基于MIDAS CIVIL的鋼板樁圍堰整體模型簡易建模方法研究

程金雄

摘要：對于水上橋梁基礎施工，鋼板樁圍堰是保證深基坑施工質量的可靠技術，圍堰的可靠性直接影響工程質量和施工人員的人身安全。本文結合武漢市仙女山路（墨水湖北路—四新南路）工程水下承臺施工，介紹了水下深基坑鋼板樁圍堰整體模型采用MIDAS CIVIL的兩種建模方法對比，針對本項目建立的模型，計算分析了簡易建模方法，結果表明：簡易建模方法對于一些簡單支撐的圍堰完全能滿足其要求，對建模技術水平要求不高，荷載及邊界施加時選取節點方便，為同類工程提供了一定的借鑒和參考。

關鍵詞：鋼板樁圍堰;整體建模;MIDAS CIVIL

中圖分類號：TV551.3 ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

鋼板樁具有強度大、施工速度快、可重復利用、防水及經濟效益好、可組成各種形狀等優點，被廣泛應用在市政、公路、水利等基礎建設工程中。對于水上橋梁基礎，往往通過圍堰來形成臨時結構并輔助施工，而圍堰的設計及計算，基本都由施工單位自行完成，且圍堰的可靠性對于施工人員的人身安全至關重要，隨著有限元分析方法的發展，MIDAS CIVIL對于橋梁臨時結構的模擬計算逐漸被業內人士認可，通過建立整理模型，針對鋼板樁圍堰在不同工況下的受力狀況進行分析，這種方法相比經驗計算更精確可靠。

本文以武漢市仙女山路（墨水湖北路—四新南路）工程1號橋某主墩基礎施工為例，介紹了兩種鋼板樁圍堰整體建模方法，運用MIDAS CIVIL軟件對鋼板樁、圍檁、內支撐等結構進行驗算，為同類工程提供了借鑒和參考。

1 工程概況

武漢市仙女山路（墨水湖北路—四新南路）工程1號橋主橋為五跨連續變截面預應力混凝土箱梁橋，其跨徑布置為30 m+3×50 m+30 m，總跨徑210 m，主墩承臺位于龍陽湖上，本文僅以3號墩作為計算對象進行分析，承臺尺寸為8.4×7.5×3 m方形承臺，一個承臺下布置鉆孔灌注樁4根，樁徑1.8 m，樁長30 m。

龍陽湖常水位19.5 m，水深1～3 m，勘測期間平均水深1.4 m，3號墩處湖底淤泥頂標高18.05 m，水深1.45 m，承臺設計低于湖底約1 m，全部位于河床下，承臺頂標高17.7 m，封底混凝土厚為1 m，承臺厚3 m，基坑底標高13.7 m。

2 鋼板樁圍堰設計

2.1 地質情況

根據地勘報告，場地3號墩處土層情況如表1所示.

2.2 圍堰結構及材料特性

根據經驗及初步測算，結合場地條件、施工工藝、地質情況等因素，該處基坑采用12 m長拉森IV型鋼板樁+一道內支撐的支護體系，基坑離承臺襟邊1 m作為施工空間，鋼板樁圍堰整體尺寸為11.4 m×10.5 m，圍檁采用HM350*350型鋼，內支撐采用273*7圓管，材料均為Q235。材料特性如表2及3所示。

鋼板樁圍堰及地層相對關系的平面圖如圖4所示。

3 兩種整體模型建模方法

通過MIDAS CIVIL建立鋼板樁圍堰模型的方法很多，其中最簡易的方法是建立一根鋼板樁模型進行受力分析，此種方法對于圍檁和支撐的模擬程度不夠，還需結合手算[1];第二種方法是在第一種方法的基礎上將鋼板樁進行拓展，采用梁單元進行模擬，相比第一種方法可以將圍檁和支撐整體模型建立起來;第三種是采用鋼板樁圍堰輪廓進行線單元到板單元的擴展，采用板單元進行模擬，這種方法節點多，建模過程較前兩種方法相對復雜[2]。

3.1 采用板單元建立整體模型

采用CAD DXF文件導入至MIDAS CIVIL建立線單元，再通過拓展命令，建立鋼板樁圍堰整體模型。

3.2 采用梁單元建立簡易整體模型

采用該方法建立模型后節點2 626個，單元2 732個，在進行邊界及荷載施加時比較復雜，建模容錯率較低。鋼板樁、圍檁、支撐全部采用梁單元進行模擬，首先需要定義一個板樁模型，為方便計算和選取，我們可以采用矩形板樁模擬鋼板樁，定義板樁寬B=1 m，H=0.34 m（0.34 m為兩片鋼板樁扣緊之后的疊加厚度），然后通過調整截面板材抗彎截面模量與鋼板樁一致，如圖7所示。

將板樁面積、抗彎截面模量與鋼板樁自身參數設置為一致，一方面能保證鋼材的自重數據，另一方面能保證板樁的抗彎能力，這兩個參數都是計算的重要依據。

具體過程如下：先建立1/4模型，再通過鏡像形成整體模型，底部約束Z方向位移，主動土壓力采用連續梁單元荷載進行模擬，被動土壓力采用土彈簧進行模擬，土彈簧參數通過m法進行計算得到，采用這種方法建立模型后節點總數598個、單元總數556個。相比“線單元拓展板單元”模擬方法，邊界條件設置、荷載添加都比較方便，只是整體模型上不如“線單元拓展板單元”模擬方法更形象美觀，但是不影響計算結果，且荷載及邊界施加完成后清晰明了，對于施加錯誤，模型修改也比較方便。

4 簡易模型計算結果

4.1 荷載組合及工況

自重取計算系數-1，模型自動計算;靜水壓力，水深1.45 m，密度1 t/m3;荷載組合：標準值=自重+土壓力標準值+水壓力標準值、設計值=1.2×自重+1.4×外部水壓力標準值+1.2×土壓力標準值;計算工況：根據本項目實際情況，開挖至封底混凝土底標高時為最不利工況，項目封底采用干封底技術，該處開挖深度為最深，即基坑內抽水挖泥至標高13.7 m，澆筑封底混凝土之前[3]。

4.2 位移及應力計算結果

取鋼板樁圍堰系統位移和應力的最大值，鋼板樁位移和應力最大值如圖8、9所示。

通過穩定性計算，在該圍堰嵌固深度下穩定性系數滿足規范要求：

封底砼采用干作業施工，抽水后開挖至設計標高進行干封底，設計封底砼厚度為1 m，封底混凝土厚度以混凝土抗拉強度進行驗算，取兩根樁基間距寬1 m、高為h的混凝土梁為計算單位，則混凝土所受拉應力應滿足：

其中，

參考《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結構設計規程》（CECS137-2015）浮力取分項系數1.27，自重取分項系數1.0，C20混凝土容許拉應力為1.06 MPa，解方程得h=0.864 m，按照厚度驗算取封底砼厚度1 m能夠滿足要求。

5 結語

文中詳細介紹了采用MIDAS CIVIL的兩種鋼板樁圍堰整體模型建模方法，可以看出，采用“線單元拓展板單元”模擬方法明顯比采用自定義板樁模擬方法要復雜，節點單元多，要求的建模技術也更高;針對第二種簡易整體模型建模方法，以武漢市仙女山路（墨水湖北路—四新南路）工程3號墩實際情況為例進行了建模分析，主要分析圍堰鋼板樁、圍檁和支撐的應力及位移狀況，并對危險工況進行了計算，通過計算得到危險工況下的樁體應力、變形圖，結果表明該簡易建模方法對于一些簡單支撐的圍堰完全能滿足其要求，而且建模技術要求不高，荷載及邊界施加時選取節點方便，對類似工程具有一定的借鑒意義[4]。

對于比較復雜的深大基坑，若要求建立封底混凝土實體模型和對施工階段進行模擬，則需要進行線單元→面單元→實體單元的拓展建模方法，此種情況下可采用文中第三種建模方法，對建模人的要求相對高一些，也比較形象方便。

（責任編輯：武多多）

參考文獻：

[1]龔曉楠.深基坑工程設計施工手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2018.

[2]GB50017，鋼結構設計規范[S].北京：中華人民共和國建設部，2003.

[3]錢靚，王昕明.大型橋梁水下深基坑鋼板樁圍堰設計與施工[J].湖南工業職業技術學院學報，2018，18（06）：5-8.

[4]武漢市仙女山路（墨水湖北路—四新南路）工程施工組織設計.