韓江特大橋雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)有限元分析

王秀麗，舒麗紅

(1.西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安 710600;2.中鐵十九局集團(tuán)有限公司，北京 100176)

1 工程概況

韓江特大橋207#、208#主墩施工圍堰，采用雙壁鋼圍堰方案，設(shè)計(jì)為圓形，內(nèi)徑為19.0 m，外徑為21.4 m，鋼圍堰內(nèi)外壁隔艙距離為1.2 m。正常施工水位3.5 m，江底主要為細(xì)砂、黏土和粗砂。

圍堰第一節(jié)高3.0 m，內(nèi)外壁桁架支撐層間距60 cm和70 cm;第二節(jié)高4.5 m，內(nèi)外壁桁架支撐層間距為75 cm;第三節(jié)、第四節(jié)高4.5 m，內(nèi)外壁桁架支撐層間距為90 cm。

鋼圍堰內(nèi)外壁面板采用6 mm厚鋼板，刃角鋼板用14 mm厚鋼板。圍堰的內(nèi)外壁設(shè)加勁肋，縱向加勁肋采用∠75×50×6不等邊角鋼;橫向加勁肋采用□160×12的鋼板;內(nèi)外壁支撐間用∠75×75×6角鋼。在刃腳處設(shè)置112個(gè)1/2□375×10×445三角形鋼板以增加刃角剛度，在最底部加∠160×100×12角鋼保護(hù)刃腳。

場(chǎng)地地質(zhì)情況如下述:

①細(xì)砂，厚度1.73 m，σ0=110 kPa;

②淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，厚度1.4 m，σ0=80 kPa;

③淤泥質(zhì)砂，厚度2.5 m，σ0=100 kPa;

④淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，厚度1.7 m，σ0=80 kPa;

⑤黏土，厚度 2 m，σ0=180 kPa。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)原則

雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)施工是全橋施工順利進(jìn)展的關(guān)鍵，在設(shè)計(jì)過(guò)程中遵循以下原則:

1)安全可靠 必須保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的整體安全性。在設(shè)計(jì)計(jì)算中，必須考慮最不利工況，通過(guò)精密計(jì)算分析，確保各個(gè)構(gòu)件的安全可靠。

2)經(jīng)濟(jì)合理 在滿足結(jié)構(gòu)安全的情況下，要保證方案的經(jīng)濟(jì)性，節(jié)約工程造價(jià)。

3)施工方便和注意環(huán)境保護(hù) 雙壁鋼圍堰的設(shè)計(jì)必須考慮現(xiàn)場(chǎng)的地形、地質(zhì)、地貌特征，滿足現(xiàn)有施工設(shè)備的要求，確保方案的可行，同時(shí)要不影響周邊環(huán)境。

2.2 結(jié)構(gòu)示意圖

雙壁鋼圍堰的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2.3 施工要求

1)雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)抽水高程為 +5.5 m，圍堰下沉過(guò)程中圍堰內(nèi)外水位差不得＞5.0 m，相鄰隔艙水位差不得＞5.0 m。

2)雙壁鋼圍堰拼裝完成后要求做水密性試驗(yàn)。

3)鋼圍堰每節(jié)單元在工地拼裝時(shí)，要注意接頭焊縫質(zhì)量，特別是水平環(huán)(為主要受力構(gòu)件)要對(duì)齊;因水平桁架支撐受力大，要嚴(yán)格按照?qǐng)D示坡口要求進(jìn)行焊接，保證接頭強(qiáng)度。

4)水平環(huán)板受力大，應(yīng)嚴(yán)格按照施工圖進(jìn)行切口，并焊接飽滿。

3 有限元分析

為了確保設(shè)計(jì)方案的安全可靠，對(duì)設(shè)計(jì)方案建立有限元模型，進(jìn)行受力分析。

3.1 計(jì)算參數(shù)

材料參數(shù)和型鋼參數(shù)分別如表1、表2所示。

3.2 計(jì)算

為了對(duì)雙壁鋼圍堰受力狀況進(jìn)行深入研究，鋼圍堰將按照整體、局部和平面三個(gè)不同深度建立有限元模型，對(duì)各部件進(jìn)行受力分析。

圖1 圍堰結(jié)構(gòu)示意(單位:mm)

表1 材料參數(shù)

表2 型鋼參數(shù)

3.2.1 整體模型

雙壁鋼圍堰內(nèi)外壁及隔艙板采用SHELL63單元模擬，加勁肋采用BEAM188單元，內(nèi)外壁之間加勁桿采用LINK8單元。對(duì)圍堰內(nèi)壁自底向上3 m范圍內(nèi)施加面固結(jié)約束，模擬封底混凝土的約束作用;圍堰所受荷載為靜水壓力，計(jì)算高度為11.5 m，用面梯度荷載模擬，對(duì)外壁從距頂端2 m處開(kāi)始施加面荷載，直至與封底混凝土平齊。安全系數(shù)取1.3。鋼圍堰整體有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元整體模型

計(jì)算得到鋼圍堰整體變形和應(yīng)力云圖、外壁板局部應(yīng)力云圖和隔艙板第一主應(yīng)力圖。最大變形為6.636 mm。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，絕大部分壁板的應(yīng)力值在181 MPa允許應(yīng)力以內(nèi)，僅在梁?jiǎn)卧c殼單元連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為235 MPa，考慮到內(nèi)外壁板本身具有較強(qiáng)的塑性變形能力，可自動(dòng)調(diào)整應(yīng)力分布，重新達(dá)到平衡。

隔艙板最大應(yīng)力為82.5 MPa，出現(xiàn)在約束上方0.8 m處。

環(huán)向加勁肋上單元的最大彎矩為7.11 kN·m，該單元的軸力為－82.5 kN。于是計(jì)算得到

加勁桿為拉壓桿件，計(jì)算得到的軸向壓應(yīng)力為－91.7 MPa，軸向拉應(yīng)力為40.97 MPa，均小于桿件容許應(yīng)力，桿件受力能滿足要求。

3.2.2 局部模型

考慮到緊鄰封底混凝土的環(huán)向加勁肋受力最大，為最不利位置，因此選取該處4道環(huán)向加勁肋建立有限元模型進(jìn)行分析。如圖3所示。

圖3 局部分析模型

環(huán)向加勁肋和豎向加勁肋采用BEAM188單元進(jìn)行模擬，加勁桿采用LINK8單元進(jìn)行模擬，隔艙板采用SHELL63單元進(jìn)行模擬。對(duì)最下方加勁肋施加固結(jié)約束，模擬封底混凝土的約束作用。對(duì)環(huán)向加勁肋分層施加徑向均布荷載，模擬壁板傳遞給環(huán)向加勁肋的靜水壓力作用。加載后局部有限元模型見(jiàn)圖4。

圖4 加載后鋼圍堰局部有限元模型

計(jì)算得到的環(huán)向加勁肋整體變形結(jié)果，最大變形為9.9 mm。

局部分析得到環(huán)向加勁肋最大壓應(yīng)力為－451 MPa，最大拉應(yīng)力為 269 MPa。

環(huán)向加勁肋上單元的最大彎矩為14.1 kN·m，該單元的軸力為－384 kN。計(jì)算彎曲應(yīng)力和軸向應(yīng)力

同理，豎向加勁肋上單元的最大彎矩為1 942.2 N·M，該單元的軸力為404.72 N。彎曲應(yīng)力σM(max)=252.5 MPa，軸向應(yīng)力 σN=－0.57 MPa。

加勁桿最大負(fù)軸力為 －130 kN，軸向壓應(yīng)力為－150.5 MPa;最大正軸力為84.8 kN，軸向拉應(yīng)力為98 MPa，桿件應(yīng)力小于容許應(yīng)力，各桿件受力均能滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2.3 平面模型

將外壁上連接的豎向加勁肋分離出來(lái)進(jìn)行受力分析，采用BEAM188單元進(jìn)行模擬，與加勁肋相接的壁板寬度取為相鄰加勁肋間距寬度。梁截面如圖5所示。在環(huán)向加勁肋與豎向加勁肋連接點(diǎn)處施加 X、Y方向的簡(jiǎn)支約束，豎向加勁肋與封底混凝土連接處施加固結(jié)約束;沿高度方向施加梯度荷載模擬水壓力作用。

計(jì)算得到封底處變形最大，為7.8 mm。

環(huán)向加勁肋上最大壓應(yīng)力為156 MPa，環(huán)向加勁肋上單元的最大彎曲應(yīng)力為34.9 MPa;最大軸向應(yīng)力σN=－113.8 MPa。

圖5 平面分析模型

4 結(jié)論

通過(guò)以上的有限元分析，可以知道:

1)綜合考察雙壁鋼圍堰空間整體有限元、底部空間有限元和主要部件平面有限元分析結(jié)果，雙壁鋼圍堰滿足臨時(shí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度要求;

2)除加勁肋與面板連接處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象導(dǎo)致應(yīng)力值超標(biāo)外，其余桿件應(yīng)力水平均小于180 MPa，滿足臨時(shí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求;

3)加勁桿的應(yīng)力水平遠(yuǎn)小于豎向和環(huán)向加勁肋，在實(shí)際應(yīng)用中可以考慮適當(dāng)減小加勁桿截面面積，以減少用鋼量;增大豎向和環(huán)向加勁肋截面面積，增強(qiáng)其抗彎能力;

4)實(shí)際工程中可以適當(dāng)調(diào)整隔艙板處的環(huán)向撐，盡量使其在隔艙板處交于一點(diǎn)，以改善環(huán)向加勁鋼板的受力狀態(tài)。

［1］尤丁劍.流江河1#橋深水樁基礎(chǔ)填充式雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)［J］.鐵道建筑，2009(5):26-27.

［2］邱訓(xùn)兵.大型鋼板樁圍堰施工設(shè)計(jì)的思考［J］.鐵道建筑，2005(9):12-14.

［3］鐵道部第四勘測(cè)設(shè)計(jì)院［J］.橋梁墩臺(tái)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1997.

［4］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10203—2002 鐵道橋涵施工規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2002.