双壁钢套箱计算方法探讨

阮泽莲

(中交二航局第二工程有限公司， 重庆　401121)

双壁钢套箱计算方法探讨

阮泽莲

(中交二航局第二工程有限公司， 重庆401121)

摘要：深水大型桥梁的双壁钢套箱具有刚度大、隔水性好等优点。分别采用有限元法与传统计算方法对双壁钢套箱计算方法进行对比研究，结果可供同类钢套箱的设计计算参考。

关键词：双壁钢套箱；计算方法；有限元法

随着国民经济的快速增长及交通运输业的蓬勃发展，我国建设了一批又一批大跨度深水大型桥梁。这类桥梁的修建必然涉及深水构筑物的施工，其中，双壁钢套箱以其刚度大、隔水性好等优点更是受到越来多的青睐[1]。如杭州九堡大桥、珠海横琴二桥、温州南口大桥以及马尾大桥等大型桥梁的主墩承台施工均采用了双壁钢套箱。

钢套箱是承台施工的先行结构，其质量好坏直接影响到桥梁基础的质量，对桥梁施工进度有极为重要的影响。双壁钢套箱主要的计算方法为传统计算方法与有限元法[2]，而2种计算方法尚未得到较为系统的比较研究。其中，传统计算方法往往忽略了钢套箱的空间效应，仅将双壁钢套箱各构件简单分解，按其最不利受力工况进行分析。因此，此方法不能充分发挥材料的力学性能，容易造成浪费。本文通过对钢套箱计算方法的对比，分析不同计算方法的优劣，供以后钢套箱设计计算参考。

1设计概述

1.1设计荷载

由于大型双壁钢套箱施工周期较长，施工期间影响因素多，因此，为保证结构具有较高的可靠度，在设计计算时主要考虑以下几类荷载[3]。

1) 水压力。根据施工过程各工况双壁钢套箱的最不利内外水头差计算。

2) 水流力。根据所处位置的水流速度计算，临时结构一般取10年一遇流速。

3) 波浪力。计算时一般取浪高为50 cm，平均周期为5 s(也可根据相关部门的水文资料取)[4]。

4) 土压力：根据计算工况套箱所在的位置及河床高度计算。

5) 风荷载。

6) 自重。

1.2设计工况

大型双壁钢套箱施工过程复杂，从加工到最后承台浇筑完成常常经历数月，此过程中钢套箱的支承条件、水位等均在变化，故合理确定套箱施工工况，以得到最不利工况下套箱的应力及位移是进行套箱受力分析的根本。套箱施工工况的确定与其施工工艺有很大的关系。双壁钢套箱的施工工艺通常为：搭设拼装平台；分节分块拼装；首节下放，下放过程中通常会注水或浇筑混凝土；其余节段拼装、支撑安装及钢套箱着床；浇筑水下封底混凝土；承台干施工。

根据施工工艺可将钢套箱施工大致分为以下几个工况[5]。

1) 钢套箱在平台拼装工况。此工况主要验算平台受力及平台上钢套箱的稳定性，考虑风荷载及自重。

2) 钢套箱下放工况。此工况主要验算钢套箱的稳定性及钢套箱着床受力，考虑风荷载、水流力、波浪力、土压力、自重及水压力。

3) 封底混凝土浇筑后，钢套箱高水位下抽水工况。此工况主要验算封底混凝土受力及套箱各构件、支撑等的强度及稳定性，为重点控制工况，须考虑风荷载、水流力、波浪力、土压力、自重、水压力及水浮力。

4) 1层承台施工完成后，支撑转换等引起套箱内结构形式改变工况。此工况主要验算套箱各构件、支撑等的强度及稳定性，为主要控制工况，须考虑风荷载、水流力、波浪力、土压力、自重、水压力等。

1.3设计方法

传统计算方法是对钢套箱各部分取最不利工况进行计算。计算包括主竖箱、次竖肋、腹杆、内面板、外面板、内环板、外环板、连接焊缝及支撑结构的强度及稳定性。双壁钢套箱传力途径为：水压力→面板→竖肋→环桁(腹杆及环板)→竖箱→支撑结构。计算时，面板可以看作由次竖肋支承的多跨连续梁；次竖肋与面板形成组合截面共同受力，可看作以环桁为支承的连续梁；环桁可看作以环板及部分面板为弦杆，以腹杆为斜杆，以主竖箱为支撑的结构；主竖箱可看作以封底混凝土及支撑为支点的梁，支撑为受压杆件[6]。传统计算方法将各构件分开计算，忽略了双壁钢套箱作为一个空间结构所产生的空间效应，结果有可能偏安全，但分析结果与实际情况差异较大，且很难估算出结构整体的稳定性。

本文采用有限元软件Midas Civil进行有限元分析，主竖箱、次竖肋、腹杆、支撑采用梁单元模拟，内面板、外面板、内环板、外环板采用板单元模拟。双壁套箱与封底混凝土接触面考虑固接，封底混凝土顶面或承台顶面与双壁钢套箱接触点考虑铰接[7]。

2工程案例

本文以马尾大桥主墩双壁钢套箱为例，对其主体构件采用传统计算方法及有限元法进行计算，并对结果进行对比。

2.1计算参数

马尾大桥主桥主墩承台尺寸为21.4 m×40 m×6.0 m，单个承台设28根Φ2.2 m混凝土钻孔灌注桩。主墩施工采用双壁钢套箱，钢套箱计算参数如下：钢套箱顶标高为+7.00 m；钢套箱底标高为-11.00 m；承台顶标高为0.0 m；承台底标高为-6.0 m；承台高度为6.0 m；设计流速为2.0 m/s；河床标高为-9.131 m；施工高水位为+6.62 m。

2.2设计概况

马尾大桥主墩双壁钢套箱外轮廓尺寸为42.55 m×23.95 m×18.0 m，内轮廓尺寸为40.15 m×21.55 m，高18.0 m，壁厚1.2 m。首节套箱高7.6 m，次节高5.6 m，第3节高4.8 m；封底混凝土厚 3.0 m。套箱分块单块重量约为22 t，横向分14块(第1层)、10块(第2、3层)。在-1.3 m(-0.3 m)及+1.5 m(+2.5 m)标高位置各设1道内撑，纵横向内撑错开布置，上下层形成桁架结构，第1层承台施工完成后，拆除下一层支撑，完成支撑体系的转换，施工第2层承台及第1节墩身。承台底部浇筑3.0 m C30水下封底混凝土，套箱内壁浇筑1.5 m刃角混凝土。套箱平面示意如图1所示。

2.3计算结果

分别采用传统计算方法和有限元法对双壁钢套箱的各构件进行计算。有限元法计算了如下2个工况。

工况1：围堰抽水后且第1层承台施工时，钢套箱有2层内支撑，考虑+6.62 m施工水位水头差、水流力、波浪力等荷载。工况1 套箱整体变形如图2所示。

工况2：第2层承台施工时，钢套箱有1层内支撑，考虑+6.62 m施工水位水头差、水流力、波浪力等荷载。

传统计算方法取最不利工况进行计算。封底混凝土浇筑完成并抽水后为最不利工况，本文取此工况荷载组合进行计算。计算结果统计如表1所示。

图1　套箱平面示意

图2　工况1套箱整体变形

杆件有限元法/MPa工况1工况2传统计算方法/MPa允许应力/MPa内面板106.466.5101.25174外面板146.8146.8140.28174次竖肋135.3130.4126.13174环板146.8115.6140.41174腹杆165.6167.5148.18174竖箱139.0152.4139.01174支撑152.5125.3147.62174整体变形/mm21.019.5--

由表1数据可知，有限元法部分计算结果较传统计算方法偏安全。由图2可以看出，次竖肋、竖箱在与封底混凝土接触处应力最大，此处模拟为固结形式，与实际受力模式不太一致，但有限元法能计算出整体变形，并能从整体上反映结构的安全性能[8]。

3结束语

本文对双壁钢套箱分别采用传统计算方法与有限元法进行了计算，通过计算对比可知，有限元法所得计算结果较传统计算方法偏安全。有限元法应用过程中，合理模拟各构件及其相互关系是重中之重，且有限元法在双壁钢套箱整体结构安全性计算方面有明显优势。采用有限元法设计计算过程中，设计者应合理模拟结构形式，并与传统计算方法进行对比，以确保结构的安全性并避免浪费施工材料。

参 考 文 献

[1]徐伟.深水区域特大型施工平台与钢吊箱结构分析方法[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[2]满洪高.桥梁工程临时结构工程技术[M].北京：人民交通出版社，2012.

[3]余流.施工临时结构设计与应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[4]马瑞强.建筑工程施工临时结构设计指南[M].北京：人民交通出版社，2008.

[5]向敏.桥梁基础施工中异型钢套箱的设计及受力分析[J].铁道建筑，2009(8)：12-14.

[6]刘永辉.马来西亚槟城二桥承台钢套箱设计与施工[J].港工技术与管理，2013(3)：12-16.

[7]遇宝剑.模板式钢套箱在水下承台施工中的应用分析[J].交通工程，2015(9)：148-150.

[8]高志升.深水基础承台施工过程中钢套箱受力模拟[J].市政技术，2010(5)：124-126.

Probe into Calculation Methods for Double-wall Steel Jacket Box

RUAN Zelian

Abstract:With the rapid growth of national economy, a string of large-span deep-water large bridges has been constructed, in which double-wall steel jacket box is more and more favored by virtue of its advantages of large rigidity and good water resisting property. Based on finite element method and conventional calculation methods, this paper conducts comparative research of calculation methods for double-wall steel box, the results can provide a reference for design calculation of similar steel jacket boxes.

Keywords:double-wall steel jacket box; calculation method; finite element method

文章编号：1009-6477(2016)02-0063-03

中图分类号：U445.4

文献标识码：B

作者简介：阮泽莲(1986-)，女，四川省广安市人，硕士，工程师。

收稿日期：2015-10-12

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.014