張守陸

(中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300450)

雙壁鋼圍堰作為一種臨時性水中圍護結構，具有剛度大、防水性能好、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在復雜環(huán)境深水基礎施工中應用廣泛。作為重要的一類水中維護結構，雙壁鋼圍堰整體結構的設計與制造決定施工安全及橋梁主體結構的質量和使用壽命。然而，雙壁鋼圍堰往往應用于復雜的地質和水況環(huán)境，施工過程中結構力學響應變換頻繁。為發(fā)現圍堰結構受力的薄弱點，許多學者對其進行了研究分析：焦文容[1]針對某大橋大型雙壁鋼圍堰施工，對各工況下圍堰的受力進行了有限元數值分析，認為圍堰抽水結束后應力最大位置位于隔艙混凝土頂部附近。秦大燕等[2]針對雙壁鋼圍堰結構設計上的不足，采用數值模擬方法對其結構優(yōu)化設計進行了研究，實現了圍堰支撐設計優(yōu)化。蘭德等[3]針對某橋雙壁鋼圍堰施工過程中不同施工階段的荷載情況，研究了各施工階段的受力特征，結果顯示圍堰下沉到位時最大位移在圍堰外面板，抽水結束后最大位移位于內面板處。戴良軍等[4]通過雙壁鋼圍堰三維數值分析，揭示了雙壁鋼圍堰在不同工況抽水水位及流水速度下的應力應變特性、分布及發(fā)展規(guī)律，認為圍堰著床后最大位移位于承受流水壓力的圍堰短邊中點等位置，抽水結束后最大位移位于圍堰長邊上兩個隔板中間的位置。本文以新建京濱鐵路北辰特大橋跨青龍灣河72#墩雙壁鋼圍堰施工為例，探討圍堰整體結構的受力和變形特征，提出施工建議，為該工程的順利實施提供數據支撐。

1 工程概況

1.1 工程簡介

新建京濱鐵路采用(60+100+100+60)m連續(xù)梁跨越主河道。青龍灣河實測水位高程5.0 m，百年水位高程6.45 m，一般沖刷線高程0.500 m，橋下流速1.19 m/s。主要地質為粉土、粉砂和粉質黏土等?？缜帻垶澈舆B續(xù)梁墩號依次為70～74#，其中72#墩位于河道內，墩臺采用雙層結構，一級承臺高5 m，二級承臺高3.5 m，一級承臺底標高-10.172 m，采用雙壁鋼圍堰進行水中基礎施工。

1.2 圍堰結構

72#主墩承臺采用矩形雙壁鋼圍堰，由外壁板、內壁板，內外壁板豎向加勁肋，內外壁板之間水平環(huán)板、隔倉板、水平斜撐桿等組成。平面尺寸為33.7 m(橫橋向)×22.8 m(順橋向)×20.122 m(高)，雙壁間距1.5 m，內外壁板均為6 mm厚。為方便灌注隔倉水及隔倉混凝土，采用28個厚10 mm的隔倉板將圍堰內外壁分為28個封閉隔倉；內外壁板之間設有19個水平環(huán)板，厚度均為16 mm，環(huán)板上設有水平斜撐桿，其規(guī)格尺寸為∠80 mm×90 mm×10 mm角鋼；內外壁板之間設有豎向加勁肋，從中心向兩側以350 mm設置，規(guī)格尺寸均為∠63 mm×63 mm×6 mm角鋼；圍堰內部設置兩道?609 mm×16 mm內支撐，間距5.0 m。圍堰結構形式如圖1所示。

圖1 雙壁鋼圍堰結構立面(單位：mm)

圍堰制作均采用Q235B鋼材，其中壁板、水平環(huán)板和隔倉板采用Q235B鋼板，壁板豎向加勁肋、水平斜撐桿采用Q235B角鋼，內支撐鋼管采用Q235B鋼管。

2 雙壁鋼圍堰結構力學響應數值分析

2.1 模型建立與參數選取

依據北辰特大橋72#墩雙壁鋼圍堰實際情況，采用大型有限元數值分析軟件Midas Civil建立雙壁鋼圍堰數值分析模型。在圍堰底部施加固定約束，主體結構以實體單元、板單元結合梁單元的方式進行模擬。封底混凝土及隔艙混凝土以實體單元模擬，內外壁板、隔倉板及水平環(huán)板采用板單元模擬，內支撐、豎向加勁肋及水平斜撐桿采用梁單元模擬。整體模型共劃分264 596個節(jié)點，328 169個單元。鋼圍堰整體有限元模型如圖2所示。

圖2 雙壁鋼圍堰有限元分析三維模型(單位：mm)

參考《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》(TB10093-2017)與中國交通部公路標準，各材料的彈性模量、泊松比及密度如表1所示。

表1 材料部分屬性參數

鋼圍堰入土各地層及其土工參數根據現場地質勘察報告以及規(guī)范建議值，以類比的方式選取，如表2所示。

表2 圍堰入土計算參數

2.2 計算工況與荷載分析

2.2.1 計算工況

為研究雙壁鋼圍堰不同工況條件下結構受力及變形情況，根據施工工藝流程，選取結構最不利的兩種工況，驗算圍堰的強度剛度及穩(wěn)定性，取各構件最大位移和應力作為安全評價指標。

工況一：鋼圍堰射水吸泥下沉到設計位置，完成錨定，澆筑C20隔倉混凝土13.8 m(頂標高+0.15 m)，圍堰內未施工水下封底混凝土，此時圍堰內部達到滿水狀態(tài)。考慮外部水位達到最高設計水位(+6.45 m)。

工況二：當封底混凝土(頂部標高-10.45 m)達到設計強度以后，隔艙內灌滿水(+6.45 m)，進行圍堰內抽水，抽水過程中，圍堰內外水頭差逐漸增大，在抽水到承臺底即封底混凝土頂標高處，且水位達到設計最高水位時(即圍堰頂部+6.45 m)，為圍堰受力最不利情況。

2.2.2 計算荷載分析

(1)內外壁板靜水壓力：圍堰底部到設計水位的距離h=20.122 m，圍堰射水吸泥下沉到位，此時圍堰內部達到滿水狀態(tài)，則圍堰內外壁板靜水壓力：q1=ρgh1=63.22 kPa，q2=ρgh2=201.22 kPa，h1=6.322 m，h2=20.122 m。

(2)隔倉水壓力：圍堰下沉到位施工封底混凝土后要進行圍堰內抽水，為保證安全，需在隔艙內灌滿水，隔倉水高度h3為6.03 m，隔倉水對內外壁板的靜水壓力：q3=q4=ρgh3=60.3 kPa。

(3)流水壓力：流水壓力以面荷載的形式作用在迎水面，并平均分布在迎水面上[1]。根據《鋼圍堰工程技術標準》(GB/T51295-2018)，按設計橋下流速1.19 m/s計算，作用于雙壁鋼圍堰的水流壓力標準值可按式(1)計算：

(1)

式中：Fw1為流水壓力標準值(kN);K為形狀系數，矩形截面取1.3；A為阻水面積(m2),計算至一般沖刷線處；V為設計水流速度(m/s)；g為重力加速度(m/s2)。

鋼圍堰外壁板在迎水面受到的最大水流壓力為：qs=Fw/A=0.92 kPa。

表3 主動土壓力計算結果

q6為圍堰壁體外側土對圍堰的壓力最大值，即為圍堰底部粉質黏土層對壁板產生的土壓力，q6=139.57 kPa。

工況一情況下圍堰受到內外壁板靜水壓力、流水壓力及土壓力的作用，工況二情況下圍堰受到圍堰外壁板靜水壓力、流水壓力、隔倉水壓力及土壓力的作用，其中流水壓力作用在圍堰短邊，其受力示意圖如圖3所示。

圖3 鋼圍堰承受荷載示意

3 模擬結果分析與討論

3.1 鋼圍堰構件強度分析

本文采用容許應力法進行計算，各工況荷載組合系數如表4所示。通過有限元模擬可得到實際工況條件下雙壁鋼圍堰各構件的應力和變形數據，結果如表5所示。

表4 各工況荷載組合系數

表5 鋼圍堰各構件應力及變形計算結果

由表5可知，兩種工況下圍堰最大應力分別為65.33 MPa和148.05 MPa，均小于Q235B鋼材的容許應力215 MPa，圍堰結構安全可靠，滿足強度要求。但圍堰抽水后各構件的應力均大于圍堰下沉到位時各構件的應力，其最大應力達到下沉到位時的兩倍多，說明工況二情況下圍堰受力最不利，在此施工階段需加強監(jiān)測，保證施工安全。

3.2 鋼圍堰結構受力特征分析

為研究各工況下圍堰各構件最大應力分布位置，以圍堰內外壁板和隔倉板為例進行分析，應力云圖如圖4所示。

圖4 圍堰各部位應力云圖

由圖4可知，應力最大位置出現在壁板、隔倉板等構件與兩道內支撐、斜撐桿等部件的連接處附近，說明各構件在與內支撐、斜撐桿連接部位出現了應力集中現象。同時，兩種工況下，隔倉混凝土都會對圍堰結構存在約束作用，因此在隔倉混凝土處也存在較大的應力集中現象，產生較大的應力；在圍堰內部抽水工況下，由于封底混凝土的約束作用，在封底混凝土處也出現了較大的應力集中現象。

3.3 鋼圍堰結構變形分析

由表5可知，圍堰抽水后各構件變形均大于圍堰下沉到位時的變形，說明工況二為最不利工況，此施工階段是圍堰安全控制的重點。圍堰下沉到位時承受土壓力、內外壁板靜水壓力以及流水壓力的作用，圍堰整體結構最大位移為6.56 mm；圍堰內部抽水階段，承受土壓力、外壁板靜水壓力、隔倉水壓力及流水壓力的作用，圍堰整體結構最大位移為16.33 mm，是圍堰下沉到位時的兩倍多，鋼圍堰可視為豎直方向的懸臂構件，其允許變形為L/500=20 122 mm/500=40.244 mm，圍堰變形滿足要求。兩種工況下圍堰最大位移均出現在圍堰內外壁板處，為研究各施工階段圍堰壁板變形的分布規(guī)律，取圍堰內外壁板位移進行分析，兩種工況下圍堰內外壁板位移云圖如圖5所示。

圖5 內外壁板位移云圖

由圖5可知，由于隔倉混凝土支撐作用的存在，兩種工況下圍堰壁板的變形集中分布在隔倉混凝土上部區(qū)域，隔倉混凝土區(qū)域壁板變形較小，說明隔倉混凝土除了協助下沉的作用，還可保證圍堰結構的安全性，故在施工過程中要嚴格控制隔倉混凝土的施工質量。

圍堰下沉到位后，內部達到滿水狀態(tài)，內外壁板之間不存在水位差，均承受較大的靜水壓力，本工程河道流速緩慢，流水壓力作用較小，靜水壓力的作用遠遠大于流水壓力，所以壁板四周變形情況基本相同；但由于長邊的跨度大于圍堰短邊跨度，支撐點間距也較大，當支撐點間距比較小時，支架可以更好地分擔壁板的變形壓力[4]，因此壁板最大變形位于長邊中點。

在圍堰內部抽水完成后，圍堰內外存在較大的水位差，外壁板承受較大的靜水壓力，但由于存在內外壁板間隔倉水，隔倉混凝土上部的內外壁板還會承受一定的隔倉水壓力，隔倉水壓力抵消了部分外部靜水壓力，此時流水壓力(方向平行于圍堰長邊)的作用有所加強，流水壓力對圍堰壁板變形的影響增加，故此工況下圍堰壁板變形分布略有不同，最大位移出現在圍堰迎水面中點處(即上游短邊中點)。

4 鋼圍堰穩(wěn)定性驗算

4.1 抗傾覆穩(wěn)定性驗算

根據《鋼圍堰工程技術標準》(GB/T51295-2018)，雙壁鋼圍堰整體抗傾覆穩(wěn)定性計算公式如下：

(2)

式中：K為抗傾覆穩(wěn)定系數；G1為鋼圍堰自重標準值(kN)；G2為圍堰上部其他結構自重標準值(kN)；Ftk為鋼圍堰與土層的摩擦力合力標準值(kN)；R為重心位置到圍堰背水面腳趾的距離(m)；Fw為鋼圍堰受到的水浮力標準值(kN)；Rw為浮力合力重心到圍堰背水面腳趾的距離(m)；Ea、Ep為鋼圍堰外主動、被動土壓力合力標準值(kN)；ha、hp為圍堰結構底端與Ea、Ep作用點的距離(m)；Fw1為鋼圍堰受到的靜水壓力合力標準值(kN)；hw1為圍堰結構底端與Fw1作用點的距離(m)；∑Fid為動水壓力等可變荷載合力標準值(kN)；hid為圍堰結構底端與∑Fid作用點的距離(m)。

計算得出Ep=4 833.4 kN，Ea=1 040.6 kN，hp=5.8 m，ha=4.5 m，結合鋼圍堰上的荷載作用，得鋼圍堰抗傾覆穩(wěn)定性系數為12.12，大于規(guī)范要求的限值1.50，表明72#墩雙壁鋼圍堰抗傾覆穩(wěn)定性滿足要求。

4.2 抗滑移穩(wěn)定性驗算

根據《鋼圍堰工程技術標準》(GB/T51295-2018)，雙壁鋼圍堰抗滑移穩(wěn)定性計算公式如下：

(3)

Fhk=(G1+G2-Fw)f

(4)

式中：K為水平抗滑移安全系數；Fhk為鋼圍堰與基底土層的摩擦力合力標準值(kN)；f為圍堰結構底與土的摩擦系數。

取鋼圍堰地面與土層摩擦系數f為0.3，計算得出鋼圍堰抗滑移穩(wěn)定性系數為4.95，大于規(guī)范要求的限值1.30，可以驗證72#墩雙壁鋼圍堰不會出現滑移現象。

5 結論

結合新建京濱鐵路跨青龍灣河連續(xù)梁72#墩雙壁鋼圍堰工程，對施工過程中鋼圍堰射水吸泥下沉到設計位置和施工完封底混凝土這兩種工況進行了有限元數值分析，準確揭示了鋼圍堰的應力應變特征。結果表明：兩種工況下最大應力分別為65.33 MPa和148.05 MPa，出現在板單元和水平梁單元連接部位附近；最大位移分別為6.56 mm和16.33 mm，出現在壁板長邊中間部位和迎水面中部，在施工過程中要加強這些部位的安全控制及實時監(jiān)測?？傮w而言，圍堰各構件應力和位移均小于規(guī)范要求，在不利工況下雙壁鋼圍堰仍具有很好的剛度及穩(wěn)定性，受力和位移符合規(guī)范要求，有效地保證了施工安全。