深水基础锁扣钢管桩围堰施工过程仿真分析

孙俊昌,张 晨,余学林

(中南检测技术有限公司,湖北 武汉 430040)

建造水下基础的关键是解决深水带来的一系列问题[1]。如何在深水中安全、迅速、经济地建设桥梁下部结构,已成为国内外工程人员重点研究的问题。基坑围堰的应用越来越多,具体形式也较多[2],有钢筋混凝土或预应力混凝土板桩围堰、双壁钢围堰、单壁钢围堰和锁扣桩围堰等多种围堰形式。而锁扣钢管桩围堰结构稳定,施工周期短,施工桩基时即可插打钢管桩,对起重设备要求低,材料可回收利用,适用于软弱覆盖地层河床。为确保锁扣钢管桩围堰结构安全,施工前需进行施工过程仿真分析,掌握钢围堰的应力分布规律、稳定性和变形情况。

1 工程概况

某斜拉桥主墩桩基承台及塔座施工采用锁扣钢管桩围堰,钢管桩为Φ820×12 mm,锁扣为Φ180×6 mm和I20b型钢组合形式,大小钢管间两侧采用竖向加劲板加固并与连接的钢管满焊,Φ180×6 mm钢管切口与下一段的I20b型钢咬合,锁扣内压注防水材料。顺桥向每侧打设25根锁扣钢管,横桥向每侧打设36根锁扣钢管,按矩形布置,围堰钢管平面尺寸为38.5 m×28.6 m。

钢管桩设计长度为32 m(桩顶标高+19.00 m,桩底标高-13.00 m),打入承台以下16 m;第一层围囹、第二层围囹采用2HN700×300H型钢,第三层围囹、第四层围囹采用3HN700×300H型钢,1#斜撑采用2I56a型钢,2#斜撑、3#斜撑采用Φ820×12 mm钢管,封底混凝土为4 m厚的C30混凝土。钢构件为Q345钢材。

根据当地水文气象资料,取钢围堰外设计水位标高为+18.00 m。

2 钢围堰施工流程

钢围堰关键施工流程如下。

插打锁扣钢管桩(同时进行桩基施工)→下放各层围囹→完整安装第一层围囹→清理钢围堰底部淤泥→在钢围堰封底混凝土四角位置插打抗拔钢管桩→清理桩基钢护筒、锁扣钢管桩、封底混凝土抗拔钢管桩表面泥巴(确保封底混凝土与其良好黏结)→浇筑封底混凝土。

水下完整安装第三层内撑,中间三根长内撑杆全部安装。安装必须确保围囹与锁扣钢管桩紧密连接。

水下安装一部分第四层内撑,通过短內撑将围囹与桩护筒连接,确保围囹与锁扣钢管桩紧密连接,在第四层围囹与钢护筒之间安装短内撑。

抽水至+12.00 m水位,完整安装第二层内撑,确保围囹与锁扣钢管桩紧密连接。

抽水至+8.00 m水位,加固第三层内撑。

抽水至+6.00 m水位,完善安装第四层内撑(四角四根斜内撑和中间三根长内撑杆)。

抽水至封底混凝土。

承台施工、拆除第四层内撑,承台下部与锁扣桩之间空隙填筑砂土,承台顶(标高+8.00 m)与锁扣桩接触位置浇筑50 cm厚C30混凝土作为圈梁。

拆除第三层内撑→围堰内回水至+11.00 m水位→拆除第二层两端两根长内撑杆。

围堰内回水至+18.00 m水位→拆除第一层内撑和第二层内撑。

拆除所有锁扣钢管桩。

3 有限元模型

使用midas Civil有限元程序建立钢围堰整体模型,进行施工阶段仿真分析。荷载:考虑自重、静水压力、流水压力、风荷载及土压力[3],根据具体情况施加在不同施工阶段。

边界条件:钢管桩底部边界条件为铰接;桩基钢护筒底部边界条件为固结;第一层和第二层内撑的围囹与锁扣钢管桩之间为刚性连接;由于第三层和第四层内撑是水下安装,与锁扣钢管桩之间的连接采用刚性连接,但释放转动自由度;承台浇筑完毕后,承台顶与锁扣钢管桩之间浇筑混凝土作为圈梁,边界条件采用节点弹性支撑,只约束锁扣钢管桩向围堰内侧的位移自由度,钢管桩插入土中部分按照“m”法建立节点弹性支撑[4]。

单元:钢构件为梁单元,封底混凝土利用实体单元模拟。锁扣钢管桩围堰整体有限元模型如图1所示。

图1 锁扣钢管桩围堰整体有限元模型

4 计算工况

要确保锁扣钢管桩围堰受力安全可靠,必须保证各层围囹与周围锁扣钢管桩紧密连接,防止钢围堰受力前期产生过大变形。钢围堰设计水位标高为+18.00 m,根据钢围堰施工流程及结构受力特点,施工过程仿真分析共设置10个计算工况,如表1所示。

表1 钢围堰计算工况

5 计算分析结果

工况六为抽光水的阶段,此时围堰内外水压力差最大,接下来施工承台;工况七在承台施工完毕,围堰拆除第四层内撑。围堰在这两个工况受力最为不利,因此重点分析这两个最不利工况的计算结果。

5.1 工况六计算分析结果

(1)锁扣钢管桩围堰受力情况

锁扣钢管桩围堰最大组合应力如图2所示,由图2可知最大组合应力为-224.1 MPa,发生在第一层内撑的围囹。第三层内撑的内撑杆最大组合应力为-172.9 MPa。

图2 工况六锁扣钢管桩围堰最大组合应力图(单位:MPa)

(2)锁扣钢管桩围堰变形情况

锁扣钢管桩围堰最大变形为10.42 cm,发生在迎水面锁扣钢管桩顶部。

(3)第三层内撑中间长内撑杆稳定性验算

中间长内撑杆为受压弯构件,根据《钢结构设计标准》(GB50017—2017)[5]进行稳定性计算。

中间长内撑杆长度l=26.4 m,计算长度l0=μl=26.4 m,其中计长度系数μ=1.0。Φ820×12 mm钢管的惯性半径ix=iy=28.57 cm。

长细比λx=λy=l0/ix=26.4×102/28.57=92.4,由此可得稳定系数φx=0.481。

弯矩作用平面内的稳定计算

符合规范要求。

5.2 工况七计算分析结果

(1)锁扣钢管桩围堰受力情况

锁扣钢管桩围堰最大组合应力为-226.3 MPa发生在第一层内撑的围囹。第三层内撑的内撑杆最大组合应力为-173.8 MPa。

(2)锁扣钢管桩围堰变形情况

锁扣钢管桩围堰最大变形为10.44 cm,发生在迎水面锁扣钢管桩顶部。

(3)第三层内撑中间长内撑杆稳定性验算

同理可得

符合规范要求。

5.3 整体稳定性分析

在工况七对钢围堰进行整体稳定性分析,根据围堰内外水位变化,确定屈曲分析荷载组合项。不变荷载:围堰自重、土压力;可变荷载:风荷载、封底混凝土上浮力、围堰外+18.00 m流水压力、围堰外+18.00 m至-1.00 m静水压力。计算结果如图3所示,第三层内撑杆最先屈曲,临界荷载系数λ=4.658,钢围堰整体稳定性满足要求。

图3 工况七锁扣钢管桩围堰整体稳定性分析

6 结 语

施工过程中必须保证锁扣钢管桩围堰各层围囹与周围锁扣钢管桩紧密连接,防止钢围堰受力前期产生过大变形,才能确保钢围堰受力安全可靠。计算分析得到,锁扣钢管桩围堰在整个施工过程中受力较安全。其中,第一层内撑与第三层内撑受力最大,在围堰受力中起重要作用。钢围堰的内撑杆为长细杆,易发生失稳破坏,建议抽水至+12.00 m时,在第一层长内撑杆和第二层长内撑杆之间安装横向连接杆与竖向连接杆;抽水至+8.00 m时,在第二层长内撑杆和第三层长内撑杆之间安装横向连接杆与竖向连接杆。研究成果给出了确保深水基础锁扣钢管桩围堰施工安全的关键点和结构合理优化建议。