大型圆形钢板桩围堰施工监控分析

殷国栋

摘要：安徽某跨越淮河斜拉桥主桥20#墩承台施工采用圆形钢板桩围堰，围堰直径达31.333m，施工难度较大。结合有限元仿真计算的施工监控，成功保证了钢板桩围堰的安全施工。

关键词：圆形；围堰；施工监控；有限元。

The analysis of construction monitoring of big circular cofferdam

Liu wei Yin guodong Liu kaizhi Tang xingxu Liang siyi

(The thirteenth of project department of Zhong Jiao third inning Xu ming highway)

Abstract：one cable-stayed bridge across huaihe river in anhui province,circular cofferdam was used toconstruct the 20th pier bearing platform.The diameter of the cofferdam reaches 31.333m,which makes the prosses of construction of cofferdam to be difficult.Combined with finite element simulation, ,the constructionmonitoring ensures the safety of the steel sheet pile cofferdam construction.

Key words:circular;cofferdam;construction monitoring;finite element.

中图分类号：TU473文献标识码： A

一、工程概况

安徽某跨越淮河斜拉桥，主桥20#墩承台位于淮河主河道中，为水下承台，承台为直径26.0m的圆形承台，承台为三阶梯形状，自上而上高度分为1m，2m，3m，承台总高度为6m。承台形式如图1所示。

图1 承台结构形式

经过承台围堰方案比较，圆形围堰方案与方形围堰比虽然施工技术难度较大，但具有节约材料和内支撑较少、对承台施工影响较小等优点，因此选择圆形钢板桩围堰方案。围堰选用拉森钢板桩，其宽度适中，抗弯性能好、施工安全。围堰采用直径31.333m的圆形，总高度为24m，其顶面控制标高为+17.0m，桩底标高为-7.0m。圆形钢板桩围堰形式如图2所示。从上而下共布置五道环形钢围檩，第一道围檩采用两根H型钢（360×140×14×15.8）双拼，支撑连杆采用H型钢（300×150×6.5×9）；第二道围檩采用单根H型钢（700×300×13×24），支撑连杆采用H型钢（300×150×6.5×9）第三、四、五道围檩采用两根H型钢（700×300×13×24）双拼，支撑连杆采用单根H型钢（300×150×6.5×9），内侧环形支撑采用H型钢（300×150×6.5×9）。

图2圆形钢板桩围堰

二、监控目的

由于圆形钢板桩围堰施工难度较大，因此通过监控钢板桩围堰的施工过程，及时对施工中出现的危险情况进行预警，来保证施工的安全。为更准确的进行施工监控，对围堰进行了有限元的仿真计算。

三、监控方案

在围檩的边上粘贴表面应变计，通过测试围檩在施工过程的应力，来达到对围堰施工进行监控的目的。由于第一道和第二道围檩受力较小，因此只对第三道至第五道围檩的应力进行监控。每一道围檩有36个边，选择50%的边进行监控。待测围檩每边的内侧和外侧均粘贴表面应变计。应变计的粘贴方式如图3所示。

图3应变测点布置位置示意图

四、有限元仿真计算

围檩采用beam44单元模拟，围堰采用shell93单元来模拟。材料类型都是钢材，其中E取20×105Mpa，泊松比取0.3，密度取7800kg/m3;水的密度取1000kg/m3.利用单元的生死功能，模拟钢板桩围堰的施工过程，从上至下按照施工顺序依次激活各道围檩。为简化模型，计算模型中假定河床面为平面，同一高度的处的水压力相同，相同高度的土压力为水压力的1.5倍。围堰在河床以上围堰承受均匀水压力，在河床以下承受均匀的土压力与水压力的合力。将围堰的施工划分为4个荷载步，第一荷载步激活第一至第二道围檩，以后每1荷载步多激活1道围檩，直至第四荷载步将所有五道围檩全部激活。各道围檩激活时承受与实际施工过程承受的荷载相同。围堰的有限元模型如图4所示。

图4钢板桩围堰的有限元模型

经计算，各荷载步围檩应力分布如图5~图12。

图5荷载步1围檩最大拉应力图 图6荷载步1围檩最大压应力图

图7荷载步2围檩最大拉应力图 图8荷载步2围檩最大压应力图

图9荷载步3围檩最大拉应力图 图10荷载步3围檩最大压应力图

图11荷载步4围檩最大拉应力图 图12荷载步4围檩最大压应力图

在施工过程有限元仿真计算中各道围檩承受的最大拉应力和最大压应力见表1。

表1有限元仿真计算中各道围檩承受的最大拉应力与最大压应力

道数 1 2 3 4 5

最大拉应力（Mpa） 15.70 39.80 47.24 64.10 106.00

最大压应力（Mpa） 16.80 37.70 49.50 70.50 117.00

五、监控过程

将围堰的应力值设置预警值、报警值、控制值进行分级控制。有限元模型数值模拟时，假设的边界条件较理想，计算得围檩最大应力为117Mpa；设计单位提供围檩在最不利荷载组合下最大应力为184Mpa。因此控制值设置为最不利荷载组合下最大应力的80%，即147.2Mpa，是在保证结构不产生破坏的前提下所允许达到的最大应力值；报警值是指当变形过大或过快接近控制值时，采取必要措施、手段进行预防或防护的应力值，取有限元模型计算值，即117.0Mpa； 预警值是指施工顺利进行时的控制应力限值，按计算值的80%取用，即93.6Mpa。预警值之前，正常施工；预警值到报警值之间增加观测频率；超过报警值时，参建各方应密切关注围堰状况，对发现的问题及时处理；当接近或超过控制值时，应停止施工，查明原因，采取措施排除影响因素后才能继续施工。

六、监控结果

在施工过程中，实测各道围檩的最大拉应力和最大压应力见表2。

表2施工中各道围檩承受的最大拉应力与最大压应力

道数 3 4 5

最大拉应力（Mpa） 56.3 73.6 118.4

最大压应力（Mpa） 57.0 72.8 122.2

施工过程中各道围檩受力变化趋势如图13所示。

图13各道围檩受力最大的围檩应变随时间变化的趋势图

七、结论

第三道围檩至第五道围檩的受力最大值均小于各道围檩的设计值（第三道为158Mpa，第四、五道为184Mpa），也小于围檩的极限抗拉抗压强度（210Mpa），因此施工过程是安全的。有限元仿真分析的结果随然由于受力模型简化、边界条件较理想，算出的结果略小于实测值。但将计算值与设计值结合，合理划分监控过程中围檩应力的预警值、报警值、控制值，可以保证围檩的安全施工，达到了预期的目的。

参考文献:

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