大跨度桥梁深水基础单壁钢套箱围堰有限元应用技术

门发忠

（中铁二十一局集团第二工程有限公司，甘肃　兰州　730000）

大跨度桥梁深水基础单壁钢套箱围堰有限元应用技术

门发忠

（中铁二十一局集团第二工程有限公司，甘肃兰州730000）

深水基础因其工程特点成为了大跨度桥梁的施工关键，钢围堰作为深水基础施工中常用的一种挡水结构，其设计应符合各个工程特点及现场施工条件，力求经济合理。论文以某大桥实际工程为背景，详细介绍了单壁钢围堰的设计方案及借助有限元模型进行合理性检算的过程，为同类型深水基础钢围堰施工检算提供技术参考。

大跨度桥梁；深水基础；单壁钢围堰；有限元；分析计算

钢围堰是当今桥梁深水基础施工常用的临时阻水结构，其作用是通过四周钢壁和封底混凝土围水围沙，为基础施工提供一个稳定的无水环境。钢围堰形式主要有钢板桩围堰、钢套箱围堰、钢吊箱围堰等。钢板桩围堰一般采用单壁结构，主要适用于流速较小、水位较低，承台较浅、河床地质透水性弱的地层；钢套箱围堰可分为单壁、双壁以及单双壁组合式，适用于流速较大、水位较深，承台较浅的地层；钢吊箱钢围堰主要适用高桩承台。由于钢套箱围堰具有施工速度快、防水性能好、可重复利用等诸多优点，被广泛应用于修建桥梁深水基础时的围堰工程［1，4］。

1　工程概况

该深水河大桥是一座 （91.2+2×160+91.2）m连续刚构桥，主桥23#～25#主墩采用双肢薄壁墩形式，墩身顺桥向宽度为180cm，双肢净距440cm，横桥在超出同箱梁底板宽度处接半圆截面。主墩承台顺桥向宽1360cm，横桥向宽1440cm，厚450cm，承台下接9根φ220cm钻孔灌注桩基础。桩基顺、横向桩间距均为500cm。桩基础按嵌岩桩设计，持力层为中风化白云岩。本桥的设计防撞力采用3000t，经过防撞设计采用承台左右幅分修，自身满足防撞要求。同时在墩身周围设置浮筒式防撞设施，可有效避免船只与承台、桥墩直接相撞，以达到消能降低撞击力的目的。

受水文状况影响24#号墩钢护筒施工定位困难［5］，经多次方案比选决定采用在24#墩护筒底部设单壁固脚围堰，在围堰内灌注封底混凝土包裹钢护筒，以稳定钢护筒底部。

2　围堰设计与检算

2.1围堰结构形式

1）围堰形式。为适应水下地形条件，24#墩为高低刃脚单壁钢围堰，其断面如图1所示。

图1　钢围堰断面图（单位：cm）

2）钢套箱平面尺寸。承台平面尺寸为14.4m（横桥向）×13.6m（顺桥向），考虑利用套箱作为承台施工模板，为保证承台轴线的精确，在承台外缘留出10cm空间，作为钢围堰在下沉时的偏差余量，钢围堰平面尺寸如图2所示。

图2　围堰平面布置图（单位：mm）

3）钢围堰面板结构［6～7］

面板厚度为8mm；横向肋［8］，间距为55cm；竖向肋I22a，间距为55cm。

面板四周设L100×100×10角钢连接件，连接螺栓孔为φ22mm，孔距137.5mm（单排），螺栓为M20× 65mm。

4）围囹及支撑。围囹选用双拼I56a工字钢；斜撑选用双拼I36a工字钢；支撑选用φ530×8mm钢管。

5）封底。围堰内浇筑C20混凝土进行封底。

2.2检算模型

2.2.1建立模型

对单壁钢套箱围堰结构的受力情况检算采用MIDAS程序进行［1］，整个围堰采用空间梁单元模拟，模型图如图3所示。

图3　有限元分析模型图

本模型共划分为3356个节点和6690个空间梁单元，纵向肋和竖向肋采用自由度耦合的方式进行处理之间的连接。

2.2.2检算工况

工况一整体套箱吊装下沉到位，荷载组合［2］：①套箱自重（包括套箱侧板、加劲肋、支撑系统、吊耳等）+②按3.21m/s的流速产生的流水压力，计算内容为吊装支撑系统受力计算；

1）计算模型［10］。计算模型为钢套箱4个角铰接，迎水面的中间位置再设置一道桩，并利用I56工字钢水平连接，以防迎水面的底部应力自由长度太大造成的应力过大。

2）结构分析结果。经分析：

①位移最大值发生在套箱顶部，为39mm。

②弯曲应力的最大值为170MPa，小于许用应力188.5MPa。

③剪应力的最大值为97.2MPa，小于许用应力110.5MPa。

④轴向应力的最大值为166MPa，小于许用应力182.5MPa。

故钢套箱围堰在本阶段的刚度和强度均满足要求，如图4所示，见表1。

图4　工况一分析结果

表1　支反力

由钢套箱的支反力可以看出，迎水面高程较高的点位置出现了支反力为拉力的情况，由于迎水面其余位置的支反力均为压力，且数值大于该位置处的拉应力值，为防止钢套箱出现倾斜等情况，建议钢套箱下放到位后在迎水面利用钢丝绳锚固，并根据现场情况施加一定的拉力，为防止倾覆，可在迎水面的钢箱面设置一些配重。

1.2.1 成立循证护理小组 由护士长和高年资护士5人组成。通过培训,小组成员能熟练掌握循证护理方法。

3）钢套箱底部锚固桩受力检算。由支反力可知，钢套箱下放到位后，其水平力之和为1317.23kN，全部由迎水面的12根直径15cm的锚固桩承担，则：

每根锚固桩承担的水平荷载为：1317.23/12= 109.77kN；

Q=0.7ftDD=0.7×1.95×150×120=24570N= 24.57kN＜109.77kN，由于由截面混凝土提供的抗剪强度不满足要求，故需要减小锚固桩承担的水平剪力，在钢套箱顶部需要设置锚索，并使锚索承担的水平荷载为水平荷载的66.6%（因流水压力呈倒三角分布，上部的流水压力较大），则由底部锚固桩承担的水平剪力为0.333×1317.23=438.65kN；

由于水流压力为动水压力，故需要提高锚固桩的承载力，增加底部锚固桩的数量，在迎水面设置20根直径15cm的锚固桩，箍筋按照I级钢筋，直径8mm，间距100mm配置。

桩的入土深度需要按照锚固桩承担的弯矩计算，由于锚固桩主要承受剪力，弯矩不好确定，按照构造确定其锚固深度。锚固深度需大于其在地基之上的高度。

2.2.3整体稳定性［11］

套箱稳定性最不利工况是：钢套箱已下沉至河床，但还没有浇筑封底混凝土。此时作用在钢套箱上的荷载有钢套箱自重、静水压力和流水压力。

流水压力产生的倾覆力矩Mq为10939kN·m，钢套箱自重产生的抵抗力矩Md为13698kN·m，故稳定系数为：

此时的倾覆稳定系数较小，需要在钢套箱顶部设置锚固钢丝绳，或者在迎水面的钢围堰面上设置配重。若设置配重，则配重数量为：

若要求稳定系数大于2，需要在迎水面钢围堰处设置59.2t的配重。若稳定系数要求1.5，则配重为17.6t。

若在钢套箱顶设置锚索，则所有迎水面设置的锚索提供的水平力需大于700kN。

建议钢套箱下沉到位后［9］，利用砂袋或钢构件悬吊在迎水面上，在封底混凝土浇筑后，卸除配重。

2.3结果

1）钢套箱下沉到位的同时，需在钢套箱顶部设置拉索，拉索承受的荷载需大于700kN；钢套箱底部设置20根直径15cm的锚固桩，以承担流水压力对钢套箱的水平力，按照此布置的钢套箱强度满足要求；

2）竖向肋与内支撑连接处应力比较集中，应做局部加固处理；

3）为满足倾覆稳定性要求，需在钢套箱顶部设置锚索或在迎水面的套箱处设置配重。

3　结束语

由上述结论可以看出，采用有限元程序可以对桥梁钢套箱围堰结构进行三维整体仿真计算，能够较好直观地模拟围堰的受力情况，与平面结构计算相比更符合实际的工况，方法更合理更可靠。工程实践也表明该方法的计算结果完全可以满足施工要求，可为类似工程的设计检算提供参考和借鉴。

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［2］ 铁道部第三勘察设计院，TB10002.1-2005铁路桥涵设计基本规范［S］.铁道部，2005：18-32.

［3］ 中国工程建设标准化协会组织，GB50017-2003钢结构设计规范［S］.中国建筑工业出版社，2003：44-100.

［4］ 王景文，钢结构工程施工质量验收规范实用手册［S］.中国建材工业出版社，2003.

［5］ 越晓芹.大型深水钢套箱围堰施工技术［J］.中国科技博览，2015（41）：158-158.

［6］ 李益.浅析钢套箱围堰中几点施工技术［J］.建筑工程技术与设计，2014（31）：40.

［7］ 中交公路规划设计院，JTGD60-2004，公路桥涵设计通用规范［S］.中华人民共和国交通部，2004：16-22

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［9］ 黄碧珊.黄石长江公路大桥主墩钢围堰下沉试验研究［J］.水运工程，2004（9）：82-84.

［10］向中富.桥梁施工控制技术［M］.人民交通出版社，2003：45-53.

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