深水基礎(chǔ)環(huán)境下鋼圍堰拼裝平臺(tái)的穩(wěn)定性分析

廖一天，陳佳文，秦乙洪，李悠然，呂林鵬

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

深水基礎(chǔ)環(huán)境下鋼圍堰拼裝平臺(tái)的穩(wěn)定性分析

廖一天，陳佳文，秦乙洪，李悠然，呂林鵬

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

作業(yè)平臺(tái)作為臨時(shí)支撐，安全是深水鋼管樁支撐平臺(tái)最重要的控制點(diǎn)。本文聯(lián)系蚌埠市長淮衛(wèi)淮河大橋深水基礎(chǔ)工程，應(yīng)用有限元軟件對(duì)鋼圍堰拼裝平臺(tái)進(jìn)行三維建模；對(duì)首節(jié)鋼圍堰拼裝平臺(tái)、中層吊裝平臺(tái)，以及懸吊平臺(tái)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性實(shí)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果為各結(jié)構(gòu)應(yīng)力及位移均滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了鋼圍堰拼裝平臺(tái)的安全與合理性。同時(shí)建立了與鋼圍堰相連的下部分配梁、與精軋螺紋鋼相連的上部分配梁有限元模型；計(jì)算得出上、下部分配梁的各結(jié)構(gòu)應(yīng)力及位移均滿足設(shè)計(jì)要求，證明配梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定符合要求。該研究成果積累了部分深水基礎(chǔ)施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)今后跨越大江大河、海灣湖區(qū)鋼圍堰拼裝平臺(tái)施工提供了重要的指導(dǎo)作用。

深水基礎(chǔ)；施工平臺(tái)；有限元；結(jié)構(gòu)計(jì)算

雙壁鋼圍堰擁有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，止水功能好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它可以承受一定的水壓力沖擊，構(gòu)造簡易，作業(yè)輕便，在大橋深水基礎(chǔ)當(dāng)中采用率極大。國內(nèi)自從1976年在九江長江大橋建造中，初次選用雙壁鋼圍堰來進(jìn)行深水基礎(chǔ)施工[1]，解決了長江以及其余深水河流在汛期基礎(chǔ)施工的難題之后，很多橋梁的建造都陸續(xù)選擇這種基礎(chǔ)方式。但是，鋼圍堰需要借助支撐平臺(tái)來完成定位、拼裝以及下放等程序，同時(shí)還要借用支撐平臺(tái)來堆放基礎(chǔ)施工機(jī)具，以及臨時(shí)材料。因此，圍堰拼裝平臺(tái)的施工安全性以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性就顯得極為重要。

鋼管樁為長細(xì)壁薄的桿件結(jié)構(gòu)，通常在鋼管樁應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服點(diǎn)時(shí)候，就產(chǎn)生極大的形變，因此丟失支撐能力，缺失穩(wěn)定性，尤其在深水鋼管樁穿越流水、土層且插入基巖時(shí)，三者之間的相互作用龐雜，增添了支撐平臺(tái)穩(wěn)定性研究的難度[2]。鋼圍堰拼裝平臺(tái)大都采用強(qiáng)度分析——將結(jié)構(gòu)實(shí)行簡化，對(duì)比結(jié)構(gòu)應(yīng)力能否符合應(yīng)力容許值來確定結(jié)構(gòu)的安全性能。為了保證鋼圍堰拼裝和下放時(shí)支撐平臺(tái)的穩(wěn)定性，本文通過三維有限元對(duì)支撐平臺(tái)進(jìn)行三維建模，計(jì)算其結(jié)構(gòu)應(yīng)力以及位移變形量，并對(duì)鋼圍堰的下放進(jìn)行分析。

1 有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算理論

在使用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析時(shí)，先進(jìn)行結(jié)構(gòu)的離散化，然后選擇位移形式，推出用節(jié)點(diǎn)位移顯示單元內(nèi)任意點(diǎn)位移的關(guān)聯(lián)式[3]，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行力學(xué)特性分析，建立整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程：

[K]{U}=[KE]{U}+[KG]{U}={P}

(1)

式中：[K]為結(jié)構(gòu)整體剛度矩陣；{U}為結(jié)構(gòu)整體位移列陣；{P}為結(jié)構(gòu)整體荷載列陣；[KE]為結(jié)構(gòu)彈性剛度矩陣；[KG]為結(jié)構(gòu)幾何剛度矩陣。

幾何剛度矩陣表現(xiàn)了構(gòu)件在形變狀況下的剛度改變情形，和增加的荷載有直接關(guān)聯(lián)[4]。拉力使結(jié)構(gòu)剛度增強(qiáng)，壓力使剛度弱化。伴隨壓力的加大，弱化效應(yīng)將超過構(gòu)件固有剛度，導(dǎo)致位移不斷增加，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)[5]。

由于幾何剛度矩陣和荷載大小相關(guān)，則荷載和結(jié)構(gòu)位移的變化不再是線性關(guān)系，結(jié)構(gòu)處于新的平衡狀態(tài)，方程如下：

[K+λKG]{U}={P}

(2)

如若構(gòu)件屬于不穩(wěn)定形態(tài)，方程必有特殊解，即等價(jià)剛度矩陣的行列式為0，產(chǎn)生失穩(wěn)[6]。

[K+λKG]<0(λ>λc r)時(shí)為不穩(wěn)定平衡狀態(tài)；[K+λKG]=0(λ>λc r)為不穩(wěn)定狀態(tài)；[K+λKG]>0(λ>λc r)為穩(wěn)定狀態(tài)。

2 鋼圍堰支撐平臺(tái)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

2.1 工程概況

長淮衛(wèi)淮河大橋工程為蚌埠市中環(huán)線東段的重要節(jié)點(diǎn)工程[7]。橋址處水位較深、樁基長，屬于特大型橋梁工程。工藝繁雜，工期緊張，所以施工難度巨大。其中，主橋的14#～17#在河道汛期時(shí)全部處于河水之中，即便在枯水期同樣會(huì)被水流浸到。

主橋選用80 m+200 m+80 m雙桁鋼桁架拱橋，寬度為42.5 m。主橋16#墩、17#墩位于淮河河道中，各選擇2座分離式承臺(tái)，承臺(tái)平面尺寸為(14 m×14 m)，承臺(tái)高4.0 m，左右幅凈距19 m。水下承臺(tái)、墩柱選擇矩形雙壁鋼圍堰作業(yè)方式。平面尺寸(17.1 m×17.1m)。16#墩承臺(tái)底標(biāo)高+3.551 m，17#墩承臺(tái)底標(biāo)高+0.851 m，施工水位13.2 m，最高抽水水頭12.349 m。鋼圍堰頂標(biāo)高控制為15.2 m。

2.2 參數(shù)及邊界條件的設(shè)置

根據(jù)鋼圍堰設(shè)計(jì)圖紙以及鋼圍堰下放專項(xiàng)施工方案，采用液壓千斤頂控制系統(tǒng)僅對(duì)各鋼圍堰的第一節(jié)實(shí)施下放，16#鋼圍堰與17#鋼圍堰的首節(jié)與第二節(jié)圍堰的尺寸完全相同，17#鋼圍堰第三節(jié)的高度高于16#鋼圍堰，且17#鋼圍堰的三節(jié)總重量要大于16#鋼圍堰，因此只需要計(jì)算17#鋼圍堰的首節(jié)拼裝平臺(tái)結(jié)構(gòu)、中層吊裝平臺(tái)結(jié)構(gòu)，以及頂部懸吊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)即可。

據(jù)設(shè)計(jì)圖紙得出，首節(jié)鋼圍堰的重量為109.186 t，考慮到施工的安全性，首節(jié)鋼圍堰的自重按135 t進(jìn)行受力分析和計(jì)算。另外，考慮到直徑630 mm臨時(shí)鋼管樁埋置的長度15 m，因此，鋼管樁底部按固結(jié)處理。

鋼材彈性模量E=2.1×105MPa,泊松比取值0.3，Q235鋼材的抗拉、抗壓以及抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值[F]=215 MPa，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值[Fv]=125 MPa[8]。

2.3 首節(jié)鋼圍堰拼裝平臺(tái)的計(jì)算分析

首節(jié)鋼圍堰拼裝平臺(tái)由12根45a#工字鋼、以及由45a#工字鋼與直徑630 mm的臨時(shí)鋼管樁組成的平臺(tái)結(jié)構(gòu)組成，其平面布置圖和立面圖如圖1所示。首節(jié)鋼圍堰拼裝平臺(tái)除了受到圍堰的自重載荷，再無其他外力作用[9]。根據(jù)鋼圍堰設(shè)計(jì)圖紙標(biāo)明的鋼圍堰每塊的設(shè)計(jì)重量，并考慮到施工的安全性，由鋼圍堰自重傳遞到分配梁上的單點(diǎn)受力按6 t計(jì)算。

建立的首層拼裝平臺(tái)結(jié)構(gòu)有限元模型如圖1所示。

圖1 首層拼裝平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型

考慮到施工的安全性、整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及在施工專項(xiàng)方案中提到的施工順序，在建立此模型時(shí)，將中平臺(tái)的連梁一并建立。

通過對(duì)三維有限元結(jié)構(gòu)模型在相應(yīng)位置加載對(duì)應(yīng)載荷，得到的計(jì)算情況如圖2所示。

分析結(jié)果可得，首層拼裝平臺(tái)的最大應(yīng)力為167 MPa，最大位移量為18.8 mm。因此，首節(jié)鋼圍堰施工的各結(jié)構(gòu)應(yīng)力與位移全都符合設(shè)計(jì)規(guī)定。

2.4 中層吊裝平臺(tái)的計(jì)算分析

中層吊裝平臺(tái)作為拼裝首節(jié)鋼圍堰時(shí)的吊裝平臺(tái)，不僅受到吊車的自重載荷，也會(huì)牽涉到整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在臨界狀態(tài)，首層鋼圍堰的自重載荷全部加載在首層拼裝平臺(tái)，此時(shí)，中層吊裝平臺(tái)的受力分析與首節(jié)拼裝平臺(tái)密不可分，且關(guān)系到整個(gè)結(jié)構(gòu)。因此，對(duì)中層吊裝平臺(tái)的受力計(jì)算成為不可缺少的部分。

考慮到車上橋之后的自重載荷，以及分配梁、貝雷梁及橋面板的自重載荷，并考慮到施工過程中的安全性，加載在中層吊裝平臺(tái)上的作用力按50 t來計(jì)算。建立的有限元模型如圖3所示。

圖2 三維有限元計(jì)算結(jié)果

圖3 中層吊裝平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型圖

通過對(duì)三維有限元結(jié)構(gòu)模型在相應(yīng)位置加載對(duì)應(yīng)載荷，得到的計(jì)算情況如圖4所示。

圖4 中層吊裝平臺(tái)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果可得，中層吊裝平臺(tái)的最大應(yīng)力為172 MPa，最大位移量為19.3 mm。因此，中層吊裝平臺(tái)鋼圍堰施工的各結(jié)構(gòu)應(yīng)力與位移全都符合設(shè)計(jì)規(guī)定。

2.5 懸吊平臺(tái)的計(jì)算分析

懸吊平臺(tái)由雙HN900×300×16×28組成的扁擔(dān)梁、雙45a#工字鋼組成的分配梁、直徑40 mm的PSB785精軋螺紋鋼及配套的螺母和墊片、液壓控制系統(tǒng)等組成[10]。按最不利情況考慮，在油缸將首節(jié)鋼圍堰頂起、使首節(jié)圍堰完全脫離首層拼裝平臺(tái)對(duì)其的支撐作用的時(shí)候，鋼圍堰的自重通過分配梁及精軋螺紋鋼組成的傳力系將其自重載荷全部加載在懸吊平臺(tái)的扁擔(dān)梁上面。扁擔(dān)梁上面共設(shè)置有8臺(tái)液壓千斤頂，即8個(gè)吊點(diǎn)?？紤]到施工的安全性，每個(gè)吊點(diǎn)的力按17 t來計(jì)算。建立的有限元模型如圖5所示。

圖5 懸吊平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型圖

通過對(duì)三維有限元結(jié)構(gòu)模型在相應(yīng)位置加載對(duì)應(yīng)載荷，得到的計(jì)算情況如圖6所示。

圖6 懸吊平臺(tái)構(gòu)件計(jì)算情況

由結(jié)果可得，懸吊平臺(tái)的最大應(yīng)力為 25.8 MPa，最大位移2.07 mm。因此，懸吊平臺(tái)鋼圍堰施工的各結(jié)構(gòu)應(yīng)力與位移全都符合設(shè)計(jì)規(guī)定。

3 配梁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

3.1 下部分配梁計(jì)算分析

與首節(jié)鋼圍堰相連的下部分配梁由2根45a#雙拼工字鋼及厚度20 mm的墊片組成，主要是受首節(jié)鋼圍堰自重載荷傳遞的力。整個(gè)懸吊系統(tǒng)共設(shè)置8個(gè)吊點(diǎn)，每個(gè)吊點(diǎn)設(shè)置2根精軋螺紋鋼[11]，鋼圍堰的自重通過吊耳傳遞到下部分配梁，再通過與下部分配梁相連接的精軋螺紋鋼將力傳遞到上部分配梁上面，從而形成了一個(gè)完整的傳力體系。

根據(jù)鋼圍堰設(shè)計(jì)圖紙標(biāo)明的鋼圍堰每塊的設(shè)計(jì)重量，并考慮到施工的安全性，由鋼圍堰自重傳遞到下部分配梁上的單點(diǎn)受力按17 t計(jì)算。通過建立有限元模型，其應(yīng)力和位移結(jié)果如圖7所示。

圖7 下部分配梁計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可得，下部分配梁的最大應(yīng)力68.8 MPa，最大位移量0.056 mm。因此，下部分配梁的各結(jié)構(gòu)應(yīng)力與位移全都符合設(shè)計(jì)規(guī)定。

3.2 上部分配梁計(jì)算分析

與精軋螺紋鋼相連的上部分配梁由2根45a#雙拼工字鋼及厚度20 mm的墊片組成，主要是受首節(jié)鋼圍堰自重載荷傳遞的力。整個(gè)懸吊系統(tǒng)共設(shè)置8個(gè)吊點(diǎn)，每個(gè)吊點(diǎn)設(shè)置2根精軋螺紋鋼，鋼圍堰的自重通過吊耳傳遞到下部分配梁，再通過與下部分配梁相連接的精軋螺紋鋼將力傳遞到上部分配梁上面，從而形成了一個(gè)完整的傳力體系。

根據(jù)鋼圍堰設(shè)計(jì)圖紙標(biāo)明的鋼圍堰每塊的設(shè)計(jì)重量，并考慮到施工的安全性，由鋼圍堰自重傳遞到下部分配梁上的單點(diǎn)受力按17 t計(jì)算。通過建立有限元模型，其應(yīng)力和位移結(jié)果如圖8所示。

圖8 下部分配梁計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可得，上部分配梁的最大應(yīng)力83.8 MPa，最大位移量0.11 mm。因此，上部分配梁的各結(jié)構(gòu)應(yīng)力與位移全都符合設(shè)計(jì)規(guī)定。

3.3 精軋螺紋鋼的選型及計(jì)算分析

精軋螺紋鋼通過分配梁承受來自首節(jié)鋼圍堰的自重載荷。每根精軋螺紋鋼的單點(diǎn)受力按17/2=8.5 t計(jì)算，選用的精軋螺紋鋼等級(jí)為PSB785，其屈服強(qiáng)度值為785 MPa[12]。

由傳統(tǒng)公式M=F/A計(jì)算可得，選用的精軋螺紋鋼的直徑應(yīng)該不小于16.5 mm。而考慮到施工過程中的一些不確定性因素，以及施工過程中的安全問題，故選用直徑為40 mm的PSB785精軋螺紋鋼。

4 結(jié) 論

(1)通過有限元理論分析，建立了蚌埠市長淮衛(wèi)淮河大橋17#墩鋼圍堰支撐平臺(tái)的三維有限元模型，計(jì)算得出首層拼裝平臺(tái)、中層吊裝平臺(tái)、懸吊平臺(tái)以及各配梁的最大應(yīng)力和最大位移都在規(guī)定的數(shù)值內(nèi)，各構(gòu)件的應(yīng)力與位移全都符合設(shè)計(jì)需求。

(2)從分析流程能夠得出，本文對(duì)鋼圍堰支撐平臺(tái)的結(jié)構(gòu)分析簡明且恰當(dāng)；從分析的成果示意圖能夠快速地看到各部位的應(yīng)力、應(yīng)變情形，同時(shí)能迅速地找出最欠安的位置，以便有針對(duì)性地實(shí)施改進(jìn)，不但能確保平臺(tái)的穩(wěn)定，還能減少施工投入，為相似的工程提供了參照，具有較好的推廣價(jià)值。

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Stability analysis of steel cofferdam assembled platform under deepwater foundation condition

LIAO Yitian，CHEN Jiawen,QIN Yihong,LI Youran,LYU Linpeng

(CollegeofHydraulic&EnvironmentalEngineering,ThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China)

Construction platform acts as a temporary structure, its safety is the most important control point of the deepwater steel pipe pile support platform. In this paper a three-dimensional modeling of the steel cofferdam assembled platform is established by using the finite element software to solve the deepwater foundation engineering of Huaihe River Bridge in Bengbu Changhuaiwei；the stability of steel cofferdam assembled platform, medium lift platform and suspension platform are calculated. The results show that the stress and displacement of each structure meet the design requirements, and the safety and rationality of the steel cofferdam assembled platform is verified. At the same time, the finite element models of the lower distribution beam connected with the steel cofferdam and the upper distribution beam connected with the finish rolling steel are established；the structural stress and displacement of the upper and lower part of the beam are calculated to meet the design requirements, which proves that the stability of the beam structure meets the requirements.The research results have accumulated some experience in the construction of deepwater foundation, which will provide an important guiding role for the construction of deep water bridge across the river and the bay lake area.

deepwater foundation; construction platform; finite element; structure calculation

國家自然科學(xué)基金(51179095)

廖一天(1993-)，男，湖南婁底人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樗こ淌┕ぜ夹g(shù)。E-mail:1373657397@qq.com。

TV553;U445.55+1

A

2096-0506(2017)06-0001-06