雙壁鋼吊箱施工階段有限元模擬分析研究

熊 浩, 劉 璐

(1 湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430070； 2 武漢市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司， 湖北 武漢 430023)

我國在上世紀(jì)70年代首次采用雙壁鋼吊箱圍堰施工深水基礎(chǔ)[1]，該施工方法在我國得到廣泛應(yīng)用．

隨著有限元理論和軟件的發(fā)展，對雙壁鋼吊箱整體的非線性仿真分析變?yōu)榭赡埽畯埱迦A、唐亮、李喬等[2]結(jié)合安慶長江公路大橋主橋Z2號輔助墩雙壁鋼吊箱圍堰，利用大型通用有限元程序ANSYS建立了比較完整的三維仿真模型，充分考慮了各結(jié)構(gòu)組成部分的相互影響，具有很重要的指導(dǎo)意義，但未能具體考慮各種環(huán)境荷載的影響；程晨[3]以南京大勝關(guān)長江大橋主橋4號墩雙壁鋼吊箱圍堰為研究背景，運用Midas程序模擬了吊耳板部分；王曉敬，馬行政等[4]則以大連長?？h長山大橋為工程背景，考慮了海上雙壁鋼吊箱圍堰的各種復(fù)雜環(huán)境荷載，利用Midas-Civil2006建立了比較簡潔的整體模型；而周衍領(lǐng)[5]根據(jù)英德連江大橋和武漢天興洲大橋采用大型結(jié)構(gòu)仿真分析軟件MSC-PATRAN建立了單壁鋼吊箱和雙壁鋼吊箱兩個三維仿真模型，充分體現(xiàn)了有限元整體性分析的強大功能．

采用數(shù)值模擬分析問題的關(guān)鍵是采取正確的理論方法．本文主要以某公鐵兩用長江大橋中連續(xù)梁主橋橋墩的雙壁鋼吊箱圍堰為研究對象，基于Midas-civil有限元軟件對雙壁鋼吊箱圍堰進(jìn)行三維有限元模擬，完整模擬雙壁鋼吊箱結(jié)構(gòu)的組成部分，同時根據(jù)鋼吊箱在真實環(huán)境下各施工階段所承受的荷載對鋼吊箱模型進(jìn)行加載．如：靜水壓力、流水壓力、風(fēng)荷載、波浪荷載、浮力等．

1 工程簡介

1.1 工程概況

橋墩所處位置水流湍急且深度大，考慮到橋墩采用的是群樁基礎(chǔ)，擁有較大尺寸的承臺，最終選擇了側(cè)板剛度較大的雙壁鋼吊箱施工方案．該工程所采用的雙壁鋼吊箱是一個雙層板梁組合結(jié)構(gòu)，主要由以下幾個部分組成：底板、側(cè)板、內(nèi)支撐系統(tǒng)以及吊掛系統(tǒng)(抗拉、浮支柱)等．本文研究對象雙壁鋼吊箱平面圖見圖1．

圖 1 鋼吊箱平面圖

1.2 基本參數(shù)

1)底板和內(nèi)外壁板板厚均為6 mm,內(nèi)支撐系統(tǒng)及吊掛系統(tǒng)均采用2[40 a拼成的箱形截面，其中內(nèi)支撐系統(tǒng)設(shè)置2道水平支撐，各部分采用加強墊板及加強肋板連接．

2)鋼吊箱材料采用Q235鋼材，其抗彎強度和抗拉、壓設(shè)計值均為f=215 kPa，抗剪強度設(shè)計值為fv=125 kPa．

3)鋼吊箱三維尺寸為26.00 m×19.70 m×16.00 m(高度)×1.40 m(艙厚)．施工設(shè)計水位為+20.252 m(黃海高程)，其頂、底面標(biāo)高分別為+21.000 m和 +5.000 m.

1.3 水文與地質(zhì)

橋墩位于長江之中，根據(jù)當(dāng)?shù)靥峁┑乃馁Y料可以知道其300年一遇洪水水位為+28.16 m，百年一遇洪水位為+27.38 m；20年一遇的最高和最低通航水位分別為+25.68 m、+9.62 m；橋位處最大洪峰流量可達(dá)22 100 m3/s．江面下主要以粘性土為主，厚達(dá)近35 m；基巖主要由成巖程度較差的泥質(zhì)粉砂巖和疏松砂巖組成．

2 有限元仿真計算

2.1 有限元仿真計算模型的建立

運用有限元分析軟件Midas-Civil建立仿真計算模型，采用先建立實體模型再劃分單元數(shù)量的基本建模思路，這樣也便于調(diào)整模型的單元數(shù)量[6]．雙壁鋼吊箱結(jié)構(gòu)不僅組成部分較多，而且每個組成部分的尺寸各異，為了正確真實地建立計算模型，筆者根據(jù)主要受力特性及結(jié)構(gòu)尺寸，結(jié)合軟件提供的幾種單元類型，將內(nèi)部支撐系統(tǒng)、吊掛系統(tǒng)及底板梁視為梁式結(jié)構(gòu)，利用Timoshenko梁理論[7]模擬，內(nèi)外壁板、底板、隔倉板用板單元來進(jìn)行模擬；內(nèi)外壁板間的斜桿等采用桁架單元；最后，混凝土結(jié)構(gòu)全部由實體單元模擬．建立的三維仿真模型見圖2．

圖 2 計算模型

2.2 主要施工階段及其邊界條件

1)施工階段一與邊界條件

此階段鋼吊箱吊裝就位自浮于水面上，且澆筑厚1.2m的封底混凝土(未固結(jié))．抗浮支柱固定自浮在水面上的鋼吊箱，故其頂端采用剛性固結(jié)；而鋼護(hù)筒則制約了鋼吊箱的水平方向的變形，所以鋼護(hù)筒與底板的接觸節(jié)點設(shè)置水平方向的線性位移約束．

2)施工階段二與邊界條件

此階段封底混凝土開始固結(jié)，隔艙版間注水并抽干鋼吊箱內(nèi)部的水．在施工階段一的基礎(chǔ)上，此時混凝土開始固結(jié)了，需要考慮封底混凝土與鋼護(hù)筒之間的連接作用，所以封底混凝土與鋼護(hù)筒接觸的節(jié)點需要設(shè)置水平方向的線性位移約束．

3)施工階段三與邊界條件

此階段承臺混凝土固結(jié)完畢，拆除內(nèi)部水平支撐及抗浮支柱．鋼吊箱在混凝土的作用下與鋼護(hù)筒連接成一體，與鋼護(hù)筒接觸的節(jié)點全部剛性固定．

2.3 計算荷載

2.3.1靜水壓力雙壁鋼吊箱的靜水壓力取決于吃水深度的大小，利用下式可求得：

p1=ρwgz=1.0×9.80×z=9.80zkN/m2.

其中：ρw為水密度，取1.0×103kg/m3;z為各施工階段從水面向下的距離，單位為m．

2.3.2水流壓力水流壓力按下式進(jìn)行計算

p2=CDv2[8].

式中：p2為作用在雙壁鋼吊箱外壁上的水流壓力，偏安全的假設(shè)均勻分布，作用范圍從箱底到水面．CD為曳力系數(shù)，取CD=2.0．v為水流設(shè)計流速，按v=1.75 m/s計算[8]．即

p2=CD2v=0.5×2.0×1.0×1.752=

3.0625 kN/m2.

2.3.3波浪壓力

波浪荷載影響不大，但為了能夠真實地反映施工環(huán)境荷載，此處采用簡化的計算方法，在鋼吊箱的迎水面上附加1.5 m的水頭[9]，在底板處不考慮波浪壓力，則波浪壓力可由下式計算求得

p3=1.5×9.8=14.70 kN/m2.

2.3.4風(fēng)荷載風(fēng)荷載根據(jù)下式來計算

p4=ChCsp0[10].

式中：p4為作用在鋼吊箱水面以上部分的風(fēng)壓力，并均勻分布，計算中取風(fēng)力與水流方向一致．Ch為風(fēng)荷載形狀系數(shù)，取Ch=1.0(平滑表面)；Cs為風(fēng)荷載高度系數(shù)，取Cs=1.0(高度在水平面15.3 m以內(nèi))；p0為基本風(fēng)壓，按p”0=0.1 kN/m2計算[10]，所以

P4=1.0×1.0×0.1kN/m2=0.1 kN/m2.

2.3.5自重施工階段一中封底混凝土的重量換算成面壓力(換算公式見下式)，其他施工階段按重力加載．

q=ρcAh/A=ρch=23×1.2=27.6 kN/m2.

2.4 荷載組合

綜合考慮各計算荷載，施工階段一的受力簡圖如圖3所示；雙壁鋼吊箱頂?shù)讟?biāo)高分別為+21.000 m和+5.000 m；內(nèi)外壁板的水位相同，均為+20.252 m；隔艙內(nèi)水位為+15.332 m．

圖 3 工況一計算簡圖

施工階段二的受力簡圖見圖4；此時隔艙、內(nèi)外壁板的水位均為+20.252 m．

圖 4 工況二計算簡圖

施工階段三的荷載組合較為復(fù)雜，分為四種水位情況，分別是+20.252 m、+20.000 m、+19.500 m和+19.000 m，水位為+20.252 m的受力簡圖見圖5，其他水位情況此處不再贅述．

圖 5 工況三計算簡圖

3 計算結(jié)果與分析

經(jīng)過整理的計算結(jié)果見表1．

1)施工階段一 由于隔艙內(nèi)水位和內(nèi)外壁板的水位存在一定的水頭差，約5m,直接導(dǎo)致隔艙內(nèi)的加勁肋壓應(yīng)力大于其他施工階段，但仍然滿足強度要求．

2)施工階段二 該階段由于雙壁鋼吊箱內(nèi)水全部抽干，其內(nèi)部水平支撐系統(tǒng)受力較大，屬于較危險的情況，由表1可知最大應(yīng)力為108.25 MPa，滿足強度要求．

3)施工階段三 本施工階段考慮了四種不同的水位．由于拆除了部分內(nèi)部支撐系統(tǒng)及抗浮支柱，在同一水位(+20.252 m)下，相比施工階段二應(yīng)力有所增大；而隨著水位的降低應(yīng)力成正比例下降．

表1 計算結(jié)果

續(xù)表1

項目構(gòu)件工況一工況二工況三+20.252+20.000+19.500+19.000桁架單元內(nèi)力/kN最大值41.29214.76261.81247.22215.65181.89最小值-82.88-235.95-278.3-263.64-233.28-202.63應(yīng)力/kPa最大值16.9494.97107.02101.4588.4974.64最小值-72.07-96.82-114.18-108.18-95.72-83.15實體單元第一主應(yīng)力/kPa應(yīng)力/kPa最大值-0.980.710.680.610.53最小值--0.66-0.45-0.42-0.37-0.34

4 結(jié)論

根據(jù)有限元仿真計算及分析可得出以下幾點結(jié)論：

1)本工程中的雙壁鋼吊箱有較大的安全儲備，考慮經(jīng)濟因素，可以在今后的實際工程中合理減小構(gòu)件尺寸或使用強度相對較低的材料型號．

2)影響雙壁鋼吊箱施工安全的最大因素是水位的變化，在今后施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制內(nèi)、外壁板及隔艙三處的水頭差．

3)本工程中水流壓力、風(fēng)壓力以及波浪壓力對雙壁鋼吊箱的應(yīng)力變化影響較小，但仍然需要結(jié)合施工環(huán)境和水文資料充分考慮它們的影響．

4)三維有限元仿真計算能夠較為全面地反映鋼吊箱各組成構(gòu)件受力情況，應(yīng)該推廣．

[參考文獻(xiàn)]

[1] 李軍堂,秦順全.天興洲長江大橋主墩雙壁鋼圍堰基礎(chǔ)施工的技術(shù)創(chuàng)新[J]. 世界橋梁, 2006:17-19.

[2] 張清華，唐 亮. 安慶長江大橋雙壁鋼吊箱圍堰設(shè)計與關(guān)鍵施工技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù), 2004 (02):1-4.

[3] 程 晨. 南京大勝關(guān)長江大橋主橋4號墩雙壁鋼吊箱圍堰整體吊裝設(shè)計與施工[J].橋梁建設(shè), 2008(04):20-23.

[4] 王曉敬，馬行政. 海上承臺雙壁鋼吊箱圍堰設(shè)計與施工[J].鐵路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計, 2012(08):45-48.

[5] 周衍領(lǐng). 鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)強度有限元仿真分析方法[J]. 鐵道建筑技術(shù)，2008(增):224-227.

[6] 王桂鵬. 鋼吊箱圍堰的計算與試驗研究[D].天津：天津大學(xué)圖書館，2008.

[7] 劉耀東，余天慶.雙壁鋼吊箱圍堰的仿真計算及施工關(guān)鍵技術(shù)[J].橋梁建設(shè),2009,(2):72-75.

[8] 中華人民共和國交通部.港口工程荷載規(guī)范 JTJ215-98[M].北京：人民交通出版社，1998.

[9] 文圣常，余宙文.海浪理論與計算原理[M].北京：人民交通出版社，1998.

[10] 中華人民共和國交通部. 公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范 JTG D60-2004[M].北京：人民交通出版社，1998.