蘭州深安黃河大橋主墩基礎鋼套箱的結構分析

李涵軍，顧乾崗，胡震敏，張 波

（宏潤建設集團股份有限公司，上海市 200235）

1 工程概況

蘭州深安黃河大橋主橋采用下承式蝶形鋼拱疊合梁橋，跨徑156 m，橋寬36.5 m，梁高3.5 m，吊索間距8 m，主墩采用V型墩[1]。圖1為主橋的效果圖。

圖1 蘭州深安黃河大橋主橋效果圖

主墩采用圓端形承臺，承臺厚度3.5 m，封底混凝土厚2.0 m，承臺采用C30混凝土。每個承臺基礎采用9根Φ2 000鉆孔灌注樁，樁長45 m，鉆孔灌注樁采用C30水下混凝土。圖2、圖3為主墩承臺構造示意圖。

圖2 主墩承臺構造平面示意圖（單位：mm）

圖3 主墩承臺構造立面示意圖（單位：mm）

主墩位于黃河河床上，根據(jù)地質報告顯示，自河床以下100 m范圍內均為層卵石。所以，該工程主墩基礎施工擬采用設計與施工相對簡單、工程造價相對較低的雙壁鋼套箱圍護結構，利用套箱內壁做承臺混凝土模板[2]。雙壁鋼套箱結構設計如圖4、圖5所示，分為刃腳段與雙壁段。刃腳部分面板采用8 mm鋼板，角度為30°；雙壁段內面板8 mm，外面板6 mm，鋼板及隔板采用6 mm鋼板。內部為空間桁架結構，水平主桁加強圈采用8#槽鋼，綴條用8#槽鋼，豎向間距為500 mm；豎向加勁肋采用8#槽鋼，周向間距為700 mm。

圖4 鋼套箱平面示意圖

圖5 鋼套箱剖面示意圖

需要說明的是，雙壁鋼套箱的高度能夠滿足施工階段設計水位的要求，但實際施工中在雙壁段頂部預留一段1.5 m的單壁段進行加高，作為施工中偶遇高洪水位的預案。

主墩承臺在施工過程中，鋼套箱結構需要經(jīng)歷多個施工過程，并承受多個施工工況，結構受力比較復雜。本文利用ANSYS結構分析軟件對鋼套箱結構進行三維仿真模擬，分析其在各個施工工況下的剛度、強度和穩(wěn)定性。

2 鋼套箱三維仿真模型的建立

根據(jù)鋼套箱的設計，鋼套箱由內向外分別由內面板、內橫楞、內豎楞、橫梁、外豎楞、外橫楞、外面板及封底鋼板等7個結構部分組成。各構件材料均為Q235鋼材。

利用大型結構分析軟件ANSYS建立不考慮單壁加高段的鋼套箱結構的三維仿真模型。計算模型如圖6～圖8所示，模型共劃分56 175個單元，內外面板采用SHELL63板單元模擬，槽鋼采用BEAM44空間梁單元模擬。模型考慮了槽鋼相互之間的實際幾何相對關系，能夠真實反映結構實際剛度。

圖6 鋼套箱結構計算仿真模型

圖7 鋼套箱仿真模型局部示意圖（一）

圖8 鋼套箱仿真模型局部示意圖（二）

在仿真模型的底部施加3個平移自由度約束的固定邊界，這要求在實際施工中保證鋼套箱結構底部的固定措施。此外，仿真模型模擬了主墩基礎的各個施工過程，而施工過程則采用單元生死法模擬，以反映施工過程的累積效應。

3 鋼套箱施工過程的受力分析

主墩承臺在施工過程中，鋼套箱結構需經(jīng)歷4個不同的施工工況，即鋼套箱吊裝、封底混凝土施工、基坑排水施工和承臺混凝土施工。每個施工階段所承受的荷載工況以及荷載的大小各不同，一般所承受的荷載有鋼套箱自重、水壓力以及混凝土澆筑壓力等。

由于文章篇幅所限，本文只簡要地介紹每個施工階段的施工工況、鋼套箱結構的變形、板單元和梁單元的應力，以及關鍵施工工況下鋼套箱結構的穩(wěn)定性。

3.1 鋼套箱吊裝

鋼套箱吊裝時，吊點設置于頂部鋼套箱交接縫處，共設置4個吊點（加設10 mm厚加強肋板）[2]，鋼套箱自重由交接縫處肋板與內外楞間焊縫承擔。吊裝重量為52.6 t（其中焊縫重量取套箱結構自重的5%）。

根據(jù)結構仿真分析結果[3]可以得到，鋼套箱在4點吊裝階段，可能會產(chǎn)生最大變形為2.3 mm，該變形在施工容許偏差范圍內，滿足施工要求；鋼套箱結構板單元可能會產(chǎn)生最大應力23.3 MPa，梁單元可能會產(chǎn)生最大應力127 MPa，均小于鋼材彎曲容許應力145 MPa，滿足設計規(guī)范的要求。

3.2 封底混凝土施工

封底混凝土施工時，取鋼套箱內外水位齊平。圖9為封底混凝土剛澆筑至設計標高時工況示意圖。

圖9 封底混凝土施工工況示意圖（單位：m）

根據(jù)結構仿真分析結果[3]可以得到，鋼套箱結構在封底混凝土澆筑階段，可能會產(chǎn)生最大變形1.1 mm。該變形在施工容許偏差范圍內，滿足施工要求。板單元可能會產(chǎn)生最大應力64.7 MPa，梁單元可能會產(chǎn)生最大應力67.0 MPa，均小于鋼材彎曲容許應力145 MPa，滿足設計規(guī)范的要求。

3.3 基坑排水施工

封底混凝土初凝后，進行基坑排水作業(yè)，取鋼套箱外、夾板間水位不變，套箱內無水壓作用。此時，由于封底混凝土已經(jīng)初凝，可考慮鋼套箱下部2 m范圍內固結，只考慮上部3.5 m范圍內的受力。該施工工況示意圖如圖10所示。

在該工況作用下，分析得鋼套箱結構變形情況如圖11所示。

圖11 基坑排水階段鋼套箱變形示意圖

根據(jù)結構仿真分析結果[3]可以得到，鋼套箱結構在基坑排水階段，可能會產(chǎn)生最大變形5.3 mm。該變形在施工容許偏差范圍內，滿足施工要求。板單元可能會產(chǎn)生最大應力72.0 MPa，小于鋼材彎曲容許應力145 MPa。梁單元可能會產(chǎn)生172 MPa的最大應力，大于鋼材彎曲容許應力145 MPa，不滿足設計規(guī)范要求。

此外，在該關鍵施工工況下，鋼套箱結構第一階失穩(wěn)穩(wěn)定系數(shù)為9.45，主要表現(xiàn)為水平向梁單元失穩(wěn)；結構穩(wěn)定系數(shù)大于4，滿足設計要求。

3.4 承臺混凝土施工

基坑排水完成后，在基坑內進行承臺鋼筋的綁扎，并澆筑承臺混凝土，取鋼套箱外、夾板間水位不變，套箱內受混凝土側壓力作用。此時，考慮鋼套箱下部2 m范圍內固結，只考慮上部3.5 m范圍內的受力，該工況的示意圖如圖12所示。

圖12 承臺混凝土施工工況示意圖（單位：m）

在該工況作用下，分析得到鋼套箱的變形情況如圖13所示。

圖13 承臺混凝土施工階段鋼套箱變形示意圖

根據(jù)結構仿真分析結果[3]可以得到，鋼套箱結構在承臺混凝土澆筑階段，可能會產(chǎn)生的最大變形為7.6 mm，該變形在施工容許偏差范圍內，滿足施工要求。板單元可能會產(chǎn)生最大應力66.0 MPa，小于鋼材彎曲容許應力145 MPa。梁單元可能會產(chǎn)生最大應力206 MPa，最大應力出現(xiàn)在外側豎桿封底混凝土頂面附近，大于鋼材彎曲容許應力145 MPa。

4 鋼套箱結構的優(yōu)化

根據(jù)以上計算分析結果，鋼套箱結構的梁單元應力在基坑排水、承臺混凝土施工工況下超過了鋼材的彎曲容許應力，結構需要加強?，F(xiàn)有鋼套箱豎向框架的槽鋼應力主要是由于彎曲應力引起的，為改善結構受力，建議增加斜撐，形成穩(wěn)定的桁架結構，將桿件彎曲受力轉換為軸向受力，從而減少梁單元應力。鋼套箱增加豎向斜撐后的示意圖如圖14所示。

圖14 鋼套箱增加豎向斜撐后的示意圖

根據(jù)計算分析結果[3]可知，鋼套箱結構優(yōu)化前后的變形與應力比較如表1所列。

表1 鋼套箱結構優(yōu)化前后的變形與應力比較

由表1可知，鋼套箱結構優(yōu)化后，結構變形減小顯著，剛度大大提高；梁單元應力也明顯降低，應力水平能夠滿足設計規(guī)范的要求。此外，根據(jù)分析結果[3]可知，關鍵施工階段——基坑排水施工，鋼套箱結構的第一階失穩(wěn)穩(wěn)定系數(shù)由9.45提高到13.03，穩(wěn)定性能得到了顯著的改善。

所以，鋼套箱結構優(yōu)化效果顯著。

5 意見與建議

綜合以上，可以得到以下一些結論與建議：

（1）仿真分析結果發(fā)現(xiàn)，雖然現(xiàn)有鋼套箱結構在施工階段各個工況下的變形能夠滿足施工要求，但是鋼套箱的梁單元（槽鋼）的應力過大，大于Q235鋼材的彎曲容許應力145 MPa，不滿足設計規(guī)范要求，建議采取有效的加強措施。

（2）建議把鋼套箱的主要受力單元——豎向框架經(jīng)增設斜撐后變?yōu)殍旒荏w系，受力性能可大大改善。經(jīng)計算分析可以得到，鋼套箱結構經(jīng)優(yōu)化后，強度能夠滿足設計要求。

（3）本文鋼套箱結構分析在假定結構是完善的基礎上進行，理論上鋼結構的所有焊縫應該要考慮結構的等強連接，但在實際施工的實施過程中存在一定的困難，建議加強對焊縫質量的檢查，特別加強對豎向桁架構件的焊縫質量檢查。

（4）本文的仿真模型除鋼套箱在吊裝工況下采用吊點約束外，其余工況下模型采用了鋼套箱底部約束。所以，在具體施工過程中應采取有效的措施確保鋼套箱的底部固定，使實際結構和理論假定相一致。

[1]上海市政工程設計研究總院.蘭州市深安黃河大橋工程主橋施工圖設計文件[R].上海：上海市政工程設計研究總院，2011.

[2]宏潤建設集團股份有限公司.蘭州市深安黃河大橋工程主橋施工組織設計文件[R].上海：宏潤建設集團股份有限公司，2012.

[3]宏潤建設集團股份有限公司.蘭州市深安黃河大橋工程主橋主墩基礎鋼套箱結構計算報告[R].上海：宏潤建設集團股份有限公司，2012.