基于Midas Civil有限元软件分析钢板桩围堰的设计

彭文礼

(水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

0 引言

目前，钢板桩与内支撑组成的围堰结构体系由于具有良好的稳定性，施工技术也成熟，因此在基坑支护中被广泛应用。但为保证围堰结构的整体强度、刚度以及稳定性，满足施工要求，避免失事，对围堰设计验算很有必要。桥梁工程中，水中墩采用钢板桩围堰有很多优点，如强度高、防水性好、施工简单、成本低且安全可靠、占有河道面积范围小，而且不影响排洪等[1]。

1 工程概况

钢板桩具有施工速度快，经济效益好等优点被广泛应用于工程中[2]，并且技术已经很成熟[3-4]，靖远金滩黄河大桥主桥为(100+168+100)m矮塔斜拉桥。本项目跨越黄河，与其他河流无交叉，黄河的特点是“水少沙多”，全河多年平均天然径流量580亿m3，本段黄河历史最大流量为6800 m3/s，河水含砂量大。由于季风气候的影响，黄河水量有明显的季节变化，从前一年的12月到当年的4月份为枯水期，月平均流量大都在500 m3/s以下，小于年平均流量的5%，6月份开始进入汛期，7月～9月份是黄河的洪水季，月平均流量在1800 m3/s～2000 m3/s，三个月的径流量占年径流量的47.3%，10月以后，随着降水减少，水量逐渐退落，至第二年的2、3月达到最小。

桥墩7号主墩平面尺寸为33.7 m×15.7 m，围堰采用拉森Ⅳ钢板桩形式，承台厚度5.0 m。承台顶高程+1385.306 m，底+1380.306 m。7#墩承台施工基坑支护用锁扣钢管桩围堰，围堰平面尺寸为36.8 m×18.4 m，共设278根拉森4钢板桩，围堰内设3层围檩、内支撑体系。第一层围檩系统采用2HN600×200型钢(Q235b钢),第二层围檩系统采用2HN700×300型钢(Q235b钢)，第三层围檩系统采用2HN700×300型钢(Q235b钢)，钢板桩长21 m。围堰按干开挖方式实施，围堰底浇筑50 cm厚混凝土垫层。7#墩围堰内支撑系统构建规格见表1。

表1 主墩7#墩围堰内支撑系统构建规格表

主桥7号、8号墩位于主河槽内。桥墩采用横向设置三肢实体墩身，中肢5 m×7 m矩形截面，承台尺寸为15.7 m×33.7 m×5 m。承台底布置18根2.2 m的桩基础，桩长60 m。每根桩在周围四点处布设Φ50 mm超声波检测管四根，供成桩质量检测使用，桩基沉渣厚度不应超过5 cm。围堰及承台桩基的立面图与平面图分别见图1与图2。

图1 围堰立面布置图

图2 围堰平面布置图

2 围堰施工步骤及结构参数

2.1 围堰施工步骤

围堰具体施工步骤如下：

(1)围堰四周泥面开挖，清理平整，防止围堰两侧出现土压力差；

(2)安装导向架，引孔，孔内回填砂袋；

(3)沿已引孔完成区域打设钢板桩直至合拢；

(4)在低水位安装第一层围檩、内支撑；

(5)围堰内抽水，开挖至+1386.506 m，安装第二层围檩、内支撑；

(6)待第二层安装完成后围堰内降水，开挖至+1383.006 m，安装第三层围内支撑；

(7)第三层围檩、内支撑完成施工以后围堰内降水开挖至基坑底(承台下0.5 m)；

(8)浇筑封底层0.5 m，找平等强；破除桩头，安装模板，绑扎钢筋，施工承台；

(9)围堰内回填粗砂，并浇筑一层冠梁(50 cm)至承台顶；

(10)持续施工至出水，回水拆除围堰内围檩、内支撑系统；

(11)拔出钢板桩围堰，完成施工。

2.2 围堰结构参数

围堰设计时的主要参数见表2。

表2 围堰设计参数

钢板桩设计时的主要参数见表3。

表3 钢板桩设计参数

3 模型建立

围堰采用Midas Civil空间有限元软件对其整体进行建模，封底混凝土采用实体单元模拟，钢板桩、内支撑系统采用梁单元模拟，对杆件赋予自有的材料和相应的截面特性，钢管桩入土部分根据工程经验及相关规范要求以土弹簧约束加以模拟，围檩与钢管桩围堰采用刚性连接，围檩与内支撑间采用共节点连接。7#围堰处地址主要为卵石、泥质砂岩，具体土层参数见表4，整体有限元模型如图3。整体模型共计18488个节点，共计16702个单元，其中梁单元3805个，板单元8981个，实体单元3916个。

表4 7#墩土层参数表

图3 围堰整体模型图

4 内支撑结构计算

4.1 第一道内支撑结构计算

4.1.1 强度及刚度

结合计算模型，安装第一层围檩后，第一层内支撑受力最不利，最大反力为87.4 kN/m；Q235钢材的允许应力为[σ]=145 MPa，[τ]=85 MPa，拉森Ⅳ钢板桩允许应力为[σ]=210 MPa，[τ]=120 MPa，查询计算结果可知，内支撑最大组合应力为71.5 MPa，最大剪应力为17.7 MPa，内支撑强度与刚度均满足要求。

4.1.2 稳定性

围檩稳定性满足要求。

对撑及角撑稳定性满足要求。

4.2 第二道内支撑结构计算

4.2.1 强度及刚度

结合计算模型，安装第一层围檩后，第一层内支撑受力最不利，最大反力为379.4 kN/m；Q235钢材的允许应力为[σ]=145 MPa，[τ]=85 MPa，拉森Ⅳ钢板桩允许应力为[σ]=210 MPa，[τ]=120 MPa，查询计算结果可知，内支撑最大组合应力为119.8 MPa，最大剪应力为57.6 MPa，内支撑强度与刚度均满足要求。

4.2.2 稳定性

对撑稳定性满足要求。

φ=0.978，角撑最大轴力N=1934.6 kN，最大弯矩M=48.3 kN·m，角撑稳定性满足要求。

4.3 第三道内支撑结构计算

4.3.1 强度及刚度

结合计算模型，安装第三层围檩后，第三层内支撑受力最不利，最大反力为682.8 kN/m；Q235钢材的允许应力为[σ]=145 MPa，[τ]=85 MPa，拉森Ⅳ钢板桩允许应力为[σ]=210 MPa，[τ]=120 MPa，查询计算结果可知，内支撑最大组合应力为125.5 MPa，最大剪应力为68.6 MPa，内支撑强度与刚度均满足要求。

4.3.2 稳定性

围檩稳定性满足要求。

对撑稳定性满足要求。

角撑稳定性满足要求。

5 围堰监测

为确保施工的安全，临时结构的施工离不开监测，同时也要及时了解围堰变形情况，判断结构受力的安全性以采取应变的措施，并可以应用到类似工程中，作为指导施工的依据。

5.1 监测内容

5.1.1 钢板桩自身变形

钢板桩自身会有一定的变形，其屈服强度与稳定性是判断能否满足设计要求的重要依据，同时有助于了解该施工区域土层的稳定性特征。

5.1.2 钢支撑轴力

钢支撑体系遭到破坏或者失稳，势必会给围堰带来严重的后果，实时跟踪监测内支撑的受力情况，进而评估钢围堰的稳定性及可靠性。

5.2 监测方法

钢板桩、围檩及横撑的应力监测时，选一根钢板桩，将表面应变计点焊至钢板桩内力最大位置处。应变计在钢板桩内侧竖向布置，在围檩横撑上横向布置。

钢板桩位移监测分为竖向位移和水平位移，竖向位移监测采用水准仪监测，在以上选定的钢板桩顶设置监测点，用红油漆标注，监测钢板桩上下位移变化。

钢板桩顶部水平位移是钢板桩监控的重要手段，通过它可以快速、直接地了解钢板桩顶部的变形情况，采用全站仪进行三角测量，通过坐标的变化进而得出钢板桩顶部的水平位移。钢板桩下部水平位移和竖向位移采用沉降倾斜仪监测[5]。

5.3 监测频率及预警值

5.3.1 预警值

监测预警值暂按表5执行。

表5 监测预警值设定

5.3.2 监测频率

监测频率按表6执行，不同施工阶段下，针对数据不稳定情况，对以下监测频率做出适当调整。

表6 检测频率

6 结语

本工程采用理论结合Midas Civil分析软件的计算方法，对靖远金滩黄河大桥(100+168+100)m7#主墩钢板桩围堰计算，通过计算强度、刚度及稳定性均满足施工和使用要求，拉森钢板桩围堰值得推广应用。