深水基礎鎖扣鋼管樁圍堰施工過程仿真分析

孫俊昌,張 晨,余學林

(中南檢測技術有限公司,湖北 武漢 430040)

建造水下基礎的關鍵是解決深水帶來的一系列問題[1]。如何在深水中安全、迅速、經濟地建設橋梁下部結構,已成為國內外工程人員重點研究的問題。基坑圍堰的應用越來越多,具體形式也較多[2],有鋼筋混凝土或預應力混凝土板樁圍堰、雙壁鋼圍堰、單壁鋼圍堰和鎖扣樁圍堰等多種圍堰形式。而鎖扣鋼管樁圍堰結構穩定,施工周期短,施工樁基時即可插打鋼管樁,對起重設備要求低,材料可回收利用,適用于軟弱覆蓋地層河床。為確保鎖扣鋼管樁圍堰結構安全,施工前需進行施工過程仿真分析,掌握鋼圍堰的應力分布規律、穩定性和變形情況。

1 工程概況

某斜拉橋主墩樁基承臺及塔座施工采用鎖扣鋼管樁圍堰,鋼管樁為Φ820×12 mm,鎖扣為Φ180×6 mm和I20b型鋼組合形式,大小鋼管間兩側采用豎向加勁板加固并與連接的鋼管滿焊,Φ180×6 mm鋼管切口與下一段的I20b型鋼咬合,鎖扣內壓注防水材料。順橋向每側打設25根鎖扣鋼管,橫橋向每側打設36根鎖扣鋼管,按矩形布置,圍堰鋼管平面尺寸為38.5 m×28.6 m。

鋼管樁設計長度為32 m(樁頂標高+19.00 m,樁底標高-13.00 m),打入承臺以下16 m;第一層圍囹、第二層圍囹采用2HN700×300H型鋼,第三層圍囹、第四層圍囹采用3HN700×300H型鋼,1#斜撐采用2I56a型鋼,2#斜撐、3#斜撐采用Φ820×12 mm鋼管,封底混凝土為4 m厚的C30混凝土。鋼構件為Q345鋼材。

根據當地水文氣象資料,取鋼圍堰外設計水位標高為+18.00 m。

2 鋼圍堰施工流程

鋼圍堰關鍵施工流程如下。

插打鎖扣鋼管樁(同時進行樁基施工)→下放各層圍囹→完整安裝第一層圍囹→清理鋼圍堰底部淤泥→在鋼圍堰封底混凝土四角位置插打抗拔鋼管樁→清理樁基鋼護筒、鎖扣鋼管樁、封底混凝土抗拔鋼管樁表面泥巴(確保封底混凝土與其良好黏結)→澆筑封底混凝土。

水下完整安裝第三層內撐,中間三根長內撐桿全部安裝。安裝必須確保圍囹與鎖扣鋼管樁緊密連接。

水下安裝一部分第四層內撐,通過短內撐將圍囹與樁護筒連接,確保圍囹與鎖扣鋼管樁緊密連接,在第四層圍囹與鋼護筒之間安裝短內撐。

抽水至+12.00 m水位,完整安裝第二層內撐,確保圍囹與鎖扣鋼管樁緊密連接。

抽水至+8.00 m水位,加固第三層內撐。

抽水至+6.00 m水位,完善安裝第四層內撐(四角四根斜內撐和中間三根長內撐桿)。

抽水至封底混凝土。

承臺施工、拆除第四層內撐,承臺下部與鎖扣樁之間空隙填筑砂土,承臺頂(標高+8.00 m)與鎖扣樁接觸位置澆筑50 cm厚C30混凝土作為圈梁。

拆除第三層內撐→圍堰內回水至+11.00 m水位→拆除第二層兩端兩根長內撐桿。

圍堰內回水至+18.00 m水位→拆除第一層內撐和第二層內撐。

拆除所有鎖扣鋼管樁。

3 有限元模型

使用midas Civil有限元程序建立鋼圍堰整體模型,進行施工階段仿真分析。荷載:考慮自重、靜水壓力、流水壓力、風荷載及土壓力[3],根據具體情況施加在不同施工階段。

邊界條件:鋼管樁底部邊界條件為鉸接;樁基鋼護筒底部邊界條件為固結;第一層和第二層內撐的圍囹與鎖扣鋼管樁之間為剛性連接;由于第三層和第四層內撐是水下安裝,與鎖扣鋼管樁之間的連接采用剛性連接,但釋放轉動自由度;承臺澆筑完畢后,承臺頂與鎖扣鋼管樁之間澆筑混凝土作為圈梁,邊界條件采用節點彈性支撐,只約束鎖扣鋼管樁向圍堰內側的位移自由度,鋼管樁插入土中部分按照“m”法建立節點彈性支撐[4]。

單元:鋼構件為梁單元,封底混凝土利用實體單元模擬。鎖扣鋼管樁圍堰整體有限元模型如圖1所示。

圖1 鎖扣鋼管樁圍堰整體有限元模型

4 計算工況

要確保鎖扣鋼管樁圍堰受力安全可靠,必須保證各層圍囹與周圍鎖扣鋼管樁緊密連接,防止鋼圍堰受力前期產生過大變形。鋼圍堰設計水位標高為+18.00 m,根據鋼圍堰施工流程及結構受力特點,施工過程仿真分析共設置10個計算工況,如表1所示。

表1 鋼圍堰計算工況

5 計算分析結果

工況六為抽光水的階段,此時圍堰內外水壓力差最大,接下來施工承臺;工況七在承臺施工完畢,圍堰拆除第四層內撐。圍堰在這兩個工況受力最為不利,因此重點分析這兩個最不利工況的計算結果。

5.1 工況六計算分析結果

(1)鎖扣鋼管樁圍堰受力情況

鎖扣鋼管樁圍堰最大組合應力如圖2所示,由圖2可知最大組合應力為-224.1 MPa,發生在第一層內撐的圍囹。第三層內撐的內撐桿最大組合應力為-172.9 MPa。

圖2 工況六鎖扣鋼管樁圍堰最大組合應力圖(單位:MPa)

(2)鎖扣鋼管樁圍堰變形情況

鎖扣鋼管樁圍堰最大變形為10.42 cm,發生在迎水面鎖扣鋼管樁頂部。

(3)第三層內撐中間長內撐桿穩定性驗算

中間長內撐桿為受壓彎構件,根據《鋼結構設計標準》(GB50017—2017)[5]進行穩定性計算。

中間長內撐桿長度l=26.4 m,計算長度l0=μl=26.4 m,其中計長度系數μ=1.0。Φ820×12 mm鋼管的慣性半徑ix=iy=28.57 cm。

長細比λx=λy=l0/ix=26.4×102/28.57=92.4,由此可得穩定系數φx=0.481。

彎矩作用平面內的穩定計算

符合規范要求。

5.2 工況七計算分析結果

(1)鎖扣鋼管樁圍堰受力情況

鎖扣鋼管樁圍堰最大組合應力為-226.3 MPa發生在第一層內撐的圍囹。第三層內撐的內撐桿最大組合應力為-173.8 MPa。

(2)鎖扣鋼管樁圍堰變形情況

鎖扣鋼管樁圍堰最大變形為10.44 cm,發生在迎水面鎖扣鋼管樁頂部。

(3)第三層內撐中間長內撐桿穩定性驗算

同理可得

符合規范要求。

5.3 整體穩定性分析

在工況七對鋼圍堰進行整體穩定性分析,根據圍堰內外水位變化,確定屈曲分析荷載組合項。不變荷載:圍堰自重、土壓力;可變荷載:風荷載、封底混凝土上浮力、圍堰外+18.00 m流水壓力、圍堰外+18.00 m至-1.00 m靜水壓力。計算結果如圖3所示,第三層內撐桿最先屈曲,臨界荷載系數λ=4.658,鋼圍堰整體穩定性滿足要求。

圖3 工況七鎖扣鋼管樁圍堰整體穩定性分析

6 結 語

施工過程中必須保證鎖扣鋼管樁圍堰各層圍囹與周圍鎖扣鋼管樁緊密連接,防止鋼圍堰受力前期產生過大變形,才能確保鋼圍堰受力安全可靠。計算分析得到,鎖扣鋼管樁圍堰在整個施工過程中受力較安全。其中,第一層內撐與第三層內撐受力最大,在圍堰受力中起重要作用。鋼圍堰的內撐桿為長細桿,易發生失穩破壞,建議抽水至+12.00 m時,在第一層長內撐桿和第二層長內撐桿之間安裝橫向連接桿與豎向連接桿;抽水至+8.00 m時,在第二層長內撐桿和第三層長內撐桿之間安裝橫向連接桿與豎向連接桿。研究成果給出了確保深水基礎鎖扣鋼管樁圍堰施工安全的關鍵點和結構合理優化建議。