双壁钢吊箱施工阶段有限元模拟分析研究

2013-11-12熊浩,刘璐

湖北工业大学学报 2013年5期

熊浩, 刘璐

(1 湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北武汉 430070； 2 武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北武汉 430023)

我国在上世纪70年代首次采用双壁钢吊箱围堰施工深水基础[1]，该施工方法在我国得到广泛应用．

随着有限元理论和软件的发展，对双壁钢吊箱整体的非线性仿真分析变为可能．张清华、唐亮、李乔等[2]结合安庆长江公路大桥主桥Z2号辅助墩双壁钢吊箱围堰，利用大型通用有限元程序ANSYS建立了比较完整的三维仿真模型，充分考虑了各结构组成部分的相互影响，具有很重要的指导意义，但未能具体考虑各种环境荷载的影响；程晨[3]以南京大胜关长江大桥主桥4号墩双壁钢吊箱围堰为研究背景，运用Midas程序模拟了吊耳板部分；王晓敬，马行政等[4]则以大连长海县长山大桥为工程背景，考虑了海上双壁钢吊箱围堰的各种复杂环境荷载，利用Midas-Civil2006建立了比较简洁的整体模型；而周衍领[5]根据英德连江大桥和武汉天兴洲大桥采用大型结构仿真分析软件MSC-PATRAN建立了单壁钢吊箱和双壁钢吊箱两个三维仿真模型，充分体现了有限元整体性分析的强大功能．

采用数值模拟分析问题的关键是采取正确的理论方法．本文主要以某公铁两用长江大桥中连续梁主桥桥墩的双壁钢吊箱围堰为研究对象，基于Midas-civil有限元软件对双壁钢吊箱围堰进行三维有限元模拟，完整模拟双壁钢吊箱结构的组成部分，同时根据钢吊箱在真实环境下各施工阶段所承受的荷载对钢吊箱模型进行加载．如：静水压力、流水压力、风荷载、波浪荷载、浮力等．

1 工程简介

1.1 工程概况

桥墩所处位置水流湍急且深度大，考虑到桥墩采用的是群桩基础，拥有较大尺寸的承台，最终选择了侧板刚度较大的双壁钢吊箱施工方案．该工程所采用的双壁钢吊箱是一个双层板梁组合结构，主要由以下几个部分组成：底板、侧板、内支撑系统以及吊挂系统(抗拉、浮支柱)等．本文研究对象双壁钢吊箱平面图见图1．

图 1 钢吊箱平面图

1.2 基本参数

1)底板和内外壁板板厚均为6 mm,内支撑系统及吊挂系统均采用2[40 a拼成的箱形截面，其中内支撑系统设置2道水平支撑，各部分采用加强垫板及加强肋板连接．

2)钢吊箱材料采用Q235钢材，其抗弯强度和抗拉、压设计值均为f=215 kPa，抗剪强度设计值为fv=125 kPa．

3)钢吊箱三维尺寸为26.00 m×19.70 m×16.00 m(高度)×1.40 m(舱厚)．施工设计水位为+20.252 m(黄海高程)，其顶、底面标高分别为+21.000 m和 +5.000 m.

1.3 水文与地质

桥墩位于长江之中，根据当地提供的水文资料可以知道其300年一遇洪水水位为+28.16 m，百年一遇洪水位为+27.38 m；20年一遇的最高和最低通航水位分别为+25.68 m、+9.62 m；桥位处最大洪峰流量可达22 100 m3/s．江面下主要以粘性土为主，厚达近35 m；基岩主要由成岩程度较差的泥质粉砂岩和疏松砂岩组成．

2 有限元仿真计算

2.1 有限元仿真计算模型的建立

运用有限元分析软件Midas-Civil建立仿真计算模型，采用先建立实体模型再划分单元数量的基本建模思路，这样也便于调整模型的单元数量[6]．双壁钢吊箱结构不仅组成部分较多，而且每个组成部分的尺寸各异，为了正确真实地建立计算模型，笔者根据主要受力特性及结构尺寸，结合软件提供的几种单元类型，将内部支撑系统、吊挂系统及底板梁视为梁式结构，利用Timoshenko梁理论[7]模拟，内外壁板、底板、隔仓板用板单元来进行模拟；内外壁板间的斜杆等采用桁架单元；最后，混凝土结构全部由实体单元模拟．建立的三维仿真模型见图2．

图 2 计算模型

2.2 主要施工阶段及其边界条件

1)施工阶段一与边界条件

此阶段钢吊箱吊装就位自浮于水面上，且浇筑厚1.2m的封底混凝土(未固结)．抗浮支柱固定自浮在水面上的钢吊箱，故其顶端采用刚性固结；而钢护筒则制约了钢吊箱的水平方向的变形，所以钢护筒与底板的接触节点设置水平方向的线性位移约束．

2)施工阶段二与边界条件

此阶段封底混凝土开始固结，隔舱版间注水并抽干钢吊箱内部的水．在施工阶段一的基础上，此时混凝土开始固结了，需要考虑封底混凝土与钢护筒之间的连接作用，所以封底混凝土与钢护筒接触的节点需要设置水平方向的线性位移约束．

3)施工阶段三与边界条件

此阶段承台混凝土固结完毕，拆除内部水平支撑及抗浮支柱．钢吊箱在混凝土的作用下与钢护筒连接成一体，与钢护筒接触的节点全部刚性固定．

2.3 计算荷载

2.3.1静水压力双壁钢吊箱的静水压力取决于吃水深度的大小，利用下式可求得：

p1=ρwgz=1.0×9.80×z=9.80zkN/m2.

其中：ρw为水密度，取1.0×103kg/m3;z为各施工阶段从水面向下的距离，单位为m．

2.3.2水流压力水流压力按下式进行计算

p2=CDv2[8].

式中：p2为作用在双壁钢吊箱外壁上的水流压力，偏安全的假设均匀分布，作用范围从箱底到水面．CD为曳力系数，取CD=2.0．v为水流设计流速，按v=1.75 m/s计算[8]．即

p2=CD2v=0.5×2.0×1.0×1.752=

3.0625 kN/m2.

2.3.3波浪压力

波浪荷载影响不大，但为了能够真实地反映施工环境荷载，此处采用简化的计算方法，在钢吊箱的迎水面上附加1.5 m的水头[9]，在底板处不考虑波浪压力，则波浪压力可由下式计算求得

p3=1.5×9.8=14.70 kN/m2.

2.3.4风荷载风荷载根据下式来计算

p4=ChCsp0[10].

式中：p4为作用在钢吊箱水面以上部分的风压力，并均匀分布，计算中取风力与水流方向一致．Ch为风荷载形状系数，取Ch=1.0(平滑表面)；Cs为风荷载高度系数，取Cs=1.0(高度在水平面15.3 m以内)；p0为基本风压，按p”0=0.1 kN/m2计算[10]，所以

P4=1.0×1.0×0.1kN/m2=0.1 kN/m2.

2.3.5自重施工阶段一中封底混凝土的重量换算成面压力(换算公式见下式)，其他施工阶段按重力加载．

q=ρcAh/A=ρch=23×1.2=27.6 kN/m2.

2.4 荷载组合

综合考虑各计算荷载，施工阶段一的受力简图如图3所示；双壁钢吊箱顶底标高分别为+21.000 m和+5.000 m；内外壁板的水位相同，均为+20.252 m；隔舱内水位为+15.332 m．

图 3 工况一计算简图

施工阶段二的受力简图见图4；此时隔舱、内外壁板的水位均为+20.252 m．

图 4 工况二计算简图

施工阶段三的荷载组合较为复杂，分为四种水位情况，分别是+20.252 m、+20.000 m、+19.500 m和+19.000 m，水位为+20.252 m的受力简图见图5，其他水位情况此处不再赘述．

图 5 工况三计算简图

3 计算结果与分析

经过整理的计算结果见表1．

1)施工阶段一由于隔舱内水位和内外壁板的水位存在一定的水头差，约5m,直接导致隔舱内的加劲肋压应力大于其他施工阶段，但仍然满足强度要求．

2)施工阶段二该阶段由于双壁钢吊箱内水全部抽干，其内部水平支撑系统受力较大，属于较危险的情况，由表1可知最大应力为108.25 MPa，满足强度要求．

3)施工阶段三本施工阶段考虑了四种不同的水位．由于拆除了部分内部支撑系统及抗浮支柱，在同一水位(+20.252 m)下，相比施工阶段二应力有所增大；而随着水位的降低应力成正比例下降．

表1 计算结果

续表1

项目构件工况一工况二工况三+20.252+20.000+19.500+19.000桁架单元内力/kN最大值41.29214.76261.81247.22215.65181.89最小值-82.88-235.95-278.3-263.64-233.28-202.63应力/kPa最大值16.9494.97107.02101.4588.4974.64最小值-72.07-96.82-114.18-108.18-95.72-83.15实体单元第一主应力/kPa应力/kPa最大值-0.980.710.680.610.53最小值--0.66-0.45-0.42-0.37-0.34