基于FEA—AHP—模糊綜合評(píng)估法的鎖口鋼管樁圍堰安全性評(píng)估

楊萬(wàn)鵬 麻偉 肖杰 王沖 石拓

摘要：鎖口鋼管樁圍堰在深水基礎(chǔ)的施工中發(fā)揮著巨大作用，而其在施工過(guò)程中的安全性一直是比較重要控制因素，本文以某大橋基礎(chǔ)施工中的鎖口鋼管樁圍堰為工程背景，利用有限元軟件建立整個(gè)圍堰的三維模型，選取最不利工況的控制構(gòu)件應(yīng)力，結(jié)合層次分析法和模糊綜合評(píng)估法對(duì)鎖口鋼管樁圍堰的安全性做了評(píng)估，并與實(shí)際施工監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比得出了結(jié)論與建議。

關(guān)鍵詞：鎖口鋼管樁圍堰；有限元分析；層次分析法；模糊綜合評(píng)估法；施工監(jiān)測(cè)

引言

鋼圍堰作為深水基礎(chǔ)常見(jiàn)的臨時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)施，有剛度大、方便施工等特點(diǎn)[1]，在施工期間鋼圍堰受力體系復(fù)雜，影響其安全性的因素很多，而很多學(xué)者采用了有限元建模對(duì)鋼圍堰進(jìn)行安全驗(yàn)算 [2][3][4][5]。本文利用有限元法（FEA）結(jié)合結(jié)合層次分析法（AHP）和模糊綜合評(píng)估法對(duì)某鋼圍堰安全性作出評(píng)價(jià)。

1 工程背景

某大橋?yàn)樗目邕B續(xù)剛構(gòu)橋，由于該橋所處河道水較深，基礎(chǔ)水沒(méi)深度超過(guò)了5m，屬于深水基礎(chǔ)，因此基礎(chǔ)施工采用鋼圍堰施工。7#墩基礎(chǔ)鋼圍堰采用鎖口鋼管樁形式，鋼管樁為φ630mm×10mm的鋼管和工字鋼焊接組合，工字鋼和φ160mm×8mm鋼管形成鎖口，鋼管樁樁長(zhǎng)17m。圍堰平面尺寸為15.18m×33.04m， 圍堰內(nèi)設(shè)置兩層豎向間距4.5m的水平內(nèi)支撐，內(nèi)支撐選用φ630mm×10mm鋼管支撐，圍囹?yàn)殡p拼I40b工字鋼，鋼管樁共設(shè)37+37+15+15=104根。圍堰施工時(shí)，設(shè)計(jì)水位為60.65m，設(shè)計(jì)水流速度1.0m/s，主墩處河床強(qiáng)風(fēng)化泥巖層最低標(biāo)高52.00m。圍堰拼裝完成后，圍堰內(nèi)開(kāi)挖至高程51m，抽水并進(jìn)行水下混凝土封底。鋼圍堰平面圖如圖1所示。

圖1 圍堰平面布置圖（單位：cm）

2 建立有限元模型

將整個(gè)圍堰用Midas-civil進(jìn)行模擬，離散為2536個(gè)梁

單元，圍堰結(jié)構(gòu)只考慮鋼管樁受力，鋼管樁端部設(shè)定為固定端，計(jì)算最不利工況（圍堰內(nèi)水抽干）。整個(gè)圍堰所受到的外水壓力分為靜水壓力和動(dòng)水壓力，靜水壓力作用于圍堰的四周，動(dòng)水壓力作用于圍堰迎水面，本次主要驗(yàn)算在外靜水壓力和動(dòng)水壓力作用下鋼管樁的工作狀況。計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 鋼圍堰midas Civil有限元模型

3 施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)測(cè)站布置

3.1 位移測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)圍堰的布置形式，位移測(cè)點(diǎn)分別布置在圍堰鋼管樁頂部，四個(gè)角點(diǎn)樁（各1個(gè)）、上游圍堰中點(diǎn)樁（1個(gè)）、下游圍堰中點(diǎn)樁（1個(gè)）、橫橋向圍堰中點(diǎn)（2個(gè)，柳州側(cè)和梧州側(cè)各一個(gè)），總共8個(gè)位移測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)編號(hào)為L(zhǎng)1～L3、W1～W3、上游測(cè)點(diǎn)、下游測(cè)點(diǎn)），測(cè)點(diǎn)布置圖如圖3所示。

圖3 圍堰位移測(cè)點(diǎn)布置

3.2 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

應(yīng)力測(cè)點(diǎn)根據(jù)圍堰構(gòu)造和受力特點(diǎn)，分別布置在圍堰上下層內(nèi)支撐鋼管端部（上層6個(gè)，下層6個(gè)，共12個(gè)）、圍囹工字鋼中點(diǎn)（上游圍囹1個(gè)、下游圍囹1個(gè)、橫橋向柳州側(cè)1個(gè)、橫橋向梧州側(cè)1個(gè)，上下兩層共8個(gè)），總共20個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)（上層測(cè)點(diǎn)編號(hào)A1～A10，下層測(cè)點(diǎn)編號(hào)B1～B10，測(cè)點(diǎn)布置圖如圖4和圖5所示。

圖4 圍堰上層應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置圖

圖5 圍堰下層應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置圖

3.3 測(cè)站布置和測(cè)量方法

位移測(cè)站點(diǎn)設(shè)置在梧州岸平地上，位移觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)棱鏡頭，采用全站儀進(jìn)行測(cè)量。應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置于內(nèi)支撐鋼管端部和工字鋼中點(diǎn)表面，采用手持應(yīng)變儀進(jìn)行測(cè)量。

4 有限元計(jì)算結(jié)果

4.1 位移計(jì)算

在荷載自重和水壓力的組合作用下，圍堰最大位移發(fā)生在上游面中部，如圖6所示。

圖6 荷載組合作用下圍堰位移分布圖

4.2 應(yīng)力計(jì)算

在荷載自重和水壓力的組合作用下，圍堰最大彎曲應(yīng)力發(fā)生在圍堰與河床交接處，如圖7所示。

圖7 圍堰彎曲應(yīng)力圖

5 層次-模糊分析綜合評(píng)估

圍堰由鋼管樁、圍囹、支撐鋼管組成，圍堰整體安全性由這些構(gòu)件決定，從有限元計(jì)算模型中分別提取橫橋向和縱橋向這些構(gòu)件的最大應(yīng)力值。

（1）運(yùn)用層次分析評(píng)估法構(gòu)造6個(gè)構(gòu)件的判斷矩陣

注：1為橫橋向，2為縱橋向

計(jì)算的權(quán)重向量W=（0.43，0.26，0.03，0.07，0.10，0.11）

判斷矩陣最大特征值λmax=6.5803

一致性指標(biāo)

一致性比率

滿足一致性原則

（2）模糊綜合評(píng)估法

將鋼管樁、圍囹、支撐鋼管應(yīng)力與允許應(yīng)力的比值作為評(píng)估指標(biāo)

把構(gòu)件應(yīng)力比值區(qū)間評(píng)價(jià)集（0.2，0.4，0.6，0.8，1.0）劃分為好、良好、較好、中、差五個(gè)安全等級(jí)。

隸屬函數(shù)選用三角形隸屬函數(shù)

圖8三角形隸屬函數(shù)

得到6個(gè)構(gòu)件的評(píng)估矩陣

模糊計(jì)算B=W·R=（0.15，0.16，0.10，0.58，0.01）

評(píng)價(jià)集取中間值進(jìn)行賦值C=（0.1，0.3，0.5，0.7，0.9）T

圍堰整體安全等級(jí)評(píng)估結(jié)果P=B·C=0.528

可得圍堰在最不利工況的施工安全性等級(jí)為較好。

6 有限元計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)值對(duì)比分析

6.1 位移數(shù)據(jù)對(duì)比

圖9 圍堰位移測(cè)點(diǎn)和實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

6.2 應(yīng)力數(shù)據(jù)對(duì)比

圖10 圍堰應(yīng)力測(cè)點(diǎn)和實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

6.3 對(duì)比結(jié)果及其分析

（1）圍堰位移測(cè)點(diǎn)橫橋向最大位移為-19.0mm，縱橋向最大位移為-32.0mm，在施工期間在最不利工況下（內(nèi)水抽干），圍堰位移量不大；

（2）圍堰應(yīng)力測(cè)點(diǎn)最大壓應(yīng)力-68.04MPa，最大拉應(yīng)力46.20MPa，小于《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017-2003）對(duì)Q235鋼的極限應(yīng)力值225Mpa；

（3）實(shí)測(cè)的圍堰位移和應(yīng)力結(jié)果表明，本工程橋梁橋墩基礎(chǔ)施工圍堰在最不利工況下（內(nèi)水抽干），圍堰是安全、穩(wěn)定的；

（4）圍堰位移和應(yīng)力理論計(jì)算值均小于實(shí)測(cè)值，原因主要是由于計(jì)算模擬圍堰結(jié)構(gòu)受力只考慮鋼管樁受力，不考慮工字鋼和焊接鋼板受力的作用，這就導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)與計(jì)算值略有偏差。

7 結(jié)論

本文運(yùn)用FEA-AHP-模糊綜合評(píng)估法對(duì)深水基礎(chǔ)施工的鎖口鋼管樁圍堰的進(jìn)行了安全性評(píng)估，得出了鋼圍堰在最不利施工工況下的施工安全等級(jí)為較好，并與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)說(shuō)明鋼圍堰在施工中的應(yīng)力與位移都在安全范圍內(nèi)，與評(píng)估結(jié)構(gòu)比較吻合。可為同類(lèi)型鎖口鋼管樁圍堰的施工期間安全性評(píng)估提供參考。

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作者簡(jiǎn)介：楊萬(wàn)鵬 ，男，廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院碩士研究生，主要研究方向橋梁施工監(jiān)控