雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

秦大燕，羅小斌

(廣西路橋工程集團有限公司，廣西　南寧　530011)

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雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

秦大燕，羅小斌

(廣西路橋工程集團有限公司，廣西南寧530011)

針對雙壁鋼圍堰在結(jié)構(gòu)設計上的不足和在施工中存在的一些問題，文章依托具體工程實例進行了雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計研究，提出了改進壁體結(jié)構(gòu)的技術(shù)措施，實現(xiàn)了圍堰支撐設計優(yōu)化，簡化了施工程序，為雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)設計提供參考。

雙壁鋼圍堰；結(jié)構(gòu)設計；水平肋；豎肋；優(yōu)化

0　引言

雙壁鋼圍堰是橋梁深水基礎(chǔ)施工中常見的圍堰結(jié)構(gòu)，相較于鋼板樁圍堰而言，它具有強度高、剛度大、防水性能好的特點，特別適用于深水基礎(chǔ)施工。但其在結(jié)構(gòu)設計中還存在一些誤區(qū)，由于壁體結(jié)構(gòu)設計不合理，導致需要設置多層內(nèi)部支撐，甚至有些還設置類似于鋼板樁圍堰的圍楞結(jié)構(gòu)，沒有充分發(fā)揮雙壁結(jié)構(gòu)剛度大、強度高的特點。通常，雙壁鋼圍堰的內(nèi)部支撐是先安裝的，跟隨圍堰一起下沉到位，所以在計算時并不考慮支撐分步驟安裝。但是，過多的內(nèi)部支撐會影響圍堰內(nèi)部開挖下沉，特別是采用機械開挖方式時，也影響承臺或墩身的施工空間。在實際施工中，有時為了方便開挖會采取先不安裝支撐的方式，待圍堰下沉到位后，再進行抽水分步驟安裝內(nèi)部支撐，類似于鋼板樁圍堰支撐的安裝工法。但是，如果設計時沒有按實際施工步驟進行施工階段分析，那么這一做法是非常危險的，因為圍堰結(jié)構(gòu)的最不利受力狀態(tài)有可能出現(xiàn)在施工過程中，而不是最終抽完水時。為此，本文針對某橋梁深水承臺施工的雙壁鋼圍堰(如圖1所示)，進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計研究，增強壁體的整體性，優(yōu)化內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)的設計，在11.5 m水深的情況下，實現(xiàn)僅設置一層內(nèi)部支撐，在結(jié)構(gòu)安全的前提下使施工更加方便。

圖1　鋼圍堰原設計示意圖

1　總體設計

1.1總體布置及關(guān)鍵設計參數(shù)

雙壁鋼圍堰的平面布置如圖2所示，考慮下沉就位位置誤差因素，其平面尺寸應比承臺尺寸大200 mm以上。立面布置如圖3所示，設計中應明確以下幾個關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)：計算水位、施工水位、倉內(nèi)水位、倉內(nèi)混凝土高度、封底混凝土厚度。計算水位應取為圍堰頂面，施工水位應低于計算水位≥1.0 m；倉內(nèi)水位應保持內(nèi)壁板靜水壓力不大于外壁板靜水壓力，并在此處設置泄壓孔；倉內(nèi)混凝土高度應高于河床，但不宜高于承臺或基礎(chǔ)頂面，以便于拆除回收。僅在圍堰頂部設置一層支撐，為了便于支撐的安裝，將圍堰頂標高提高1.0 m。

圖3　圍堰立面設計圖

1.2關(guān)鍵施工步驟

第一步，整平河床；第二步，圍堰灌水下沉至河床；第三步，水下澆筑倉內(nèi)混凝土，并保持倉內(nèi)水位不高于河水水位；第四步，圍堰開挖下沉至設計標高，保持圍堰內(nèi)水位與河水位一致；第五步，水下澆筑封底混凝土，保持圍堰內(nèi)水位與河水位一致；第六步，安裝支撐后抽水，保持倉內(nèi)水位在設計位置。原設計為雙層支撐，如圖1、圖3所示，其支撐必須在開挖下沉階段之前進行安裝，優(yōu)化為一層支撐后，支撐的安裝在最后階段，避免了支撐對圍堰下沉、開挖等施工的干擾。

1.3抗浮穩(wěn)定驗算

封底混凝土與鋼護筒之間的平均粘結(jié)剪切強度取150 kPa，計算出圍堰整體抗浮穩(wěn)定系數(shù)為1.242，滿足穩(wěn)定要求。

2　結(jié)構(gòu)設計

2.1結(jié)構(gòu)構(gòu)造

雙壁鋼圍堰主要由壁體、內(nèi)部支撐、封底混凝土、壁體內(nèi)混凝土等組成，鋼吊箱圍堰還有鋼底板。其壁體為雙壁鋼箱結(jié)構(gòu)，內(nèi)外壁板是帶肋板，其加勁肋沿豎向布置，壁板通過平面桁架和豎向隔板組合成雙壁箱體結(jié)構(gòu)。平面桁架的腹桿采用角鋼，弦桿為鋼板(也稱水平肋)與壁板組合成的T形截面，水平肋與隔板相交處設鋼板加勁肋。豎向隔板為實腹鋼板與壁板組合成箱形截面，并起著隔水的作用。封底混凝土與倉內(nèi)混凝土均為C30水下混凝土。

2.2壁體構(gòu)件設計

壁體厚度為1 012 mm，壁板為6 mm鋼板；豎肋為100 mm×10 mm扁鋼，間距為360 mm；橫肋為250 mm×12 mm扁鋼，間距為1 000 mm；水平桁架腹桿為L80×10等邊角鋼，圍堰轉(zhuǎn)角處受力較大的腹桿為雙角鋼，其余均為單角鋼單面連接；隔板為12 mm鋼板，間距3 000 mm，隔板與水平肋之間的加勁肋為125 mm×12 mm扁鋼；內(nèi)部支撐為φ500mm×10mm鋼管，并支撐在隔板位置處，其材質(zhì)均為Q235鋼，如圖4～5所示。

圖4　壁體結(jié)構(gòu)設計圖(單位：mm)

圖5　壁體轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)設計圖(單位：mm)

2.3結(jié)構(gòu)設計的改進之處

隔板間距加密為3m，以往設計中，并不注重隔板的作用，認為隔板僅起著分倉隔水的作用，往往布置的間距較大，通常為5m左右。分析表明，隔板對增強壁體豎向剛度和強度起著很大作用，是重要的受力構(gòu)件，它與壁板組合成箱型截面結(jié)構(gòu)，其間距越密，壁板的剪力滯效應越小，壁體的強度也就增強。再者，倉內(nèi)混凝土往往是水下澆筑，一個隔倉僅用一根導管澆筑，混凝土的擴散范圍有限，如果隔板間距過大，對水下混凝土澆筑的質(zhì)量有一定影響，所以隔板間距不宜過大，但也不宜過小，否則因分倉過多而增加倉內(nèi)混凝土的澆筑次數(shù)。由于隔板的加密，箱體整體強度和剛度增強，由此實現(xiàn)了內(nèi)部支撐的減少，并取消了圍楞結(jié)構(gòu)。

豎肋采用扁鋼，即矩形鋼板截面與壁板組合成T形截面，以往通常采用不等邊角鋼，與壁板組合成帶翼緣的L形截面。同樣截面面積的條件下，角鋼比扁鋼的抗彎剛度大，其用料較少，分析表明，角鋼為非對稱截面，其荷載是偏離剪切中心，呈雙向彎曲受力狀態(tài)，其彎曲應力并不一定比扁鋼小，只是以往計算分析時忽略了這一效應。但角鋼豎肋與水平肋相交處焊接不易操作，往往需要在水平肋處開孔讓角鋼通過，其構(gòu)造較為復雜；而扁鋼豎肋與水平肋焊接，在相交處豎肋斷開并與水平肋用角焊縫連接即可，其構(gòu)造更為簡單，施工質(zhì)量更容易控制，如圖6所示。

圖6　豎肋與橫肋的焊接示意圖

優(yōu)化設計加大了水平桁架的節(jié)間距離和增強了腹桿，以往設計中，腹桿的間距通常為1.0m，造成壁體內(nèi)空間較小，影響在壁體內(nèi)的焊接作業(yè)，為了增加作業(yè)空間，原設計將壁體厚度設計為1.2m，優(yōu)化后將壁體厚度調(diào)整為1.0m。腹桿設計以強度控制，并未考慮單角鋼單面連接帶來的強度、焊接與穩(wěn)定影響問題，造成腹桿的安全度較小。增強腹桿還可以顯著改善水平肋的應力。

原設計的鋼材用量為213t，優(yōu)化設計后的鋼材用量為220t，僅較原設計增加3.3%的用鋼量，如果不提高計算水位，其用鋼量與原設計相當。

3　結(jié)構(gòu)分析模型

3.1單元選擇及劃分

分析模型基于Midas結(jié)構(gòu)分析軟件，模型整體坐標系規(guī)定：X—橫橋向，Y—順橋向，Z—豎直向，向上為正。內(nèi)部支撐、水平桁架的腹桿用桿單元；水平肋以及在隔板處的加勁板用梁單元，水平肋為短梁應考慮剪切變形影響；壁板與豎肋用等效帶肋板單元，隔板用板單元；倉內(nèi)混凝土用8節(jié)點實體單元，并與壁板板單元節(jié)點耦合。模型取1/4對稱模型，雖然流水壓力荷載上下游并不對稱，但鋼圍堰結(jié)構(gòu)整體尺寸較大，不對稱流水壓力對結(jié)構(gòu)整體受力沒有顯著影響，如圖7所示。豎向在水平肋之間劃分6個單元，平面方向在水平桁架的一個節(jié)間之間劃分6個單元。沿箱體厚度方向，應考慮隔板的剪切變形影響，劃分為4個單元。同時應注意，板單元的長寬比宜≤2。

圖7　鋼圍堰結(jié)構(gòu)分析模型圖

3.2計算荷載及支承邊界條件

荷載取靜水壓力、土壓力、流水壓力。鋼圍堰底部是支承在封底混凝土上的，由于封底混凝土為素混凝土，其抗拉承載力很小，對圍堰壁體的轉(zhuǎn)動約束是非常弱的，鋼圍堰底部取為鉸接約束，位置近似取封底混凝土高度的2/3處。在圍堰開挖下沉階段，圍堰底部沒有封底混凝土的支撐作用，此時圍堰承受土壓力作用，經(jīng)分析，土壓力造成的圍堰結(jié)構(gòu)最大應力為14 MPa，變形為3 mm，其影響較小，通常不考慮該施工階段分析。

3.3板格局部模型

將壁板與豎肋按面內(nèi)剛度和面外抗彎剛度等效為正交異性板，因而不必將豎肋按梁單元建模，以便減少單元數(shù)量。但這樣的簡化處理會帶來兩個問題：(1)不能求解出壁板直接承受水壓產(chǎn)生的彎曲應力；(2)沒有考慮豎肋與壁板組合截面的剪力滯后效應。壁板的彎曲應力可以取一個板格，按周邊固結(jié)的邊界條件，建立局部板單元模型求解，然后與整體模型分析的結(jié)果進行組合。剪力滯后效應可以取有效寬度系數(shù)的方法進行修正，有效寬度系數(shù)可參照《JTJ308-2003船閘閘閥門設計規(guī)范》[3]。

4　計算結(jié)果

4.1強度標準

臨時結(jié)構(gòu)設計按《公路鋼木設計規(guī)范》[2]采用容許應力法，Q235鋼材容許應力為：軸向應力140 MPa，彎曲及組合應力145 MPa，剪切應力85 MPa。

4.2計算結(jié)果

橫肋及加勁肋按平面拉、壓彎構(gòu)件設計，應力應考察梁單元截面上、下緣組合應力，忽略繞弱軸彎矩引起的彎曲應力。水平肋上緣最大壓應力為94.5 MPa，最大拉應力為91.6 MPa，下緣最大壓應力為114.4 MPa，最大拉應力為98.7 MPa。加勁肋最大組合壓應力為95.7 MPa，最大組合拉應力為64.5 MPa。

豎肋應力考察隔板與隔板之間的壁板單元板頂、板底沿豎肋方向的應力，如圖8所示，豎肋最大應力為131.2 MPa，出現(xiàn)在圍堰長邊方向的外壁板。

(a)外壁板底應力

(b)外壁板頂應力

壁板沿豎向的應力考察與隔板相交處板單元的中面應力，壁板沿水平方向的應力考察橫肋與橫肋之間板單元中面應力，如圖9所示，圖中所示為板單元面內(nèi)力，除以板厚即為中面應力。沿豎向的等效板厚為8.67 mm，豎向最大應力為816.1/8.67=94.1 MPa；沿橫向的板厚為6 mm，橫向最大應力為234.3/6=39.1 MPa，橫向應力還應與板格的局部彎曲應力進行疊加，外壁板直接承受的最大水頭為4.5 m，其局部彎曲應力為81 MPa，疊加后壁板的橫向組合應力為120.1 MPa。隔板應力取隔板豎向軸線處板單元剪切應力，其最大剪切應力為72.6 MPa。

(a)外壁板豎向內(nèi)力Fyy

(b)外壁板橫向內(nèi)力Fxx

水平桁架的腹桿單角鋼最大拉應力為87.5 MPa，最大壓應力為84.2 MPa，雙角鋼最大拉應力為1.6 MPa，最大壓應力為58.9 MPa；內(nèi)部支撐鋼管的最大壓應力為57.4 MPa。鋼圍堰的最大變形值為11 mm。

5　穩(wěn)定設計

5.1水平肋與豎肋的局部穩(wěn)定

水平肋與壁板組成T型截面，繞強軸方向的剛度較大，而繞弱軸方向又受到豎肋的約束，所以可以不考慮構(gòu)件整體穩(wěn)定性，按T型截面考慮腹板的局部穩(wěn)定性[1]，即高厚比≤25。同理，豎肋采用鋼板截面時，也應按同樣的要求考慮局部穩(wěn)定。水平肋的寬厚比250/12=20.8，豎肋的寬厚比100/10=10，均滿足局部穩(wěn)定性要求。同時，水平肋還兼做腹桿的連接節(jié)點板，其板厚應滿足大于角鋼連接肢寬的1/8的要求，即80/8=10 mm。

5.2水平桁架腹桿與支撐的穩(wěn)定

水平桁架的腹桿及內(nèi)部支撐應按軸心受力壓桿進行穩(wěn)定性驗算，腹桿采用單面連接單角鋼時，進行連接和穩(wěn)定計算時應按規(guī)范[1]要求進行折減，軸力較大的采用雙角鋼。

5.3板的穩(wěn)定

隔板應設置加勁肋來增強其穩(wěn)定性，當加勁肋的間距與板厚之比<80，可以不進行穩(wěn)定性驗算。壁板的穩(wěn)定指支承在豎肋和橫肋之間的板格的穩(wěn)定。板的穩(wěn)定驗算取局部板格進行有限元屈曲分析[4]，其臨界荷載因子>1.2，滿足穩(wěn)定要求。

6　結(jié)語

本文針對雙壁鋼圍堰在結(jié)構(gòu)設計上的不足和在施工中存在的一些問題進行了分析，依托具體的工程實例進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計研究，提出了改進壁體結(jié)構(gòu)的技術(shù)措施，實現(xiàn)了圍堰支撐設計優(yōu)化，簡化了施工程序，避免了支撐對施工的干擾，充分發(fā)揮了雙壁結(jié)構(gòu)剛度大、強度高的特點。

[1]GB50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].

[2]JTJ 025-86，公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].

[3]JTJ308-2003，船閘閘閥門設計規(guī)范[S].

[4]中國船級社.油船結(jié)構(gòu)強度直接計算指南[M].北京：人民交通出版社，2003.

Double-wall Steel Cofferdam Structure Optimization Design

QIN Da-yan，LUO Xiao-bin

(Guangxi Road and Bridge Engineering Group Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530011)

Regarding the structural design deficiency and some construction problems of double-wall steel cofferdam，and relying on specific engineering examples，this article carried out the double-wall steel cofferdam structure optimization design study，proposed the technical measures to improve the wall structure，achieved the cofferdam support design optimization，and simplified the construction process，thereby providing the reference for the structural design of double-wall steel cofferdam.

Double-wall steel cofferdam；Structural design；Horizontal ribs；Vertical ribs；Optimization

U443.16+2

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.07.004

1673-4874(2016)07-0012-05

2016-06-10

秦大燕(1980—)，高級工程師，研究方向：公路與橋梁施工技術(shù)；

羅小斌(1985—)，工程師，研究方向：道路與橋梁工程。