模擬施工過程的官洲河特大橋鋼板樁圍堰分析計(jì)算

吳 清，尹浩輝

(廣州交通投資集團(tuán)有限公司，廣州 510288)

0 引言

鋼板樁圍堰具有結(jié)構(gòu)簡單、受地質(zhì)情況制約較小、鋼板樁插打比較容易、施工工期較短和施工成本較低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為大橋水中墩承臺(tái)施工時(shí)較為常見的圍堰形式。與此同時(shí)，鋼板樁圍堰的使用也會(huì)帶來一些安全隱患:如結(jié)構(gòu)計(jì)算分析較為復(fù)雜、側(cè)壁易出現(xiàn)漏水、封底混凝土施工前易出現(xiàn)管涌和鋼板樁易發(fā)生卷曲等，需要在計(jì)算和施工中采取措施加以避免。在對鋼板樁圍堰的安全性進(jìn)行計(jì)算時(shí)，主要包括鋼板樁入土深度計(jì)算、封底混凝土強(qiáng)度和抗浮穩(wěn)定性計(jì)算、鋼板樁及其支撐系統(tǒng)的計(jì)算等，其中以鋼板樁及其支撐系統(tǒng)的計(jì)算最為復(fù)雜。

由于鋼板樁和內(nèi)支撐系統(tǒng)的安裝屬于水下作業(yè)，安裝精度往往難以保證，使得整個(gè)體系的受力狀態(tài)異常復(fù)雜。對于鋼板樁圍堰系統(tǒng)，傳統(tǒng)的計(jì)算方法往往采用一次成型的平面靜力計(jì)算方法。該方法具有建模較為簡單，計(jì)算較為快捷的特點(diǎn)。但是在圍堰施工過程中，由于結(jié)構(gòu)和荷載都在不斷發(fā)生變化，“路徑”效應(yīng)對建造過程中以及最終的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響較大，與一次成型下的分析結(jié)果存在較大差別，需在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中加以考慮。同時(shí)需采取合理的施工方法和措施，以保證施工過程中任意時(shí)刻結(jié)構(gòu)的安全性。本文以官洲河特大橋水中17#墩鋼板樁圍堰為實(shí)例，介紹考慮施工過程的鋼板樁及其支撐系統(tǒng)的計(jì)算。

1 工程概況

廣州新洲至化龍快速路D2標(biāo)段官洲河特大橋位于廣州市珠江官洲河水道，主橋?yàn)榭鐝讲贾?99+180+99)m的連續(xù)剛構(gòu)。17#主墩基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁和整體式承臺(tái)，承臺(tái)尺寸為32.5 m(橫橋向)×15.7 m(縱橋向)×5.0 m(高度)，承臺(tái)底面設(shè)計(jì)高程為-8.0 m(主墩形狀及尺寸詳見圖1)。承臺(tái)施工采用鋼板樁圍堰，單個(gè)墩鋼板樁圍堰內(nèi)壁尺寸為35.6 m(橫橋向)×18 m(縱橋向)。鋼板樁沿著周圍的導(dǎo)梁插打，插打深度為-16.0 m，施工期間最高水位為7.5 m，采用長24 m的鋼板樁。

圖1 17#主墩一般構(gòu)造(單位:cm)

2 圍堰設(shè)計(jì)和施工流程

2.1 圍堰設(shè)計(jì)

鋼板樁圍堰平面內(nèi)壁尺寸采用35.6 m(橫橋向)×18 m(縱橋向)，根據(jù)實(shí)際施工情況需要，鋼板樁圍堰頂面高程采用+8.0 m，底面高程為-16.0 m(具體布置如圖2)。圍堰材料采用德國拉森Ⅳ型鋼板樁。圍堰支撐系統(tǒng)布置在鋼板樁內(nèi)側(cè)，圍囹采用工字型鋼環(huán)向布設(shè)，內(nèi)支撐采用鋼管間斷設(shè)置。圍堰支撐系統(tǒng)共分五層，在承臺(tái)完成后施工墩身時(shí)，將對內(nèi)支撐系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整改造。

圖2 鋼板樁圍堰布置

2.2 原計(jì)劃施工流程

①承臺(tái)范圍河床頂面清淤至-8.0 m→②下放五層內(nèi)支撐系統(tǒng)→③插打鋼板樁→④圍堰內(nèi)開挖至-10.5 m→⑤水中澆注2.5 m厚封底混凝土→⑥依次使用墊塊將第i層內(nèi)支撐與鋼板樁頂緊后，抽水至第i層內(nèi)支撐下50 cm處，再將第i層內(nèi)支撐與鋼板樁焊接(i=1～5)→⑦抽水至-8.0 m，割除鋼護(hù)筒，圍堰內(nèi)清底→⑧拆除第五層支撐系統(tǒng)，第一次承臺(tái)施工→⑨拆除四層內(nèi)支撐系統(tǒng)，改造第一、二、三層內(nèi)支撐系統(tǒng)，第二次承臺(tái)施工→⑩拆除第三層內(nèi)支撐系統(tǒng)、第一次墩身施工→[11]拔出鋼板樁和第一、二層內(nèi)支撐系統(tǒng)。

3 鋼板樁及其支撐系統(tǒng)的計(jì)算分析

本文采用大型通用軟件Ansys對鋼板樁及支撐系統(tǒng)進(jìn)行空間有限元計(jì)算。

3.1 單元選擇

鋼板樁采用 shell 63單元進(jìn)行模擬，圍囹所用工字鋼和槽鋼采用beam 4單元進(jìn)行模擬，鋼管采用pipe 16單元進(jìn)行模擬。鋼材的彈性模量取210 GPa，泊松系數(shù)取0.3。

3.2 模型建立

鋼板樁圍堰實(shí)測內(nèi)壁尺寸為34.8 m(橫橋向)×18 m(縱橋向)，考慮到鋼板樁及支撐系統(tǒng)具有雙軸對稱性質(zhì)，可取1/4模型進(jìn)行計(jì)算，切口處的約束按結(jié)構(gòu)力學(xué)的原理施加，鋼板樁插入端按固支處理。令沿鋼板樁方向?yàn)樽鴺?biāo)Z向，承臺(tái)短邊方向?yàn)閅，承臺(tái)長邊方向?yàn)閄，結(jié)構(gòu)1/4整體模型見圖3。

3.3 計(jì)算假定

1)圍囹和內(nèi)支撐之間的連接按剛接處理。

2)鋼板樁與圍囹的接觸，在將各層圍囹與內(nèi)支撐焊接前按脫空處理(即不參與受力)，頂緊焊接后按全固結(jié)處理。由于鋼板樁的插打和圍囹的吊裝屬于水下作業(yè)，施工難度較大，受施工誤差的影響，鋼板樁和圍囹之間無法做到完全緊貼，它們之間一般會(huì)有幾個(gè)厘米的距離，有時(shí)甚至?xí)_(dá)到10 cm以上。因此，在將鋼板樁與圍囹焊接之前，只能假定鋼板樁與圍囹是脫空的。

圖3 鋼板樁和內(nèi)支撐1/4模型

3.4 施工工況

工況(1)～工況(5)圍堰開始抽水后，當(dāng)內(nèi)水位降低至第i層支撐下0.5 m，鋼板樁和第 i層內(nèi)支撐處于頂緊狀態(tài)(i=1～5)，i層以上的鋼板樁和內(nèi)支撐焊接。

工況(6)將5層內(nèi)支撐均和鋼板樁焊接，圍堰內(nèi)水位抽至-8.0 m。

工況(7)拆除第五層支撐，施工第一層承臺(tái)。

工況(8)拆除第四層支撐，并更改上三層支撐體系，施工第二層承臺(tái)。

工況(9)拆除第三層內(nèi)支撐系統(tǒng)，施工第一節(jié)墩身。

3.5 不考慮施工過程的計(jì)算分析

該方法對結(jié)構(gòu)在不同使用階段及其荷載工況下的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行計(jì)算分析，不考慮結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力的累積效應(yīng)。

對于3.4節(jié)所示的每一種工況，其結(jié)構(gòu)體系為鋼板樁和與其焊接或頂緊的內(nèi)支撐，不包括尚未進(jìn)行焊接、頂緊或已經(jīng)拆除的內(nèi)支撐。鋼板樁系統(tǒng)所受外力主要有流水壓力、外側(cè)靜水壓力和內(nèi)側(cè)靜水壓力，以施工工況(4)為例，其結(jié)構(gòu)體系和所受外力如圖4所示:

1)流水壓力P1

流速0.39 m/s時(shí)，計(jì)算得 P1=0.99 kN/m2;

2)外側(cè)靜水壓力P2

考慮水深15.5 m，P2=155 kN/m2;

(3)內(nèi)側(cè)靜水壓力P3

考慮水深 6 m，P3=60 kN/m2。

對于3.4節(jié)所示的9種工況，計(jì)算結(jié)果見表1。

圖4 工況(4)荷載

表1 不考慮施工過程計(jì)算分析結(jié)果

從表1的數(shù)據(jù)可知:鋼板樁最大應(yīng)力 σmax=190 MPa＜［σ］=210 MPa，鋼板樁的最大撓度為 fmax=24.44 mm＜L/400=16 000/400=40 mm，內(nèi)支撐的最大應(yīng)力 σ=62.18 MPa＜1.3［σ］=182 MPa。均滿足規(guī)范要求。

3.6 考慮施工過程的計(jì)算分析

對于本項(xiàng)目的鋼板樁系統(tǒng)，隨著各施工步驟的實(shí)施，水壓等荷載逐漸施加到結(jié)構(gòu)上。而結(jié)構(gòu)體系、鋼板樁與支撐系統(tǒng)的連接方式也在發(fā)生相應(yīng)的變化。因此，要想精確地分析鋼板樁系統(tǒng)在施工過程中的內(nèi)力和變形，確保結(jié)構(gòu)安全，必須考慮圍堰施工過程中結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力的累積效應(yīng)(“路徑”效應(yīng))。

在Ansys軟件中，使用“殺死”和“激活”單元的辦法來實(shí)現(xiàn)施工過程分析。所謂“殺死”單元，并非將單元從模型中刪除，而是將其剛度［或其他傳導(dǎo)特性］矩陣乘以一個(gè)很小的比例因子(程序默認(rèn)值為1.0×10-6，用戶也可以將其賦予其他值)，死單元的單元荷載將為0，從而不對荷載向量生效。具體做法如下:先建立整個(gè)結(jié)構(gòu)體系，在每一個(gè)施工階段，“激活”新參與結(jié)構(gòu)受力的構(gòu)件，“殺死”被拆除或退出結(jié)構(gòu)受力的構(gòu)件，并施加新增加的荷載，然后進(jìn)行計(jì)算。前一階段的計(jì)算結(jié)果(結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力等)將作為下一施工階段的結(jié)構(gòu)初始條件。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

比較表1和表2，可以得出如下結(jié)論:

1)工況(1)，兩種不同計(jì)算方法的結(jié)果相同，這是因?yàn)榇藭r(shí)兩種計(jì)算方法的模型從結(jié)構(gòu)、邊界條件到荷載都完全一致。

表2 考慮施工過程計(jì)算分析結(jié)果

2)工況(2)，考慮“路徑”效應(yīng)與不考慮“路徑”效應(yīng)相比，鋼板樁的最大應(yīng)力和最大變形增大，其中鋼板樁的應(yīng)力和變形接近規(guī)范要求的容許值;而支撐系統(tǒng)的最大應(yīng)力反而減小。這是因?yàn)榭紤]“路徑”效應(yīng)時(shí)，第2層內(nèi)支撐在本工況下才開始參與受力，因而其應(yīng)力減小，而鋼板樁由于在加載的第1階段缺少第2層內(nèi)支撐的支撐，其計(jì)算長度增加，因而應(yīng)力和變形都顯著增大。

3)工況(3)，考慮“路徑”效應(yīng)時(shí)，由于最大應(yīng)力和變形超出限值，結(jié)構(gòu)計(jì)算無法收斂，結(jié)構(gòu)被壓潰。

從上述計(jì)算結(jié)果可知，是否考慮圍堰施工過程中的“路徑”效應(yīng)，會(huì)得出截然不同的計(jì)算結(jié)果。對于本項(xiàng)目，如果采用上述鋼圍堰結(jié)構(gòu)和施工流程，最終將會(huì)造成鋼圍堰在水壓力作用下發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，并可能導(dǎo)致重大安全事故。因此，有必要對結(jié)構(gòu)或者是施工流程進(jìn)行調(diào)整，使之能夠滿足結(jié)構(gòu)受力的需求。

4 改進(jìn)后的施工流程及計(jì)算分析

通過分析，可知是否考慮圍堰施工過程中的“路徑”效應(yīng)，計(jì)算結(jié)果會(huì)有很大的差異。而產(chǎn)生這種差異的原因在于圍囹下放時(shí)，鋼板樁和內(nèi)支撐之間無法做到完全緊貼，他們之間往往會(huì)有幾厘米(有時(shí)甚至在10 cm以上)的距離。因此，在鋼圍堰和各層內(nèi)支撐貼緊之前，他們之間無法協(xié)同受力，如第5層內(nèi)支撐要到施工工況(5)才能參與受力。這樣，會(huì)使下邊幾層內(nèi)支撐的強(qiáng)度無法得到充分的利用;而由于下邊幾層內(nèi)支撐的無法及時(shí)參與結(jié)構(gòu)受力，又導(dǎo)致鋼板樁變形和應(yīng)力過大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。

改進(jìn)的思路在于如何使下邊幾層內(nèi)支撐盡快參與結(jié)構(gòu)受力，為此，將2.2節(jié)的施工流程⑥改為:使用墊塊將所有5層內(nèi)支撐與鋼板樁頂緊后，依次抽水至第i層內(nèi)支撐下50 cm處，再將第i層內(nèi)支撐與鋼板樁焊接(i=1～5)。這樣，從工況(1)開始，所有的內(nèi)支撐均能夠承受從鋼板樁傳遞過來的水壓力。各施工工況示意圖如圖5所示，計(jì)算結(jié)果如表3所示(由于工況(1)～工況(4)的結(jié)構(gòu)體系與工況(5)類似，而受力要小于工況(5)，因此沒有必要對其進(jìn)行計(jì)算)。

表3 各階段計(jì)算結(jié)果匯總表

圖5 各施工工況示意

從計(jì)算結(jié)果可知，改變結(jié)構(gòu)體系后，鋼板樁系統(tǒng)的變形和應(yīng)力都能夠滿足要求。

5 結(jié)論

1)深水基礎(chǔ)鋼板樁圍堰系統(tǒng)的施工過程對結(jié)構(gòu)體系的受力有較大影響，不考慮施工過程的“路徑”效應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果，造成安全事故;采用生死單元法考慮圍堰施工過程中的“路徑”效應(yīng)，對確保結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全是十分必要的。

2)由于在施工過程中鋼板樁和圍囹之間無法做到完全緊貼，為確保圍囹系統(tǒng)充分參與受力，應(yīng)在鋼板樁系統(tǒng)抽水前將所有的鋼板樁和圍囹進(jìn)行水下頂緊，這是確保整個(gè)鋼板樁系統(tǒng)安全的關(guān)鍵所在。

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