雙壁鋼圍堰受力性能數(shù)值模擬分析

雙壁鋼圍堰常應(yīng)用于深水橋梁基礎(chǔ)工程中，主要由內(nèi)外壁板、中間桁架聯(lián)接及底部刃腳組成，具有強度高、剛度大、施工方法簡便、結(jié)構(gòu)安全等優(yōu)點。韓江特大橋、灤河特大橋、淮河特大橋、沙田贛江特大橋、陶樂黃河公路特大橋、重慶江津觀音巖長江大橋等工程進行基礎(chǔ)施工時均采用了該種圍堰結(jié)構(gòu)形式。鋼圍堰的構(gòu)造和受力均較復(fù)雜，已有的相關(guān)研究主要針對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、構(gòu)件的內(nèi)力分布以及設(shè)計與施工方式上；但對于施工過程中，鋼圍堰受力全過程的分析鮮有相關(guān)文獻報道。本文以雙壁鋼圍堰為研究對象，采用通用有限元軟件ANSYS對其在各施工階段的受力狀態(tài)進行數(shù)值分析，以期得到不同施工荷載和約束條件下結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。

工程概況

某橋主墩雙壁鋼圍堰外框尺寸30.78m×14.5m，壁厚1.2m，總高14.96m，圍堰下部設(shè)1.7m高的刃腳，總?cè)胪辽疃?m。施工階段鋼圍堰沿高度方向共布置2層內(nèi)支撐，支撐于圍堰鋼箱面板內(nèi)側(cè)，內(nèi)支撐及其斜撐和立柱分別采用Φ630×10mm鋼管以及I25a型鋼。圍堰內(nèi)、外面板采用6mm厚度的設(shè)有縱向加勁肋的鋼板。以第一層內(nèi)支撐為界，圍堰內(nèi)外面板加勁肋分別選用L75×50×6mm以及L90×56×6mm的型鋼以保持面板的穩(wěn)定性能。圍堰沿高度方向設(shè)置厚度為8mm的水平環(huán)板。鋼圍堰共設(shè)置14個鋼箱，鋼箱面板厚度為8mm，面板內(nèi)部設(shè)置L90×56×6的縱向加勁肋。封底混凝土厚2m，采用C20水下混凝土。雙壁鋼圍堰總體布置如圖1所示。

圖1 鋼圍堰整體布置（標(biāo)高單位：cm；尺寸單位：mm）

施工工藝特點

鋼圍堰各構(gòu)件由專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)加工場加工制作，運至現(xiàn)場拼裝成整體結(jié)構(gòu)。其中，首層鋼圍堰利用拼裝平臺現(xiàn)場拼裝、整體下沉至設(shè)計標(biāo)高；第二層鋼圍堰利用首層圍堰的自浮能力對稱拼裝、加水下沉。鋼圍堰著床后，澆筑刃腳部位水下混凝土。河床清基至設(shè)計標(biāo)高后澆筑水下混凝土進行封底。

圍堰下放過程中設(shè)置內(nèi)支撐以確保抽水后圍堰結(jié)構(gòu)安全。承臺施工完成后，拆除第一層除（橫向橋）中間支撐外的內(nèi)支撐，以滿足墩身施工空間要求。墩身施工4.5m后，

本文以某橋雙壁鋼圍堰為研究對象，介紹了雙壁鋼圍堰的構(gòu)造特點及施工工藝特點；對施工過程中鋼圍堰不同施工階段的荷載進行分析；采用有限元對其在各施工階段的受力特性進行數(shù)值分析。結(jié)果表明：最不利荷載組合作用下，鋼圍堰各構(gòu)件最大Von Mises應(yīng)力為197.73MPa，可以滿足該種施工條件下臨時結(jié)構(gòu)的強度要求。圍堰內(nèi)加水至+56.74m標(biāo)高處，然后拆除第二層除（橫向橋）中間支撐外的內(nèi)支撐，以滿足橋墩上部施工空間要求。

圖3 圍堰其他側(cè)外面板受力示意

圖4 圍堰內(nèi)面板受力示意

圖5 圍堰上游側(cè)外面板受力示意

圖6 圍堰其他側(cè)外面板受力示意

圖7 圍堰內(nèi)面板受力示意

圖8 圍堰上游側(cè)外面板受力示意

圖9 圍堰內(nèi)面板受力示意

圖10 圍堰上游側(cè)外面板受力示意

施工過程中荷載和約束條件分析

計算工況

根據(jù)雙壁鋼圍堰的施工方式，將鋼圍堰的受力分為以下四個工況進行分析：

工況一：圍堰下沉到位，圍堰內(nèi)河床清基至封底混凝土底面設(shè)計標(biāo)高；

工況二：澆筑封底混凝土達到強度要求后，圍堰內(nèi)抽水形成干作業(yè)面；

工況三：承臺施工完成后，拆除第一層內(nèi)支撐；

工況四：第一節(jié)墩身施工完成后，拆除第二層內(nèi)支撐，同時圍堰內(nèi)加水至+56.74m處。

計算荷載分析

工況一作用下，鋼圍堰主要承受自重、流水壓力、土壓力三種荷載作用，其荷載情況如圖2和圖3所示。

工況二作用下，鋼圍堰主要承受自重、流水壓力、靜水壓力、土壓力四種荷載的共同作用，其荷載情況如圖4～圖6所示。

工況三作用下，鋼圍堰主要承受自重、流水壓力、靜水壓力、土壓力四種荷載作用（由于承臺混凝土澆筑完畢，圍堰底部受力相對比較安全，因此僅考慮承臺混凝土頂面以上的荷載作用，下同）。其荷載情況如圖7和圖8所示。

工況四作用下，鋼圍堰承受自重、流水壓力、靜水壓力、土壓力四種荷載共同作用，其荷載情況如圖9和圖10所示。

表1 各工況邊界條件

表2 鋼圍堰各構(gòu)件計算結(jié)果匯總

圖11 鋼圍堰整體有限元模型

有限元分析

單元選取及邊界條件模擬

鋼圍堰有限元模型采用大型通用軟件ANSYS 10.0建立。其中，鋼圍堰內(nèi)外面板、鋼箱面板和水平環(huán)板采用板單元shell63模擬；水平桁架、縱肋、內(nèi)支撐采用梁單元beam44模擬，鋼圍堰整體有限元模型如圖11所示，各工況邊界條件如表1所示。

計算結(jié)果分析

各工況作用下，鋼圍堰各構(gòu)件應(yīng)力和變形計算結(jié)果如表2所示。根據(jù)計算結(jié)果知，工況二為鋼圍堰結(jié)構(gòu)受力最不利工況。由計算荷載知，靜水壓力為鋼圍堰結(jié)構(gòu)最主要的計算荷載，而工況二及其以后的施工階段中，由于鋼圍堰內(nèi)部抽水而形成干作業(yè)面，鋼圍堰兩壁間的水壓對內(nèi)壁產(chǎn)生的靜水壓力無法得到平衡，鋼圍堰各構(gòu)件應(yīng)力水平及變形值較工況一均有很大程度的增大。工況三承臺施工完成，鋼圍堰內(nèi)壁在承臺高度范圍內(nèi)得到支承，而此時第一層內(nèi)支撐被拆除，在荷載作用下，工況三較工況二各構(gòu)件應(yīng)力及變形均有所減少，但幅度不大。工況四作用下，圍堰內(nèi)加水至+56.74m處，承臺頂部至+56.74高程范圍內(nèi)內(nèi)壁的靜水壓力降低；同時第二層內(nèi)支撐被拆除，工況四較工況三整體應(yīng)力及變形有所增加，其中內(nèi)支撐鋼管應(yīng)力水平增加顯著。工況三和工況四作用下，鋼圍堰受力也較為不利，在進行鋼圍堰設(shè)計時應(yīng)予以考慮。施工過程中，鋼圍堰各構(gòu)件應(yīng)力水平最大值為197.73MPa，滿足臨時結(jié)構(gòu)的強度要求。

結(jié)論

本文采用有限元仿真分析，對雙壁鋼圍堰在施工過程中的受力性能進行了分析，通過分析各施工階段構(gòu)件的應(yīng)力和變形，得到以下結(jié)論：

1）在鋼圍堰下沉到位至拆除第二層內(nèi)支撐的施工過程中，以澆筑封底混凝土達到強度要求、圍堰內(nèi)抽水形成干作業(yè)面時為受力最不利階段；

2）施工過程中，該種雙壁鋼圍堰各構(gòu)件應(yīng)力水平最大值為197.73MPa，滿足此種施工條件下臨時結(jié)構(gòu)的強度要求。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.19.033