大型双壁钢围堰施工过程有限元分析

焦文容

（重庆市建筑科学研究院，重庆 400016）

0 引言

双壁钢围堰因其刚度大、稳定性强以及适应性强等优点，在我国桥梁深水基础建设中应用广泛[1]。相对于单壁钢围堰，双壁钢围堰承受内外侧水位差的能力更强。但是在施工过程中，双壁钢围堰所处的水下环境恶劣，受力情况复杂[2]。因此，本文结合某大桥双壁钢围堰的设计，采用Midas/Civil对双壁钢围堰进行有限元分析，以此来研究双壁钢围堰在施工过程中的受力性能，保证在施工各阶段结构的安全性[3]。

1 围堰设计

1.1 结构形式与尺寸

该桥主桥为斜拉桥，桥塔基础采用先成围堰后成桩的方案施工，围堰采用双壁钢围堰。围堰相关设计如下：

该围堰采用圆形双壁钢围堰，平面尺寸为40×21.144×2m（外径×高度×壁厚）。为方便抽（灌）水以及侧壁灌注混凝土，将围堰壁间的竖向隔舱分为12个封闭隔舱。

壁板沿高度方向的上中下段厚度分别为6mm、8mm和6mm。在刃脚1.25m范围内，壁板加强，厚度为20mm。内外侧壁板周围设置竖向加劲肋，按外侧间距为320mm成对设置，规格均为∠75 mm×75mm×8mm角钢。内外壁上对应设有水平环板，环板间距为1.1m、1m和0.8m，环板厚度为20mm和25mm，并在下段设壁厚为25mm的环板加劲板。同一平面上的内外水平环板间设有水平连杆，形成环形的水平桁架，使内外井壁合成整体，水平连杆在上下段分别有两个尺寸，为∠100mm×100mm×10mm角钢和∠125mm×125mm×12mm角钢。

围堰内无内支撑，围堰分两层加工，一次下放。围堰顶面标高▽237m，最大设防水位▽236.5m，设计封底混凝土厚度为4.6m。围堰结构如图1所示，材料参数见表1和表2。

图1 钢围堰立面图（单位：mm）

表1 材料参数表

表2 主要材料特征表

1.2 施工方案

围堰采用先成围堰后成桩基的方案进行施工。具体施工流程为：在围堰范围内进行基坑开挖，搭设栈桥与作业平台，进行围堰下放支架的搭设，安装围堰下放导向装置，围堰拼装，安装下放系统（并试吊），围堰下放，围堰下放就位后侧壁混凝土灌注，围堰防冲刷工序施工，安装桩基护筒，浇筑封底混凝土，桩基施工，抽水进行承台施工。

2 有限元分析

2.1 荷载分析

在围堰施工计算过程中，需要考虑的荷载有：相关结构的自重、静水压力、动水压力、风荷载、钢护筒握裹力。

（1） 自重

自重按照结构实际重量考虑；在Midas/Civil 2015中直接添加即可自动计算。

（2） 静水压力

静水压力采用三角形分布，按照静水压力公式进行计算，不同水深对应不同的水压力。也可在Midas/Civil添加流体压力荷载，通过输入水的容重以及参考高度，就能自动计算出静水压力。

（3） 动水压力

动水压力，集度荷载按倒三角形施加，根据《公路桥涵设计通用规范》中4.3.9计算：

式中：R1为流水压力标准值；γ为水的容重，取γ=10kV/m3；ν为流速， 取2.8m/s；g为重力加速度9.81m/s2；K为形状系数，按《公路桥涵设计通用规范》[4]（JTG D60-2015表4.3.9）选取，因钢围堰为圆形结构物，按表取K=0.8。

计算得出水流速度为3.4 m/s时，顶部压强9.428kPa，河床处压强为0。这里顶部压强应小于9.428 kPa，因为按照倒三角形施加荷载，荷载集中力应在三角形2/3处位置，这里为方便计算，则取荷载作用位置在三角形1/2处，这样计算结果也相对保守。

（4） 风荷载

风荷载仅施加于露出水面的部分，依据《建筑结构载荷规范》[5]计算，计算公式如下：

式中：W0为基本风压，单位（N/m2）；Vs为基本风速。 工作状态的最大风速为13.6m/s（6级风），基本风压为0.116kN/m2；非工作状态的最大风速为38.4m/s（13级台风），基本风压为0.922kN/m2。

（5） 握裹力

钢护筒握裹力取150kPa。

2.2 工况分析

在围堰施工过程中，主要考虑如下工况：

工况1：采用支架系统对钢围堰进行整体下放。钢围堰在支架上进行拼装，支架承受钢围堰的全部重量，对支架进行强度刚度的验算，对支架底部施加固定约束；在下放过程中，钢围堰受风荷载以及自重的作用，对围堰进行验算，约束设置为约束顶板竖向位移，侧面施加对称约束；

工况2：钢围堰在下放到位后，进行围堰隔舱内浇筑混凝土、浇筑封底混凝土。此时隔舱内水以及围堰内水没有被抽取，且与隔舱内混凝土共同减轻了外侧壁板的水压，围堰处于一个安全的状态。因此，此阶段可不进行计算；

工况3：在抽水位235.5m时，抽取围堰内水。此时，围堰外侧有强大的水压力作用在围堰的外壁上，但此时围堰内水被抽干，围堰内壁没有水压作用。围堰内外侧的力局部处于一个不平衡的状态，此时围堰受力不利。约束设置为外侧壁板底部施加竖向约束，两侧面分别施加相应对称约束；

工况4：若水位达到围堰顶部237m，此时不能施工，处于渡洪阶段。为使围堰安全受力，将隔舱内灌满水，对围堰进行验算。约束设置与工况3相同。

图2 钢围堰1/4模型

2.3 计算分析

2.3.1模型建立

采用大型通用有限元软件Midas/Civil 2015软件分析，内外壁板采用板单元模拟，竖肋、角钢环撑采用梁单元模拟，壁舱混凝土及封底混凝土均采用混凝土实体单元模拟，钢围堰采用1/4模型进行计算，计算模型如图2所示。

2.3.2受力性能分析各工况荷载组合系数如表3所示。

表3 各工况荷载组合系数

图3、图4、图5、图6为工况3的部分结构的应力图，其中壁板、水平撑、环板和竖肋的最大应力分别为139.00MPa、77.73MPa、99.363MPa和102.02MPa。可以看出，这些结构的最大应力位置都出现在隔舱混凝土顶部附近。由图6可以看出，在隔舱混凝土位置的竖肋已经被删除一部分，因为竖肋横截面比较小，在隔舱混凝土顶面，竖肋在很大的静水压力下受到混凝土的限制，导致竖肋的局部应力超过限值，在删除部分竖肋之后，围堰各结构应力都在容许范围之内。因此，竖肋在此工况下，部分竖肋应力超过限值，在退出工作后，对结构整体强度和刚度影响不大。计算结果如表4所示。

图3 壁板Mises应力云图（MPa）

图4 水平撑应力云图（MPa）

图5 水平环板Mises应力云图（MPa）

图6 竖肋应力云图（MPa）

表4 钢围堰各构造应力及变形计算结果（应力/MPa、变形/mm）

由表4可以看出，双壁钢围堰壁板、水平撑及竖肋最大应力分为139.0MPa、77.7MPa和102.0MPa，小于容许应力215MPa；最大变形分别为6.8mm、6.8mm和8.1mm，悬臂端构件允许变形为L/500，围堰看作竖直方向的悬臂构件允许变形为L/500=40000/500=80mm；壁板强度和刚度均满足要求。环板最大应力为99.4MPa，小于容许应力205MPa；最大变形为7.0mm，小于容许变形80mm。因此，双壁钢围堰的强度和刚度均小于容许值，满足要求。

2.3.3抗浮稳定性分析

在钢围堰封底混凝土浇筑完毕后，抽水施工承台，此时浇筑了封底混凝土的围堰整体形成了一个巨型桶状结构，在水中受到向上的浮力F。这时需要通过钢围堰的自重G1、封底G2及隔舱混凝土G3的重量，钢护筒的握裹力F0和隔舱内水G4的重量来抵抗向上的浮力F。具体平衡方程为：

故围堰抗浮满足要求。抗浮系数计算如表5所示。

表5 抗浮系数计算表（kN）

3 结论及建议

（1）运用有限元分析软件Midas/Civil对某大桥双壁钢围堰进行施工过程模拟并分析，从得出的结果可知围堰在施工过程中强度和刚度均满足规范要求。

（2）由表4可以看出，工况3是壁板、环板和水平撑的最不利工况，此时围堰内不灌水，围堰主要受围堰外侧静水压力的作用，壁板、环板和水平撑最大应力出现在这个阶段。并且竖肋在隔舱混凝土顶的位置的应力很大，删除部分竖肋后的分析结果满足要求。可以看作竖肋在应力超过限值后，退出工作，结构受力满足要求。

（3）当围堰中水被抽干到施工承台时，围堰的抗浮稳定性处于最差的状态。但通过计算分析可以发现，此阶段钢围堰的抗浮稳定性仍满足施工要求。

责任编辑：刘艳萍

施工安全

施工电梯围护外架搭设方法

高层建筑施工时，一般都要使用外用电梯，而外用施工电梯的围护外架是保证外用电梯正常使用的重要构造。根据《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》规定：常用密目式安全立网全封闭双排脚手架的允许搭设高度不宜超过50m，高度超过50m的双排脚手架应采用分段搭设等措施。目前，在很多高层建筑施工过程中，使用的外用电梯双排钢管围护外架的搭设高度在主体结构的18层左右时一般都超过了50m，有些外用电梯双排钢管围护架能一直搭设到主体结构的32～34层，其搭设高度甚至超过了100m，造成了安全隐患。

正确搭设施工外用电梯围护架可采用以下三种方法。

（1）在外用电梯不超过50m的搭设高度范围内采用落地式钢管双排架体，超过50 m范围采用悬挑钢管双排架围护架体。

（2）在一二层搭设落地式钢管双排围护架体，3层以上每8层搭设一次悬挑钢管双排架围护架体。

（3）从首层开始搭设悬挑钢管双排围护架体，以后每8层搭设一次悬挑钢管双排架围护架体。

通过采用以上三种外用电梯围护架体的搭设方法，既满足《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》的要求，又可排除外用电梯围护架体不规范搭设而造成的安全隐患。