矩形截面双壁钢围堰结构行为与受力性能研究

池 鹏，徐 强，孙蕊鑫

(1.陕西省高速公路建设集团公司，陕西 西安 710064；2.陕西高速公路工程咨询有限公司，陕西 西安 710064；3.西安中交土木科技有限公司，陕西 西安 710075)

矩形截面双壁钢围堰结构行为与受力性能研究

池 鹏1，徐 强2，孙蕊鑫3

(1.陕西省高速公路建设集团公司，陕西 西安 710064；2.陕西高速公路工程咨询有限公司，陕西 西安 710064；3.西安中交土木科技有限公司，陕西 西安 710075)

文章以汉江五桥矩形截面双壁钢围堰工程为例，对双壁钢围堰在桥墩基础施工过程中所体现出的结构行为进行分析，并采用有限元程序建立双壁钢围堰的板梁混合精细有限元模型，结合简化计算方法对双壁钢围堰的受力性能进行了研究，提出了改善双壁钢围堰受力性能的构造措施。

桥梁工程；矩形截面双壁钢围堰；结构行为；受力性能；有限元方法

0 引言

跨江、跨海大桥施工过程中常常要在深水中修建巨大的桥墩基础围堰以创造良好的施工环境。20世纪70年代我国在修建九江长江大桥深水桥墩基础时创造性地提出了双壁钢围堰这一新的围堰形式，这在简化突破季节施工限制、提升施工工序、缩短施工工期方面有了新的突破[1]。此后，双壁钢围堰成为我国桥梁深水基础施工广泛采用的一种围堰形式[2]。

双壁钢围堰所处的水下施工环境恶劣，受力十分复杂，目前对双壁钢围堰的研究多限于构造设计与施工方案的探讨[3-7]，对其在桥墩基础施工过程中所体现出的受力性能研究较少。针对上述问题， 本文以汉江五桥双壁钢围堰为研究背景， 详细分析其

在桥墩基础施工过程中的体现出的结构行为，采用有限元仿真分析与简化计算相结合的方法对双壁钢围堰的受力性能进行研究。

1 工程概况

汉江五桥桥墩基础施工用围堰为矩形截面双壁钢围堰，堰长26.0 m，宽19.5 m，高19.0 m，壁厚1.2 m，下部设1.7 m高的刃角；钢围堰竖向设10个钢箱，钢箱面板与水平环板厚度为10 mm；面板纵肋采用[10型钢，间距35 cm；钢围堰内设三层内支撑，内支撑水平杆采用φ630×10mm钢管，焊接在钢箱内面板上，一、二层内支撑间的立柱、斜撑(Ⅰ25a)与内支撑形成空间桁架。双壁钢围堰总体布置见图1。

图1 双壁钢围堰总体布置图(尺寸单位：cm；高程单位：m)

2 双壁钢围堰结构行为特点分析

根据桥墩基础施工过程中双壁钢围堰承受的外荷载和约束条件的变化，将双壁钢围堰的结构行为按以下5个施工阶段进行分析：

(1)阶段1：双壁钢围堰下沉至设计位置，将围堰内河床清挖至封底混凝土底面标高。此时，围堰内外水位等高，净水压力内外平衡；迎水侧外面板承受流水压力与土压力，其它外面板只承受土压力。

(2)阶段2：封底混凝土达到设计强度后抽干围堰内存水。此时，阶段2～阶段4外面板均承受与阶段1相同的荷载；内面板内、外侧水头差达到最高的16.135m，内面板承受最大单侧净水压力，内支撑承受的轴向压力也达到最大；本阶段双壁钢围堰受力图示见图2。

(a)内面板 (b)迎水侧外面板 (c)非迎水侧外面板

(3)阶段3：第一层承台混凝土达到设计强度，拆除第一层内支撑及第一、第二层内支撑间斜撑。第一层承台在其高度范围内为内面板提供刚性横向支撑，间接降低了内面板内、外侧水头差，内面板承受的净水压力减小；由于拆除了第一层内支撑，第二、第三层内支撑承受的轴向压力增大。

(4)阶段4：第二层承台混凝土达到设计强度，拆除第二层内支撑，施工首批7m高桥墩。第二层承台为内面板提供刚性横向支撑，内面板内、外侧水头差进一步减小，内面板承受的净水压力减小；拆除第二层内支撑后，第三层内支撑承受的轴向压力较上阶段增大。

(5)阶段5：首批桥墩施工结束，向围堰内回灌6m高江水，拆除第三层内支撑。由于江水回灌，内面板承受的净水压力对内、外侧水头差减而减小；因内支撑全部拆除，需密切关注围堰顶口变形。

3 有限元仿真分析模型

3.1 有限元分析模型

采用有限元程序ANSYS建立双壁钢围堰的板梁混合精细有限元模型，采用板壳单元Shell63模拟钢围堰内、外面板、钢箱及水平环板；采用梁单元Beam44模拟面板纵肋与内支撑钢管。有限元数值模型如图3所示。

图3 双壁钢围堰1/2有限元模型图

双壁钢围堰材料选用Q235结构钢，各向同性，屈服强度fy=235MPa，弹性模量取E=2.06×105MPa，泊松比取为0.3，密度取为7 850kg/m3。

3.2 计算荷载与边界条件

3.2.1 计算荷载

(1) 流水压力呈倒三角形分布，按现行公路桥规公式FW=KγmAv2/2g计算围堰迎水面流水压力，计算断面流水速度v=1.0m/s[10]；

(2) 静水压力呈正三角形分布，与水深成正比，按公式q1=γωh计算，最大值为156.35kPa；

(3) 钢围堰刃角入土后，作用在钢围堰上的土压力介于静止土压力和主动土压力之间，均呈正三角形分布，根据现行公路桥规按公式p0=γ′hK0与pa=γ′hKa分别计算，取用两值中的较大者[10]；

(4) 按公式Ft=τ×A计算土侧摩阻力，细砂层τ=30MPa，卵石土层τ=90MPa，A为围堰外面板入土面积，因围堰下沉时破坏了土层的原始状态，计算时考虑2倍安全系数；

(5) 封底混凝土与钢护筒之间握裹力系数取0.15MPa[11]；

(6) 水的浮力为9 800N/m3。

水压力与土压力荷载以梯度荷载的形式施加在围堰面板上。

3.2.2 边界条件

约束钢围堰底层节点与刃脚斜面板节点的竖向位移自由度，施工过程中按封底混凝土与承台的浇筑高度对内面板的面外位移自由度进行约束，为保证结构整体计算的稳定性，约束上层内支撑中间节点的横、顺桥向位移自由度。

4 双壁钢围堰受力性能分析

4.1 静力性能分析

分别对前文划分的5个施工阶段双壁钢围堰的受力状态进行有限元仿真分析，计算结果见表1。

表1 双壁钢围堰各构件应力与变形值表

说明：“—”表示内支撑钢管已全部拆除。

由表1可以看出，CS2钢围堰受力最不利，除外面板外，其它构件最大应力均在本阶段出现；CS5钢围堰总体刚度最弱，除内支撑外，其它构件的最大变形均在本阶段出现。施工过程中钢板件最大应力为185.8MPa，杆件最大应力为201.6MPa，均属于约束或构件连接位置的局部应力集中现象，钢围堰其它区域应力水平较低。

由图5～9可以看出，由于双壁钢围堰内部设置有内支撑，横、顺桥向内面板最大变形均出现在面板中央两道内支撑之间，且变形呈环状由内向外逐渐减小；内面板在钢箱与横、顺桥向面板间焊缝处因受到较强的面外支撑(内支撑两端与钢箱焊接)而呈现出较高的应力水平，且局部有应力集中现象，钢箱之间与钢箱与垂直面板之间的面板变形相对自由，应力水平较低。

图5 钢围堰整体变形图(单位：m)

图6 内面板Mises应力分布图(单位：kPa)

图7 外面板Mises应力分布图(单位：kPa)

图8 钢箱面板Mises应力分布图(单位：kPa)

图9 水平环板Mises应力分布图(单位：kPa)

4.2 稳定性能分析

4.2.1 结构整体抗浮稳定性分析

封底混凝土浇注完成并达到设计强度后，抽干围堰内存水。此时，双壁钢围堰依靠封底混凝土与钢护筒的握裹力(方向向下)以及钢围堰自重、封底混凝土重量、刃角填充混凝土重量、围堰内仓水重量以及围堰外面板受到的土层摩阻力来克服江水浮力，防止钢围堰被浮起。如果需要的握裹力小于封底混凝土与钢护筒之间的最大握裹力，可以保证钢围堰稳定和施工安全。否则，钢围堰抗浮稳定性不满足要求。

图10 钢围堰竖向受力示意图

钢围堰受力状态见图7，竖向受力平衡方程为：

∑F=Gw+Gf+Gh+Ft+Fm-fw(1)

式中:Gw——钢围堰自重(kN)；Gf——封底混凝土与围堰刃角填充混凝土自重(kN)；

Gh——钢围堰双壁内仓江水重量(kN)，内仓水位与江水持平；

Ft——钢围堰外面板受到的土层摩阻力(kN)；

Fm——封底混凝土与钢护筒之间的握裹力(kN)；

fw——钢围堰承受的浮力(kN)。

如果钢围堰在水中保持平衡，必有∑F≥0，即(Gw+Gf+Gh+Ft+Fm)/fw)≥1。根据相关公式计算各分力值，可得：

(Gw+Gf+Gh+Ft+Fm)/fw=1.23>1.0

钢围堰排水后抗浮稳定性能满足施工安全要求，且由上式还可以看出，必要时可以通过增减钢围堰平台配重、调节隔舱内水位和江水间的落差来改善围堰排水后的抗浮稳定性。

4.2.2 内支撑稳定性简化分析

桥墩基础施工过程中，钢围堰壁板主要承受由净水压力、流水压力以及土压力产生的面外水平荷载，几乎不承担轴向荷载，壁板稳定性能较容易保证；钢围堰相当于四周承受水压的矩形环，环板是提供抗压面积的主要构件，主要承受压力，由于环板中心挖空，有效长度小，稳定性亦不存在问题；内支撑起平衡两侧壁板压力，减小壁板计算跨度的作用，为受压杆件，稳定问题尤为突出，且随下层内支撑的拆除，剩余内支撑承受的压力亦会发生变化，需对整个施工过程内支撑的稳定性进行研究。

考虑同层内支撑杆件间的相互约束作用，压杆计算长度取内支撑节间长6.5m，按两端铰支压杆简化，其欧拉临界应力为：

由于根据弹性理论计算得到的欧拉临界应力2 309 MPa远大于Q235钢材的屈服强度235 MPa，根据文献[12]按下式对其进行非弹性修正：

由式(3)计算得到内支撑弹塑性屈曲临界应力为229MPa，与表1各施工阶段内支撑最大应力比较可知，各施工阶段内支撑最大应力均小于其弹塑性屈曲临界应力，内支撑稳定性满足要求。

5 结语

(1) 双壁钢围堰钢板件最大应力为185.8MPa，杆件最大应力为201.6MPa，均属于约束或构件连接位置的局部应力集中现象，钢围堰其它区域应力水平较低。

(2) 封底混凝土达到设计强度并抽干围堰内存水，为双壁钢围堰抗浮稳定受力最不利状态，此时，双壁钢围堰抗浮稳定系数为1.23，抗浮稳定性满足施工安全要求。

(3) 考虑同层内支撑间相互约束作用，按两端铰支压杆进行简化计算得到内支撑弹塑性屈曲临界应力为229MPa，大于内支撑承受的最大压应力125.8MPa。

(4) 内面板内、外较大的水头差导致其应力水平高于外面板，可采用在隔舱下部填充混凝土、上部填充水来替代全部填充水的方法，以达到减少结构应力与变形，提高结构刚度和稳定性的目的。

[1]铁道部大桥工程局.九江长江大桥技术总结[M].武汉: 武汉测绘科技大学出版社,1996.

[2]刘自明.桥梁深水基础[M].北京：人民交通出版社, 2003.

[3]马学峰,龚志刚,等.钱江四桥主墩双壁钢围堰设计与施工[J].桥梁建设,2004(1)：40-42,50.

[4]徐国平,王梓夫,张瑞军.武汉军山长江公路大桥异型钢围堰设计[J].桥梁建设,2000(4): 26-28.

[5]陈 侃,刘 萍.安庆长江公路大桥特大型深水钢围堰施工技术[J].安徽建筑工业学院学报,2003,11(3): 23-27.

[6]阮先政,吴 凯,等.桥墩钢围堰强度分析[J].武汉交通科技大学学报,1995,12(19)：444 - 449.

[7]方诗圣,丁仕洪.MARC软件的桥梁深水基础钢围堰仿真分析[J].南昌大学学报·工科版,2008,30(1)：91-94.

[8]GB/T714-2008,桥梁用结构钢[S].

[9]JTJ025-86,公路桥涵钢结构及木结构设计规范[S].

[10]JTJD60-2004,公路桥涵设计通用规范[S].

[11]韩林海.钢管砼结构[M].北京：科学出版社,2000.

[12]陈铁云,陈伯真.船舶结构力学[M].上海：上海交通大学出版社,1991.

Study on Structural Behavior and Mechanical Properties of Rectangular Section Double-wall Steel Cofferdam

CHI Peng1，XU Qiang2，SUN Rui-xin3

(1.Shaanxi Expressway Construction Group Corporation，Xi'an，Shaanxi，710064；2.Shaanxi Expressway Engineering Consulting Co.，Ltd.，Xi'an，Shaanxi，710064；3.CCCC Civil Engineering Science & Technology Co.，Ltd.，Xi'an，Shaanxi，710075)

With rectangular section double-wall steel cofferdam project of Hanjiang V Bridge as the example，this article analyzed the structural behavior of double-wall steel cofferdam during the pier foundation construction，and established the mixed plate-girder refined finite element model of double-walled steel cofferdam by using the finite element program，and combined with simplified calculation method，it studied the mechanical properties of double-wall steel cofferdam，then proposed the structure measures to improve the mechanical properties of double-wall steel cofferdam.

Bridge engineering；Rectangular section double-wall steel cofferdam；Structural behavior；Me-chanical performance；Finite element method

U445.55+

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.06.012

1673-4874(2015)06-0048-05

2015-05-08

池 鹏，工程师，硕士，主要从事桥梁与隧道设计及施工管理研究；

徐 强，工程师，主要从事路桥施工管理工作；

孙蕊鑫，工程师，硕士，主要从事桥梁工程设计与科研工作。