基于Midas Civil有限元軟件分析鋼板樁圍堰的設計

彭文禮

(水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

目前，鋼板樁與內支撐組成的圍堰結構體系由于具有良好的穩定性，施工技術也成熟，因此在基坑支護中被廣泛應用。但為保證圍堰結構的整體強度、剛度以及穩定性，滿足施工要求，避免失事，對圍堰設計驗算很有必要。橋梁工程中，水中墩采用鋼板樁圍堰有很多優點，如強度高、防水性好、施工簡單、成本低且安全可靠、占有河道面積范圍小，而且不影響排洪等[1]。

1 工程概況

鋼板樁具有施工速度快，經濟效益好等優點被廣泛應用于工程中[2]，并且技術已經很成熟[3-4]，靖遠金灘黃河大橋主橋為(100+168+100)m矮塔斜拉橋。本項目跨越黃河，與其他河流無交叉，黃河的特點是“水少沙多”，全河多年平均天然徑流量580億m3，本段黃河歷史最大流量為6800 m3/s，河水含砂量大。由于季風氣候的影響，黃河水量有明顯的季節變化，從前一年的12月到當年的4月份為枯水期，月平均流量大都在500 m3/s以下，小于年平均流量的5%，6月份開始進入汛期，7月～9月份是黃河的洪水季，月平均流量在1800 m3/s～2000 m3/s，三個月的徑流量占年徑流量的47.3%，10月以后，隨著降水減少，水量逐漸退落，至第二年的2、3月達到最小。

橋墩7號主墩平面尺寸為33.7 m×15.7 m，圍堰采用拉森Ⅳ鋼板樁形式，承臺厚度5.0 m。承臺頂高程+1385.306 m，底+1380.306 m。7#墩承臺施工基坑支護用鎖扣鋼管樁圍堰，圍堰平面尺寸為36.8 m×18.4 m，共設278根拉森4鋼板樁，圍堰內設3層圍檁、內支撐體系。第一層圍檁系統采用2HN600×200型鋼(Q235b鋼),第二層圍檁系統采用2HN700×300型鋼(Q235b鋼)，第三層圍檁系統采用2HN700×300型鋼(Q235b鋼)，鋼板樁長21 m。圍堰按干開挖方式實施，圍堰底澆筑50 cm厚混凝土墊層。7#墩圍堰內支撐系統構建規格見表1。

表1 主墩7#墩圍堰內支撐系統構建規格表

主橋7號、8號墩位于主河槽內。橋墩采用橫向設置三肢實體墩身，中肢5 m×7 m矩形截面，承臺尺寸為15.7 m×33.7 m×5 m。承臺底布置18根2.2 m的樁基礎，樁長60 m。每根樁在周圍四點處布設Φ50 mm超聲波檢測管四根，供成樁質量檢測使用，樁基沉渣厚度不應超過5 cm。圍堰及承臺樁基的立面圖與平面圖分別見圖1與圖2。

圖1 圍堰立面布置圖

圖2 圍堰平面布置圖

2 圍堰施工步驟及結構參數

2.1 圍堰施工步驟

圍堰具體施工步驟如下：

(1)圍堰四周泥面開挖，清理平整，防止圍堰兩側出現土壓力差；

(2)安裝導向架，引孔，孔內回填砂袋；

(3)沿已引孔完成區域打設鋼板樁直至合攏；

(4)在低水位安裝第一層圍檁、內支撐；

(5)圍堰內抽水，開挖至+1386.506 m，安裝第二層圍檁、內支撐；

(6)待第二層安裝完成后圍堰內降水，開挖至+1383.006 m，安裝第三層圍內支撐；

(7)第三層圍檁、內支撐完成施工以后圍堰內降水開挖至基坑底(承臺下0.5 m)；

(8)澆筑封底層0.5 m，找平等強；破除樁頭，安裝模板，綁扎鋼筋，施工承臺；

(9)圍堰內回填粗砂，并澆筑一層冠梁(50 cm)至承臺頂；

(10)持續施工至出水，回水拆除圍堰內圍檁、內支撐系統；

(11)拔出鋼板樁圍堰，完成施工。

2.2 圍堰結構參數

圍堰設計時的主要參數見表2。

表2 圍堰設計參數

鋼板樁設計時的主要參數見表3。

表3 鋼板樁設計參數

3 模型建立

圍堰采用Midas Civil空間有限元軟件對其整體進行建模，封底混凝土采用實體單元模擬，鋼板樁、內支撐系統采用梁單元模擬，對桿件賦予自有的材料和相應的截面特性，鋼管樁入土部分根據工程經驗及相關規范要求以土彈簧約束加以模擬，圍檁與鋼管樁圍堰采用剛性連接，圍檁與內支撐間采用共節點連接。7#圍堰處地址主要為卵石、泥質砂巖，具體土層參數見表4，整體有限元模型如圖3。整體模型共計18488個節點，共計16702個單元，其中梁單元3805個，板單元8981個，實體單元3916個。

表4 7#墩土層參數表

圖3 圍堰整體模型圖

4 內支撐結構計算

4.1 第一道內支撐結構計算

4.1.1 強度及剛度

結合計算模型，安裝第一層圍檁后，第一層內支撐受力最不利，最大反力為87.4 kN/m；Q235鋼材的允許應力為[σ]=145 MPa，[τ]=85 MPa，拉森Ⅳ鋼板樁允許應力為[σ]=210 MPa，[τ]=120 MPa，查詢計算結果可知，內支撐最大組合應力為71.5 MPa，最大剪應力為17.7 MPa，內支撐強度與剛度均滿足要求。

4.1.2 穩定性

圍檁穩定性滿足要求。

對撐及角撐穩定性滿足要求。

4.2 第二道內支撐結構計算

4.2.1 強度及剛度

結合計算模型，安裝第一層圍檁后，第一層內支撐受力最不利，最大反力為379.4 kN/m；Q235鋼材的允許應力為[σ]=145 MPa，[τ]=85 MPa，拉森Ⅳ鋼板樁允許應力為[σ]=210 MPa，[τ]=120 MPa，查詢計算結果可知，內支撐最大組合應力為119.8 MPa，最大剪應力為57.6 MPa，內支撐強度與剛度均滿足要求。

4.2.2 穩定性

對撐穩定性滿足要求。

φ=0.978，角撐最大軸力N=1934.6 kN，最大彎矩M=48.3 kN·m，角撐穩定性滿足要求。

4.3 第三道內支撐結構計算

4.3.1 強度及剛度

結合計算模型，安裝第三層圍檁后，第三層內支撐受力最不利，最大反力為682.8 kN/m；Q235鋼材的允許應力為[σ]=145 MPa，[τ]=85 MPa，拉森Ⅳ鋼板樁允許應力為[σ]=210 MPa，[τ]=120 MPa，查詢計算結果可知，內支撐最大組合應力為125.5 MPa，最大剪應力為68.6 MPa，內支撐強度與剛度均滿足要求。

4.3.2 穩定性

圍檁穩定性滿足要求。

對撐穩定性滿足要求。

角撐穩定性滿足要求。

5 圍堰監測

為確保施工的安全，臨時結構的施工離不開監測，同時也要及時了解圍堰變形情況，判斷結構受力的安全性以采取應變的措施，并可以應用到類似工程中，作為指導施工的依據。

5.1 監測內容

5.1.1 鋼板樁自身變形

鋼板樁自身會有一定的變形，其屈服強度與穩定性是判斷能否滿足設計要求的重要依據，同時有助于了解該施工區域土層的穩定性特征。

5.1.2 鋼支撐軸力

鋼支撐體系遭到破壞或者失穩，勢必會給圍堰帶來嚴重的后果，實時跟蹤監測內支撐的受力情況，進而評估鋼圍堰的穩定性及可靠性。

5.2 監測方法

鋼板樁、圍檁及橫撐的應力監測時，選一根鋼板樁，將表面應變計點焊至鋼板樁內力最大位置處。應變計在鋼板樁內側豎向布置，在圍檁橫撐上橫向布置。

鋼板樁位移監測分為豎向位移和水平位移，豎向位移監測采用水準儀監測，在以上選定的鋼板樁頂設置監測點，用紅油漆標注，監測鋼板樁上下位移變化。

鋼板樁頂部水平位移是鋼板樁監控的重要手段，通過它可以快速、直接地了解鋼板樁頂部的變形情況，采用全站儀進行三角測量，通過坐標的變化進而得出鋼板樁頂部的水平位移。鋼板樁下部水平位移和豎向位移采用沉降傾斜儀監測[5]。

5.3 監測頻率及預警值

5.3.1 預警值

監測預警值暫按表5執行。

表5 監測預警值設定

5.3.2 監測頻率

監測頻率按表6執行，不同施工階段下，針對數據不穩定情況，對以下監測頻率做出適當調整。

表6 檢測頻率

6 結語

本工程采用理論結合Midas Civil分析軟件的計算方法，對靖遠金灘黃河大橋(100+168+100)m7#主墩鋼板樁圍堰計算，通過計算強度、剛度及穩定性均滿足施工和使用要求，拉森鋼板樁圍堰值得推廣應用。