雙壁鋼套箱圍堰受力狀態仿真分析與現場監測

尹德智

中鐵建大橋局集團第四工程有限公司，哈爾濱150001

近20 年來，我國鐵路建設保持快速發展，并已取得重大成就［1］。在已建和擬建鐵路線路中，橋梁約占20% ～30%，部分線路橋梁占比甚至達到50% 以上［2-3］。我國是世界上河流較多的國家之一，鐵路橋梁建設過程中不可避免需要跨越江河、湖泊。其中，涉水深度達5 ～6 m 以上的橋梁基礎為深水基礎［4］。受洪水、汛期、河流漂浮物等影響，深水基礎施工作業平臺若設計不當，很容易發生安全事故。衡陽北三環跨湘江大橋施工時，水上施工平臺被洪水沖垮，造成重大經濟損失。宜陽大橋由于上游山洪爆發，水流湍急，并且河水中有大量的斷枝、垃圾等，導致宜陽大橋施工平臺被沖垮，僅直接經濟損失達3 294 萬元。因此，確保深水基礎施工平臺的安全是大跨度涉水橋梁施工安全的前提和關鍵。

鋼套箱圍堰是廣泛應用于橋梁深水基礎施工的一種擋水結構［5-8］。鋼套箱圍堰通常是采用鋼板制造的無底圍護結構，必要時內加支撐體系及混凝土封底，從而擋住套箱外側水土形成施工空間。鋼套箱圍堰的構造形式有單壁、雙壁以及單雙壁組合式［9-10］，其平面形狀有圓形和矩形（圓端形）兩種。目前，國內外研究者對深水鋼圍堰結構從施工工藝、設計計算、破壞試驗等方面進行了深入研究，并取得一定成果。但水深、水流速度、汛期頻率、結構制造工藝等實際情況差異太大，對于不同工程，應根據實際情況通過數值仿真分析和現場監測相結合的方法，確保橋梁深水基礎施工過程中鋼圍堰強度、剛度、穩定性滿足實際工程需求［11］。

在建張吉懷鐵路下壟舞水特大橋的45#墩為深水基礎（最大水深達20.5 m），施工時采用圓形雙壁鋼圍堰作為擋水結構。為確保橋梁基礎施工安全，本文采用數值仿真分析與現場監測相結合的方法，研究45#墩圓形雙壁鋼圍堰在不同工況下的受力狀態，并結合實測數據為該橋深水基礎施工提供預警和保障。

1 工程概況

在建張吉懷鐵路下壟舞水特大橋主橋為（94 +168 + 94）m 預應力混凝土連續剛構橋，上跨舞水河，見圖1。其中，45#墩為水中墩，墩高49.5 m，采用擴大基礎，承臺結構尺寸為20 m（橫橋向）×16 m（順橋向）×5 m（高）。

圖1 舞水特大橋主橋橋型布置（單位：m）

45#墩雙壁鋼圍堰外徑35 m，壁厚2 m，高21.54 m，分三節，底節高10 m，中節高7.54 m，頂節側板為單壁，高4 m。鋼圍堰由內壁板、外壁板、刃腳、水平環向加勁板、水平桁架支撐、內外壁加強豎肋、隔艙板等組成，所有構件均采用Q235鋼，主要構件材料見表1。

表1 45#墩雙壁鋼圍堰構件材料

圍堰總質量600 t，圍堰夾壁投影面積202.37 m2。由于45#墩下部河床為弱風化巖石且地勢比較平坦，巖石爆破成槽清理后，雙壁鋼圍堰以穩定姿態著床，故鋼圍堰底部為平底，并采用回字形封底混凝土。當地海事局提供的水文資料顯示，舞水河最高通航水位215.40 m，最低通航水位210.60 m。45#墩深水基礎鋼圍堰布置見圖2。橋位處設計為Ⅳ級航道，雙向通航尺寸為90 m（寬）× 8 m（高），水流方向為從線路左側流向右側，線路法線與水流方向夾角為20°。

圖2 45#墩深水基礎鋼圍堰布置（高程單位：m；尺寸單位：mm）

2 有限元模型建立

2.1 有限元模型

采用MIDAS/Civil 建立舞水河橋45#主墩鋼圍堰有限元模型。其中，豎肋、水平撐采用梁單元離散，壁板、隔艙板、環板采用板單元離散，封底混凝土采用實體單元離散，不同構件之間采用共節點連接。鋼套箱圍堰刃腳在環形基坑槽內通過混凝土與基巖嵌固，有限元分析時底部邊界條件采用固結。

2.2 計算荷載

1）靜水壓力

垂直作用建筑物（結構）表面某點處的靜水壓力p1為

式中：γw為水的重度，取 9.81 kN/m3；H為計算點處的作用水頭，按計算水位與計算點之間的高差確定。

2）夾壁間水壓力

夾壁間混凝土頂面以上4.3 m 內注入水，夾壁間靜水壓力沿徑向分布，可按式（1）計算。夾壁間混凝土頂面受到豎直向下的水壓力p2為42.18 kN。

3）施工荷載

施工荷載包括施工人員荷載和施工機具荷載，二者分別按1.5、2.0 kN/m2取值。結構計算時按線性分布荷載施加于鋼圍堰頂面，施工荷載p3為3.4 kN/m2。

4）流水壓力

作用于雙壁鋼圍堰上的流水壓力P為

式中：K為圍堰形狀系數，圓形鋼圍堰K取 0.8；A為鋼圍堰阻水面積，m2，通常計算至一般沖刷線處；ρ為水的密度，t/m3；v為計算時采用的流速，m/s。

流速隨深度呈曲線變化，底面處流速接近0。為了簡化計算，流水壓力按倒三角形加載，見圖3（a）。該圍堰所在位置處水面流速為3.18 m/s，計算得到流水壓力為3.69 kPa，作用于迎水面外壁板徑向。加載情況見圖3（b）。

圖3 流水壓力簡化分布和加載情況

5）流動混凝土側壓力

鋼圍堰施工階段的荷載主要為封底混凝土初凝前流動狀態時對側壁的靜壓力。根據JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技術規范》，新澆筑混凝土對模板的最大側壓力標準值F可按式（3）和式（4）進行計算，取較小的計算值作為最終結果。

式中：γc為封底混凝土的浮重度，取 14 kN/m3；t0為新澆混凝土初凝時間，取15 h；β1為外加劑影響系數，取1.2；β2為混凝土坍落度影響修正系數，取1.15；V為混凝土的澆注速度，取0.4 m/h；z為新澆封底混凝土表面到計算位置的距離。

GB 50666—2011《混凝土結構工程施工規范》中新澆筑混凝土對模板最大側壓力標準值F為

式中：β為混凝土塌落度影響修正系數，取1.0。

取上述兩種規范計算值中的較大值，得到鋼圍堰夾壁混凝土初凝前流動狀態下F=40.29 kPa。

2.3 計算工況

1）工況一，鋼圍堰拼裝。鋼圍堰分為三節進行安裝施工，底節、中節、頂節質量分別為235.3，257.9，106.8 t。鋼圍堰入水后，完成三節鋼圍堰拼裝。但此工況下，鋼圍堰漂浮在水中，圍堰自重與流水浮力平衡，鋼圍堰基本不受力。因此，本文著重分析后續工況。

2）工況二，鋼圍堰下沉封底，澆筑夾壁混凝土。鋼圍堰拼裝完成后在夾壁內注水，然后澆筑混凝土，使圍堰下沉到設計位置。此時未進行圍堰內抽水工作，圍堰內部為滿水狀態，圍堰內外水頭差為0。此時，圍堰封底混凝土還未達到設計強度，混凝土對內外壁板有側壓力作用。夾壁混凝土頂標高為202.961 m，圍堰內側混凝土頂標高為197.961 m，高差為5 m。此時，鋼圍堰所受荷載組合為自重+流動混凝土側壓力+流水壓力。

3）工況三，圍堰內抽水。此時圍堰夾壁內澆筑混凝土已經達到設計強度，夾壁混凝土對壁板沒有側向壓力，圍堰外壁板受河水壓力，圍堰內水已抽干，無水壓力。為減少鋼圍堰外壁板水位差，圍堰夾壁內注水，高度為4.3 m。此時，鋼圍堰所受荷載組合為自重+靜水壓力+夾壁內注水壓力+施工荷載+流水壓力。

3 不同工況下鋼圍堰的受力狀態

3.1 工況二

工況二作用下鋼圍堰最大位移為1.45 mm，發生在距圍堰底部4 ～5 m，圍堰上部變形很小。說明混凝土濕重作用下，鋼圍堰具有足夠剛度。

工況二鋼圍堰各構件應力最大值見表2，內壁板Von Mises 應力見圖4。可知：①在混凝土澆筑附近圍堰各構件應力較大，遠離混凝土澆筑區域圍堰各構件應力較小；②外壁板應力大于內壁板應力，但總體應力水平未超過Q235 鋼材強度設計值；③豎肋與環板相交位置有局部應力集中，最大壓應力-118.4 MPa出現在距圍堰底部3 ～4 m的豎肋與水平撐相交處。

表2 工況二鋼圍堰各構件應力最大值

圖4 內壁板Von Mises 應力（單位：MPa）

3.2 工況三

工況三下鋼圍堰最大位移為10.1 mm，出現在圍堰外壁板兩個隔艙板中間，距夾壁混凝土頂面3.3 ～3.7 m，向圍堰內側凹陷。此時，圍堰內部水完全抽干，夾壁內側水位高度為4.3 m，圍堰內外側水位差最大，壁板變形最大，但總體剛度仍滿足舞水河大橋45#主墩施工需求，且具有足夠儲備。

工況三鋼圍堰各構件應力最大值見表3。可知，工況三下鋼圍堰各構件應力水平比工況二明顯增大，但遠小于Q235 鋼材強度設計值215 MPa，結構具有足夠的強度儲備。豎肋應力最大值為152.7 MPa。

表3 工況三鋼圍堰各構件應力最大值

出于安全考慮，分析鋼圍堰夾壁內混凝土受力狀態時未計入混凝土內部的環板、豎肋、角鋼平撐等鋼構件的影響。夾壁混凝土主應力見圖5。可知：夾壁混凝土第一主應力基本小于1 MPa，但在混凝土頂部與隔艙板相交處很小范圍內混凝土出現應力集中，應力最大值為10.0 MPa；混凝土第三主應力最小值為-7.89 MPa，出現在混凝土頂面。夾壁采用C20混凝土，其軸心抗拉強度設計值為1.10 MPa，軸心抗壓強度設計值為9.6 MPa。據此推斷混凝土頂面局部受拉開裂，但有限元計算中并未考慮壁板上豎肋的抗拉作用，且頂面局部小范圍的開裂不影響圍堰結構的使用，故夾壁混凝土強度滿足要求。

圖5 夾壁混凝土主應力（單位：MPa）

整體穩定性分析結果表明，工況三下圍堰結構第一階穩定系數為4.20（圖6），第二階穩定系數為6.40，第三階穩定系數為6.46，均大于經驗值4.00，滿足穩定性要求。

圖6 圍堰結構第一階失穩模態

4 鋼圍堰現場監測

4.1 監測方案

在理論分析的基礎上，結合施工現場實際情況制定監測方案，合理布置應力測點，對45#墩深水基礎施工期間雙壁鋼圍堰受力狀態進行監測。監測設備采用JMZX-206HAT 水下振弦式應變計和JMZX-3001 綜合測試儀。汛期和抽水階段監測頻率均為1 次/d，一般情況下為1次/2 d。監測時間由2018年10月持續至2019年11月。

將雙壁鋼圍堰結構在水平面內劃分為8個等大的隔艙，艙號從小到大記為1#～8#艙（圖7）。考慮結構對稱性，圍堰所有應變計測點布置在 1#、3#、5#、7#四個艙室內，見表4。

表4 45#主墩雙壁鋼圍堰應變計測點數量和布置位置

圖7 45#主墩雙壁鋼圍堰艙室編號

4.2 監測結果分析

有限元計算結果表明工況三為最不利工況。工況三45#主墩雙壁鋼圍堰主要構件應變實測值與計算值對比見表5。

表5 工況三45#主墩雙壁鋼圍堰主要構件應變實測值與計算值對比

由表5可知：

1）各測點應力實測值均小于計算值，相對差值在10% ～15%，主要原因在于實際圍堰內夾壁混凝土高度和注水高度與設計值略有差異。45#主墩雙壁鋼圍堰結構受力安全，且有限元計算值與實測值基本吻合。

2）各主要構件中豎肋應力水平最大，實測應力在120 MPa 以上，其次是外壁板，實測應力在100 MPa 以上，水平撐和環板的應力水平相對較低，實測應力在80 MPa左右。

3）監測結果表明，圍堰內部抽水完成后，各測點實測應力達到最大值，但均未超過Q235 鋼材強度設計值，45#主墩深水基礎施工過程中雙壁鋼圍堰受力處于安全狀態。

5 結論

1）有限元計算結果和現場實測結果表明，舞水特大橋45#墩深水基礎施工過程中，雙壁鋼圍堰的強度、剛度均滿足GB 50017—2017《鋼結構設計規范》限值要求，且具有足夠儲備。

2）對于舞水特大橋45#墩雙壁鋼圍堰，鋼圍堰內水完全抽干時為最不利工況，但結構總體剛度、強度和穩定性仍具有足夠儲備。其中，鋼圍堰最大位移達10.1 mm，豎肋最大應力為152.7 MPa，發生在夾壁混凝土頂面3 ～4 m 的豎肋與水平撐相交處。其次是外壁板，最大應力達到131.2 MPa，其他主要構件應力水平均在100 MPa 左右。前三階穩定系數分別為4.20，6.40和6.46，均大于經驗值4.00。

3）各測點應力計算值與實測值基本吻合，各測點實測值均小于計算值，相對差值在10%～15%，實際結構更偏安全。