基于不同流水压力理论对钢板桩围堰的影响研究

罗朝华，丁滨阳，田仲初，丛 培，曹 辉，戴 业

（1.中铁五局集团 第一工程有限公司，湖南 长沙 410000；2.长沙理工大学 土木工程学院，湖南 长沙 410114）

近年来，我国的经济建设取得了巨大成就，社会生产力得到了极大提高，建设了一大批跨大江大河的桥梁工程，同时在施工过程中遇到的困难也不断增多。譬如，施工工期紧、水文条件复杂、河床冲刷大、地质条件复杂、施工干扰大等，给桥梁承台基础施工带来了很大的难度。钢板桩围堰的广泛应用给桥梁基础施工带来了很大的便利，并且与双壁钢围堰和钢套箱相比，钢板桩围堰有施工便捷、对周边河流土体影响小、经济环保和重复利用率高等优点。但针对大流速的水文地质条件下，钢板桩围堰施工过程的安全稳定性越来越值得重视。目前已有的研究成果大多集中在钢板桩围堰自身受力特性的分析上，而对水流效应明显，水位高差较大的情况鲜有研究[1]。念江丽[2]在钢板桩围堰计算时仅考虑土压力和静水压力对结构的影响。田仲初等[3]在结构计算分析时采用等值梁法或平面有限元法进行简化计算。张长青[4]对静水和流水压力共同作用下的钢板桩围堰进行了分析，但对于流水压力的计算仅通过相关规范或经验公式进行了推算。封仁博等[5]在上述基础上创新地使用Morison 方程计算流水压力并将其与规范计算的数值进行了对比验证。本文在已有研究基础上采用多种方法计算流水压力，根据不同流水压力对钢板桩围堰进行理论分析，并以镇罗黄河特大桥的承台钢板桩围堰为背景，通过对钢板桩围堰迎水面进行实时应力监测，将实测值与理论值进行对比验证，通过分析得到一种最适合的计算方法，确保钢板桩围堰结构的安全稳定性。

1 流水压力计算方法

1.1 《港口工程荷载规范》[6]流水压力计算方法

《港口工程荷载规范》（JTS 144—1—2010）中对于港口工程中流水压力Fw的计算公式如下：

式中：Fw为流水压力值，kN；V 为水流速度，m/s；Cw为迎水面阻水系数；ρ 为水的密度，kg/m3，ρ=1 000 kg/m3；A 为水流方向上迎水面垂直面积，m2。

通常可把水流作用在钢板桩迎水面的压力荷载简化为均布荷载，即在模拟计算中可将公式（1）简化为

1.2 《公路桥涵设计通用规范》[7]流水压力计算方法

根据《公路桥涵设计通用规范》中4.3.9 条规定，在桥墩迎水面上作用的流水压力作用值可按照下式进行计算：

式中：Fw为流水压力值，kN；γ 为水的重度，kN/m3；V 为水流速度，m/s；A 为水流方向上迎水面垂直面积，m2；g 为重力加速度，g=9.8 m/s2；K 为桥墩形状系数。

同样，可以将钢板桩迎水面类比为桥墩迎水面，因此上述公式同样适用于计算作用在钢板桩上的流水压力：

1.3 Morison 方程计算流水压力

Morison 方程是分析水流波浪运动时最常用的方法之一，本文采用此方法对作用在钢板桩上的流水压力荷载进行分析计算。Morison 方程假定作用在结构任意高度的流水压力荷载可由水平拖曳力FD和水平惯性力FI两部分组成，而在本文的研究中围堰受水流冲击的振动速度较水流速度可忽略不计，因此对于水平惯性力可不予考虑。则计算作用在柱形结构任意高度上的流水压力公式可简化为

式中：ρ 为淡水密度，kg/m3；CD为黏性摩阻力系数[8]；A 为钢板桩在水流方向垂直面上的阻水面积，m2；v为水流速度，m/s。

对于钢板桩围堰这种类似矩形截面的阻水面来说，其流水压力值需通过乘以一个修正系数得到，修正系数公式如下：

式中：D 和B 分别表示与水流运动方向垂直和平行的矩形截面边长[9]。

上述式中CD的黏性摩阻力系数[10]通常与雷诺数Re 有关，通过下述公式算出雷诺数后查表得出CD的取值。雷诺数计算公式如下：

式中：ρ 为水密度，kg/m3；v 为水流速度，m/s；μ 为水流动荷载黏性系数。

式中：r 为水流运动黏性系数。通过查表可知，水流运动黏性系数r=2.15×10-6。

通过上述公式算出雷诺系数Re=4.56×107，查表可知黏性系数CD=0.75。

2 不同方法计算的流水压力对钢板桩围堰的影响

2.1 钢板桩围堰工程概况

钢板桩围堰内支撑围囹选取双拼HN500×200 型钢以及双拼HN700×300 型钢，横、斜撑选取Φ630×10 mm（壁厚）钢管，水下封底混凝土选用C20 水下混凝土进行封底。钢板桩围堰详细布置见图1～2。

图1 内支撑平面布置图

图2 钢板桩围堰立面布置图

2.2 流水压力对钢板桩围堰影响最大的工况

镇罗黄河特大桥13#墩钢板桩围堰施工过程共分为5 个施工工况（表1），各阶段出现的最大内力、应力及变形不同。在整个施工过程中，内支撑的布置对钢板桩围堰的受力状态影响很大，在水位下降后且内支撑还未安装时，此时钢板桩的内力、应力以及变形达到最大值，随着第一道内支撑安装后，水位的下降对钢板桩围堰的受力状态影响变小。为使分析结果更具代表性，应选择流水压力对钢板桩结构影响最大的工况。第二施工工况（CS2）为水位下降后，第一道内支撑安装前，此时整个钢板桩没有内部支撑，而在外部流水压力的作用下整个结构的应力变形达到最大，因此选择第二施工工况作为计算流水压力的最不利施工工况。

表1 施工工况表

2.3 流水压力的理论计算

根据该桥桥址的地质水文情况，在洪水期最大流速可达5 m/s，因此在围堰分析计算时不仅要考虑静水压力，也要考虑流水压力。

（1）按照《港口工程荷载规范》计算流水压力。其中流水面阻力系数Cw根据《港口工程荷载规范》中13.0.3 水流阻力系数表可得Cw=1.384，则流水压力

（2）按照《公路桥涵设计通用规范》计算流水压力。其中桥墩形状系数K 根据《公路桥涵设计通用规范》表4.3.9 中取值为1.3，则流水压力

（3）按照Morison 方程计算流水压力。水位高度为1.995 m，垂直水流方向的矩形截面边长D=10.4 m，故A=20.332 m2。计算得对于钢板桩结构，其流水附加质量需通过乘修正系数K 得到实际流水压力，其中KD=0.947 32+=1.792，则

对比上述三种计算方法所得的流水压力（表2）可知，根据两种不同规范中所给的流水压力计算公式算出的应力值仅相当于Morison 方程计算结果的46.2%和44.2%。

表2 三种流水压力理论值

3 有限元模拟

利用Midas Civil 建立钢板桩围堰整体有限元模型。其中钢板桩采用板单元，围囹和内支撑采用梁单元，并且将钢板桩截面等效为矩形板截面，在计算模型中板宽采用0.8 m，板厚采用17.96 cm。整体模型如图3 所示。

图3 有限元模型示意图

将上述三种方法计算所得的流水压力分别作用在有限元三维模型上，依照最不利工况分析结构应力状态。表3 列出了流水压力作用在最不利工况下的围堰各构件的计算结果。

表3 最不利工况下钢板桩及内支撑应力峰值

4 现场监测方案

4.1 围堰内支撑应力测点布置

钢板桩围堰共布置3 道内支撑，结合有限元模型计算结果，在第一、二、三道内支撑上均布置测点。第一道内支撑上在迎水面的围囹和斜撑上共布置3处测点，第二道内支撑在迎水面的围檩以及横、斜撑上共布置3 处测点，第三道内支撑在围檩与斜撑相交点位置以及横撑上共布置4 处测点。第一、二、三道内支撑上安装测点如图4～6 所示。

图4 第一道内支撑测点安装图

图5 第二道内支撑测点安装图

图6 第三道内支撑测点安装图

4.2 测量仪器

（1）表面测斜探头，焊接于钢板桩内侧，测量钢板桩桩身的倾斜度。

（2）振弦式应变计，焊接于控制截面相应构件表面，测试钢板桩应力、应变。

（3）综合测试系统自动跟踪采集模块。

5 结果与分析

通过对钢板桩围堰施工过程的实时监测，得到相应的实测数据，如图7～10 所示。表4 列出了最不利工况下测点A1、A2、B1 和B2 的实测和理论应力值。通过实测数据与理论数据的对比分析，说明监测数据真实可信。通过将现场监控实测值与模型分析结果对比，发现两者的应力和变形的变化规律基本类似，计算结果也比较接近，由此可知在有限元三维模型建立过程中，其本构模型参数选取比较合理。

图7 A1 测点实测应力值

由表4 可知，在最不利工况下的各位置的测点实测应力值与两种规范所计算的理论应力值相差很大，而与Morison 方程所计算的理论应力值差距较小。对比实测值与Morison 方程计算的理论值可知：各测点最大的绝对差仅为12.04 MPa，同时也是最大的相对误差，达到了8.99%；而最小绝对差仅仅为0.588 MPa，但相对误差为5.44%；各测点中最大相对误差为8.99%，最小相对误差为1.06%。

表4 最不利工况下实测应力与理论应力对比

图8 A2 测点实测应力值

图9 B1 测点实测应力值

图10 B2 测点实测应力值

综上所述，运用Morison 方程法对结构应力进行分析得到的结果与实测应力值最为接近。

6 结论

通过对钢板桩围堰的实时监测，结合理论计算模型，得出以下结论：

（1）运用Morison 方程计算流水压力所得到的结果更符合实际施工过程中钢板桩及内支撑所处的应力状态，通过对比镇罗黄河特大桥承台基础钢板桩围堰施工过程监测数据可知，各测点中最大相对误差为8.99%，最小相对误差为1.06%。由此可得，在类似大流速的工程实践中选择Morison 方程法对结构进行分析，能够保障结构在施工过程中良好的受力状态。

（2）在建立钢板桩围堰有限元数值模型时，需要对流水压力充分考虑，并对比多种计算方法，得到最不利结果作为施工监控预警值，保证施工中的安全稳定性。