鄧 海,許宏偉,李 勇

(1.石家莊鐵道大學道路與鐵道工程安全保障教育部重點實驗室,河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學土木工程學院,河北 石家莊 050043)

隨著公路橋梁工程的快速發(fā)展，雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)在深水基礎(chǔ)施工中被廣泛應(yīng)用，尤其是在沿海等外部環(huán)境較為復(fù)雜的區(qū)域[1]，其整體制造和安裝水平，將在很大程度上決定了橋梁工程中主體結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量和使用壽命[2]。在我國公路橋梁建設(shè)數(shù)量不斷增多、跨度不斷增大的背景下，雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)作為橋梁的深水基礎(chǔ)，其制造設(shè)計和施工等變得尤為重要，尤其是在復(fù)雜海洋環(huán)境下的雙壁鋼吊箱圍堰的受力更加復(fù)雜(風力、靜水壓力和波浪力等)[3]。然而，目前對于跨海橋梁中雙壁鋼吊箱圍堰的受力分析方面的研究較少，具體各個構(gòu)件的變形情況等都不清楚[4]。本文基于復(fù)雜海洋環(huán)境下雙壁鋼吊箱圍堰的使用現(xiàn)狀，通過有限元軟件對雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)進行了變形和受力分析，研究結(jié)果為復(fù)雜海洋環(huán)境下雙壁鋼吊箱圍堰的設(shè)計、安裝、施工和安全防護提供參考。

1 雙壁鋼吊箱圍堰的基本參數(shù)

1.1 設(shè)計標準與規(guī)范

在對公路橋梁中的雙壁鋼吊箱圍堰進行設(shè)計時,所采用的標準與規(guī)范主要包括：JTG 3362-2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》、JT/T 1130-2017 《橋梁支座灌漿材料 》、QB/B 5001-2013《橋梁工程設(shè)計導則》、JTJ215-98《港口工程荷載規(guī)范》、JTS 145-2-2013《海港水文規(guī)范》、JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》、GB50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》、SL744-2016《水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范》 、DB41∕T 1085-2015《公路橋涵和隧道工程施工安全風險評估與控制》、DB41∕T 696-2011《公路波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋支架法施工技術(shù)規(guī)范》和JT∕T 710-2008 《公路橋涵用波形鋼板》。

在設(shè)計過程中，雙壁鋼吊箱圍堰所用的鋼材選用Q355型鋼，屈服強度為385 MPa，抗拉強度為565 MPa，斷后伸長率為25%，0℃沖擊功為62J。根據(jù)設(shè)計標準與規(guī)范要求[5]，鋼材的容許應(yīng)力分別為：剪應(yīng)力 95 MPa、彎曲應(yīng)力165 MPa、端面承壓235 MPa。雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)的封底采用市場上常見的C30混凝土，其允許壓應(yīng)力和拉應(yīng)力分別為10 MPa和1.44 MPa。

1.2 雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)的荷載

本文設(shè)計的雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)位于沿海地區(qū)某公路橋梁段，由于外部環(huán)境較為復(fù)雜，采用有限元計算過程中需要同時考慮風荷載、水荷載和浮力荷載等[6]。由于本文設(shè)計的雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)所處取樣地風速基本在7級以下，在圍堰非施工條件下，最大風速不高于37.0 m/s。因此設(shè)計風荷載為1.590 kPa。靜水壓力按照水位高度進行計算：①高水位：10 a一遇的靜水壓力，4.18 m+1/2波浪高-圍堰底標高；②低水位：10 a一遇的靜水壓力，-3.60 m-1/2波浪高-圍堰底標高；③波浪力設(shè)計較為復(fù)雜，圖1為圍堰波浪力受力分布圖，表1中分別列出了安裝和下放、10 a一遇、100 a一遇情況下的波浪力計算結(jié)果，即在有限元模擬過程中按照表1的均布載荷進行分析；④水流力：長寬比為1.0、1.5、2.0和2～3時對應(yīng)的水流阻力系數(shù)分別為1.50、1.45、1.30和1.10；⑤浮托力：高潮和低潮時對應(yīng)的浮托力分別為3.4 kN/m2和2.4 kN/m2；⑥焊接鋼筋剪力環(huán)前的粘結(jié)力和環(huán)后的粘結(jié)力分別按150 kN/m2和300 kN/m2計算[7]；⑦封底混凝土自重設(shè)置為24 kN/m3。在對雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)進行受力分析時，根據(jù)實際工況選取了合適荷載進行組合設(shè)計，其中，圍堰下放的工況為：水流力(1.5 m/s)+波浪力(2.5 m波高)+風荷載(7級)+自重(24 kN/m3)；封底混凝土的荷載組合為10 a一遇的波浪力+浮力+自重。

圖1 圍堰波浪力受力分布圖Figure 1 Distribution of wave force on cofferdam

表1 波浪力計算結(jié)果Table 1 Calculation results of wave force工況浪高/ m周期/ s橫向波浪力/kN縱向波浪力/ kN安裝和下放2.615.94 8301 39010 a一遇5.557.914 6104 210100 a一遇7.4010.323 2106 690

1.3 有限元建模

采用 Midas-FEA有限元軟件進行有限元模擬[8]。模型建立主要包括：①矩形側(cè)板尺寸為32 m×19.8 m，標高-4.2 m，板厚12 m；②底板板厚6 mm；③內(nèi)支撐和圍梁都為2層，前者采用Φ600 mm、厚10 mm鋼管和(700×300)mm型鋼，后者頂層和底層分別為(1 000×650)mm和(1 050×650)mm型鋼；④底龍骨選用(450×300)mm型鋼；⑤封底懸掛的橫梁和縱梁分別為(880×350)mm和(600×295)mm型鋼，吊桿為Φ38 mm鋼拉桿；⑥限位系統(tǒng)采用(480×480)mm和(280×280)mm型鋼制成的工字梁；⑦剛性鋼拉桿以(300×300)mm型鋼作為截面；⑧隔艙板選用(980×300×15×10)mm工字鋼結(jié)構(gòu)。圖2為雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)的有限元模型邊界示意圖。

圖2 雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)的有限元模型邊界Figure 2 Finite element model boundary of double wall steel box cofferdam structure

2 模擬結(jié)果與分析

圖3雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)的模型圖與荷載示意圖。分別列出了雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)的荷載示意圖、有限元模型剖面圖、風荷載、水流荷載以及橫向和縱向波浪力示意圖。

圖4為雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)的整體受力模型。通過Midas-FEA有限元軟件分析可知，雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)中變形最嚴重的區(qū)域位于圍堰中部的內(nèi)支撐區(qū)域，該處的變形達到26.36 mm，在實際設(shè)計和安裝過程中，應(yīng)當優(yōu)先注意加強這部分的保護，并盡可能減小圍堰中部內(nèi)支撐區(qū)域的變形[9]。

圖5為雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)的不同構(gòu)件的受力模型,包括：圍堰結(jié)構(gòu)側(cè)板和底板、圍堰結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐和梁、圍堰結(jié)構(gòu)底龍骨、封底吊掛、圍堰結(jié)構(gòu)拉桿和限位系統(tǒng)以及隔艙板。

(a)荷載示意圖

(b)模型剖面圖

(c)風荷載

(d)水流力

(e)橫向波浪力

(f)縱向波浪力

圖4 雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)的整體受力模型Figure 4 Overall stress model of double wall steel box cofferdam structure

通過有限元模擬可以得到實際工況條件下公路橋梁中雙臂鋼吊箱圍堰構(gòu)件的變形情況統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。由表可知雙臂鋼吊箱圍堰構(gòu)件中側(cè)板、底板、內(nèi)支撐、圍梁、底部龍骨、封底吊掛、拉壓桿和圍堰限位的最大變形分別為10.66、3.16、26.36、9.72、3.59、6.25、6.48、6.58 mm，對應(yīng)最大變形所在的部位分別為短邊底端下部中間區(qū)域、短邊與長邊交界處、內(nèi)支撐中心區(qū)域、短邊中間區(qū)域、長邊中間區(qū)域、靠近圍堰短邊的區(qū)域、短邊與長邊交界處的上部以及短邊與長邊交界處的短邊區(qū)域。對比分析可知，雙臂鋼吊箱圍堰構(gòu)件中變形最大的區(qū)域位于內(nèi)支撐，這與整體模型分析結(jié)果一致。

(a)側(cè)板

(b)底板

(c)內(nèi)支撐

(d)梁

(e)底龍骨

(f)封底吊掛

(g)拉桿

(h)限位系統(tǒng)

(i)隔艙板

表2 實際工況條件下公路橋梁中雙臂鋼吊箱圍堰構(gòu)件的變形情況Table 2 Deformation of double arm steel box cofferdam components in highway bridges under actual working conditions圍堰構(gòu)件名稱最大變形/mm對應(yīng)最大變形所在的部位側(cè)板10.66短邊底端下部中間區(qū)域底板3.16短邊與長邊交界處內(nèi)支撐26.36內(nèi)支撐中心區(qū)域圍梁9.72短邊中間區(qū)域底部龍骨3.59長邊中間區(qū)域封底吊掛6.25近圍堰短邊拉壓桿(剛性)6.48交界處圍堰限位6.58短邊和長邊交界處的短邊區(qū)域

通過有限元模擬可以得到實際工況條件下公路橋梁中雙臂鋼吊箱圍堰構(gòu)件的板單元最大應(yīng)力，結(jié)果見表3。由表3可知對于側(cè)板結(jié)構(gòu)，按照Von-Mises準則[10]和Tresca準則[11]的最大應(yīng)力分別為46.48 MPa和26.16 MPa；對于底板結(jié)構(gòu)，按照Von-Mises準則和Tresca準則計算得到的最大應(yīng)力分別為16.53 MPa和9.21 MPa?？梢?，側(cè)板結(jié)構(gòu)承受的最大應(yīng)力都高于底板結(jié)構(gòu)的。

表3 實際工況條件下公路橋梁中雙臂鋼吊箱圍堰構(gòu)件的板單元最大應(yīng)力Table 3 Maximum stress of plate element of double arm steel suspension box cofferdam component in highway bridge under actual working condition構(gòu)件名稱最大應(yīng)力(Von-Mises)/ MPa最大應(yīng)力(Tresca)/ MPa側(cè)板46.4826.16底板16.539.21

通過有限元模擬可以得到實際工況條件下公路橋梁中雙臂鋼吊箱圍堰構(gòu)件的梁單元組合應(yīng)力值，結(jié)果見表4。由表4可知，雙臂鋼吊箱圍堰構(gòu)件中內(nèi)支撐(A)、圍梁(B)、底部龍骨(C)、封底吊掛(D)、拉壓桿(E)、圍堰限位(F)和隔艙板(G)的組合應(yīng)力最大的位置在圍堰限位區(qū)域，對應(yīng)最大應(yīng)力為89.26 MPa，而拉壓桿的應(yīng)力最小為

表4 實際工況條件下公路橋梁中雙臂鋼吊箱圍堰構(gòu)件的梁單元組合應(yīng)力值Table 4 Combined stress value of beam element of double arm steel suspension box cofferdam component in highway bridge under actual working condition構(gòu)件名稱組合應(yīng)力Max/ MPa拉應(yīng)力壓應(yīng)力A43.48-53.73B45.00-44.92C57.55～64.17D39.77-34.03E9.59-4.27F84.53-89.26G52.71-38.11

4.27 MPa。整體而言，公路橋梁中雙臂鋼吊箱圍堰構(gòu)件的應(yīng)力和變形都較小，在目前的區(qū)域使用是相對安全的[12]，但是在變形和承受最大應(yīng)力的區(qū)域，如內(nèi)支撐、底龍骨等區(qū)域，仍然是后期施工和安裝需要著重注意的區(qū)域，建議采用局部加強的方式進行。

3 結(jié)論

a.通過Midas-FEA有限元軟件分析可知，雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)中變形最嚴重的區(qū)域位于圍堰中部的內(nèi)支撐區(qū)域，該處的變形達到26.36 mm，在實際設(shè)計和安裝過程中，應(yīng)當優(yōu)先注意加強這部分的保護。

b.雙臂鋼吊箱圍堰構(gòu)件中側(cè)板、底板、內(nèi)支撐、圍梁、底部龍骨、封底吊掛、拉壓桿和圍堰限位的最大變形分別為10.66、3.16、26.36、9.72、3.59、6.25、6.48、6.58 mm，對應(yīng)最大變形所在的部位分別為短邊底端下部中間區(qū)域、短邊與長邊交界處、內(nèi)支撐中心區(qū)域、短邊中間區(qū)域、長邊中間區(qū)域、靠近圍堰短邊的區(qū)域、短邊與長邊交界處的上部以及短邊與長邊交界處的短邊區(qū)域。

c.對于側(cè)板結(jié)構(gòu)，按照Von-Mises準則和Tresca準則計算得到的最大應(yīng)力分別為46.48 MPa和26.16 MPa；對于底板結(jié)構(gòu)，按照Von-Mises準則和Tresca準則計算得到的最大應(yīng)力分別為16.53MPa和9.21 MPa。

d.雙臂鋼吊箱圍堰構(gòu)件中側(cè)板、底板、內(nèi)支撐、圍梁、底部龍骨、封底吊掛、拉壓桿、圍堰限位和隔艙板的組合應(yīng)力最大的位置在圍堰限位區(qū)域，對應(yīng)的最大應(yīng)力為89.26 MPa，而拉壓桿的應(yīng)力最小，為4.27 MPa。