基于MIDAS CIVIL的钢板桩围堰整体模型简易建模方法研究

程金雄

摘要：对于水上桥梁基础施工，钢板桩围堰是保证深基坑施工质量的可靠技术，围堰的可靠性直接影响工程质量和施工人员的人身安全。本文结合武汉市仙女山路（墨水湖北路—四新南路）工程水下承台施工，介绍了水下深基坑钢板桩围堰整体模型采用MIDAS CIVIL的两种建模方法对比，针对本项目建立的模型，计算分析了简易建模方法，结果表明：简易建模方法对于一些简单支撑的围堰完全能满足其要求，对建模技术水平要求不高，荷载及边界施加时选取节点方便，为同类工程提供了一定的借鉴和参考。

关键词：钢板桩围堰;整体建模;MIDAS CIVIL

中图分类号：TV551.3              文献标识码：A

钢板桩具有强度大、施工速度快、可重复利用、防水及经济效益好、可组成各种形状等优点，被广泛应用在市政、公路、水利等基础建设工程中。对于水上桥梁基础，往往通过围堰来形成临时结构并辅助施工，而围堰的设计及计算，基本都由施工单位自行完成，且围堰的可靠性对于施工人员的人身安全至关重要，随着有限元分析方法的发展，MIDAS CIVIL对于桥梁临时结构的模拟计算逐渐被业内人士认可，通过建立整理模型，针对钢板桩围堰在不同工况下的受力状况进行分析，这种方法相比经验计算更精确可靠。

本文以武汉市仙女山路（墨水湖北路—四新南路）工程1号桥某主墩基础施工为例，介绍了两种钢板桩围堰整体建模方法，运用MIDAS CIVIL软件对钢板桩、围檩、内支撑等结构进行验算，为同类工程提供了借鉴和参考。

1 工程概况

武汉市仙女山路（墨水湖北路—四新南路）工程1号桥主桥为五跨连续变截面预应力混凝土箱梁桥，其跨径布置为30 m+3×50 m+30 m，总跨径210 m，主墩承台位于龙阳湖上，本文仅以3号墩作为计算对象进行分析，承台尺寸为8.4×7.5×3 m方形承台，一个承台下布置钻孔灌注桩4根，桩径1.8 m，桩长30 m。

龙阳湖常水位19.5 m，水深1～3 m，勘测期间平均水深1.4 m，3号墩处湖底淤泥顶标高18.05 m，水深1.45 m，承台设计低于湖底约1 m，全部位于河床下，承台顶标高17.7 m，封底混凝土厚为1 m，承台厚3 m，基坑底标高13.7 m。

2 钢板桩围堰设计

2.1 地质情况

根据地勘报告，场地3号墩处土层情况如表1所示.

2.2 围堰结构及材料特性

根据经验及初步测算，结合场地条件、施工工艺、地质情况等因素，该处基坑采用12 m长拉森IV型钢板桩+一道内支撑的支护体系，基坑离承台襟边1 m作为施工空间，钢板桩围堰整体尺寸为11.4 m×10.5 m，围檩采用HM350*350型钢，内支撑采用273*7圆管，材料均为Q235。材料特性如表2及3所示。

钢板桩围堰及地层相对关系的平面图如图4所示。

3 两种整体模型建模方法

通过MIDAS CIVIL建立钢板桩围堰模型的方法很多，其中最简易的方法是建立一根钢板桩模型进行受力分析，此种方法对于围檩和支撑的模拟程度不够，还需结合手算[1];第二种方法是在第一种方法的基础上将钢板桩进行拓展，采用梁单元进行模拟，相比第一种方法可以将围檩和支撑整体模型建立起来;第三种是采用钢板桩围堰轮廓进行线单元到板单元的扩展，采用板单元进行模拟，这种方法节点多，建模过程较前两种方法相对复杂[2]。

3.1 采用板单元建立整体模型

采用CAD DXF文件导入至MIDAS CIVIL建立线单元，再通过拓展命令，建立钢板桩围堰整体模型。

3.2 采用梁单元建立简易整体模型

采用该方法建立模型后节点2 626个，单元2 732个，在进行边界及荷载施加时比较复杂，建模容错率较低。钢板桩、围檩、支撑全部采用梁单元进行模拟，首先需要定义一个板桩模型，为方便计算和选取，我们可以采用矩形板桩模拟钢板桩，定义板桩宽B=1 m，H=0.34 m（0.34 m为两片钢板桩扣紧之后的叠加厚度），然后通过调整截面板材抗弯截面模量与钢板桩一致，如图7所示。

将板桩面积、抗弯截面模量与钢板桩自身参数设置为一致，一方面能保证钢材的自重数据，另一方面能保证板桩的抗弯能力，这两个参数都是计算的重要依据。

具体过程如下：先建立1/4模型，再通过镜像形成整体模型，底部约束Z方向位移，主动土压力采用连续梁单元荷载进行模拟，被动土压力采用土弹簧进行模拟，土弹簧参数通过m法进行计算得到，采用这种方法建立模型后节点总数598个、单元总数556个。相比“线单元拓展板单元”模拟方法，边界条件设置、荷载添加都比较方便，只是整体模型上不如“线单元拓展板单元”模拟方法更形象美观，但是不影响计算结果，且荷载及边界施加完成后清晰明了，对于施加错误，模型修改也比较方便。

4 简易模型计算结果

4.1 荷载组合及工况

自重取计算系数-1，模型自动计算;静水压力，水深1.45 m，密度1 t/m3;荷载组合：标准值=自重+土压力标准值+水压力标准值、设计值=1.2×自重+1.4×外部水压力标准值+1.2×土压力标准值;计算工况：根据本项目实际情况，开挖至封底混凝土底标高时为最不利工况，项目封底采用干封底技术，该处开挖深度为最深，即基坑内抽水挖泥至标高13.7 m，浇筑封底混凝土之前[3]。

4.2 位移及应力计算结果

取钢板桩围堰系统位移和应力的最大值，钢板桩位移和应力最大值如图8、9所示。

通过稳定性计算，在该围堰嵌固深度下稳定性系数满足规范要求：

封底砼采用干作業施工，抽水后开挖至设计标高进行干封底，设计封底砼厚度为1 m，封底混凝土厚度以混凝土抗拉强度进行验算，取两根桩基间距宽1 m、高为h的混凝土梁为计算单位，则混凝土所受拉应力应满足：

其中，

参考《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》（CECS137-2015）浮力取分项系数1.27，自重取分项系数1.0，C20混凝土容许拉应力为1.06 MPa，解方程得h=0.864 m，按照厚度验算取封底砼厚度1 m能够满足要求。

5 结语

文中详细介绍了采用MIDAS CIVIL的两种钢板桩围堰整体模型建模方法，可以看出，采用“线单元拓展板单元”模拟方法明显比采用自定义板桩模拟方法要复杂，节点单元多，要求的建模技术也更高;针对第二种简易整体模型建模方法，以武汉市仙女山路（墨水湖北路—四新南路）工程3号墩实际情况为例进行了建模分析，主要分析围堰钢板桩、围檩和支撑的应力及位移状况，并对危险工况进行了计算，通过计算得到危险工况下的桩体应力、变形图，结果表明该简易建模方法对于一些简单支撑的围堰完全能满足其要求，而且建模技术要求不高，荷载及边界施加时选取节点方便，对类似工程具有一定的借鉴意义[4]。

对于比较复杂的深大基坑，若要求建立封底混凝土实体模型和对施工阶段进行模拟，则需要进行线单元→面单元→实体单元的拓展建模方法，此种情况下可采用文中第三种建模方法，对建模人的要求相对高一些，也比较形象方便。

（责任编辑：武多多）

参考文献：

[1]龚晓楠.深基坑工程设计施工手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2018.

[2]GB50017，钢结构设计规范[S].北京：中华人民共和国建设部，2003.

[3]钱靓，王昕明.大型桥梁水下深基坑钢板桩围堰设计与施工[J].湖南工业职业技术学院学报，2018，18（06）：5-8.

[4]武汉市仙女山路（墨水湖北路—四新南路）工程施工组织设计.