓力

組合圍堰結構復雜，為了準確獲得施工期間其受到的流水壓力，依據組合圍堰尺寸制作了1∶100 相似模型，并將其放置于試驗水槽中，以測定組合圍堰結構各塊段在不同流速以及不同水深作用下的動水壓力，組合圍堰數值計算模型荷載如圖5所示。

圖5 計算模型荷載分布

2.5 計算結果

依據施工期間橋區可能出現的水位情況，建立ABAQUS 局部模型對組合圍堰鋼-混連接段受力狀況進行了模擬，最高計算水位269.0 m，計算結果見圖6，構件最大變形及應力見表1。

圖6 ABAQUS數值模型計算結果（單位：MPa）

表1 構件最大變形及應力

由表1 可知，在預期出現的最不利工況條件下，組合圍堰內、外壁板最大等效應力分別為83.4，78.2 MPa小于組合結構圍堰材料Q345鋼材fsd=295 MPa。組合圍堰夾倉混凝土的最大變形、最大主應力、最小主應力分別0.87 mm，0.87 MPa，5.33 MPa。除在部分節點，混凝土最大主拉應力達到1.98 MPa 外，其余均小于C30 混凝土設計抗拉強度fsd= 1.41 MPa，部分最大主拉應力最大值為1.18 MPa。組合結構圍堰鋼-混連接段在預計最高施工水位269.0 m工況下，結構強度設計滿足需求，組合結構圍堰鋼-混連接段設計合理。

3 組合圍堰現場監測

3.1 現場監測方案

臨港橋基礎施工期間對組合結構圍堰內外壁板應力狀態進行了監測。組合圍堰施工期間，連接段部位主應力方向未知，故壁板應力測量采用45°應變花進行測量，即通過測量3組不同角度的應力計讀數，計算待測部位主應力，主應力計算公式為

式中：σ為構件主應力，MPa；ε為對應應變計度數；μ為鋼材泊松比；E為彈性模量。

組合圍堰共設置壁板應力測點3 處，分別位于圍堰結構河岸側、河心側及迎水面處。

3.2 現場測量數據采集

組合結構圍堰內外壁板應力監測采用智能表貼式應變計測量，并通過擱置于橫撐處的數據采集設備進行24 h不間斷采集，表貼式應變計測量量程±1 500×10-6，有效測精度0.1% F.S。組合圍堰壁板應力測量應變計安裝、數據采集設備如圖7所示。

圖7 組合圍堰現場監測數據采集

3.3 對比分析

組合結構圍堰現場監控中橋區最高記錄施工水位267.3 m，小于預計最高施工水位269.0 m，現場監控期間在不同水位時內外壁板應力監測點1，2的測量數據與鋼-混連接段數值模型模擬結果見8所示。

圖8 組合圍堰監控應力與模擬計算結果

由圖8 可知，組合圍堰施工期間壁板應力監測點應力變化均勻平穩。在水位低于262.0 m 時，組合圍堰壁板應力較小，伴隨洪期來臨，橋區水位逐步上升，組合圍堰壁板應力逐漸增大，在施工267.0 m 時達到記錄最大值。

其中，組合圍堰河心、河岸內壁板2個監測點最大應力為105.2，97.4 MPa，相較于計算值92.1 MPa 誤差分別為14.22%，5.75%；外壁板2 個監測點最大應力為100.7，94.6 MPa，相較于計算結果85.4 MPa，誤差分別為17.91%，10.78%。

4 結論

1）組合圍堰“鋼-混連接段”構造合理，能保證橋梁基礎施工期間安全需求。

2）分析比較現場測量結果與ABAQUS 數值模型計算結果發現，二者較為接近，誤差范圍介于5.75%～17.91%，有限元模型符合實際情況，具有代表性。

3）施工期間圍堰止水效果良好，鋼-混連接部位未出現明顯的滲、漏水情況，為臨港橋基礎施工創造了有利的環境條件，保證了橋梁基礎施工的順利進行。