大型雙壁鋼圍堰施工過程有限元分析

焦文容

（重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶 400016）

0 引言

雙壁鋼圍堰因其剛度大、穩(wěn)定性強以及適應(yīng)性強等優(yōu)點，在我國橋梁深水基礎(chǔ)建設(shè)中應(yīng)用廣泛[1]。相對于單壁鋼圍堰，雙壁鋼圍堰承受內(nèi)外側(cè)水位差的能力更強。但是在施工過程中，雙壁鋼圍堰所處的水下環(huán)境惡劣，受力情況復(fù)雜[2]。因此，本文結(jié)合某大橋雙壁鋼圍堰的設(shè)計，采用Midas/Civil對雙壁鋼圍堰進行有限元分析，以此來研究雙壁鋼圍堰在施工過程中的受力性能，保證在施工各階段結(jié)構(gòu)的安全性[3]。

1 圍堰設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)形式與尺寸

該橋主橋為斜拉橋，橋塔基礎(chǔ)采用先成圍堰后成樁的方案施工，圍堰采用雙壁鋼圍堰。圍堰相關(guān)設(shè)計如下：

該圍堰采用圓形雙壁鋼圍堰，平面尺寸為40×21.144×2m（外徑×高度×壁厚）。為方便抽（灌）水以及側(cè)壁灌注混凝土，將圍堰壁間的豎向隔艙分為12個封閉隔艙。

壁板沿高度方向的上中下段厚度分別為6mm、8mm和6mm。在刃腳1.25m范圍內(nèi)，壁板加強，厚度為20mm。內(nèi)外側(cè)壁板周圍設(shè)置豎向加勁肋，按外側(cè)間距為320mm成對設(shè)置，規(guī)格均為∠75 mm×75mm×8mm角鋼。內(nèi)外壁上對應(yīng)設(shè)有水平環(huán)板，環(huán)板間距為1.1m、1m和0.8m，環(huán)板厚度為20mm和25mm，并在下段設(shè)壁厚為25mm的環(huán)板加勁板。同一平面上的內(nèi)外水平環(huán)板間設(shè)有水平連桿，形成環(huán)形的水平桁架，使內(nèi)外井壁合成整體，水平連桿在上下段分別有兩個尺寸，為∠100mm×100mm×10mm角鋼和∠125mm×125mm×12mm角鋼。

圍堰內(nèi)無內(nèi)支撐，圍堰分兩層加工，一次下放。圍堰頂面標(biāo)高▽237m，最大設(shè)防水位▽236.5m，設(shè)計封底混凝土厚度為4.6m。圍堰結(jié)構(gòu)如圖1所示，材料參數(shù)見表1和表2。

圖1 鋼圍堰立面圖（單位：mm）

表1 材料參數(shù)表

表2 主要材料特征表

1.2 施工方案

圍堰采用先成圍堰后成樁基的方案進行施工。具體施工流程為：在圍堰范圍內(nèi)進行基坑開挖，搭設(shè)棧橋與作業(yè)平臺，進行圍堰下放支架的搭設(shè)，安裝圍堰下放導(dǎo)向裝置，圍堰拼裝，安裝下放系統(tǒng)（并試吊），圍堰下放，圍堰下放就位后側(cè)壁混凝土灌注，圍堰防沖刷工序施工，安裝樁基護筒，澆筑封底混凝土，樁基施工，抽水進行承臺施工。

2 有限元分析

2.1 荷載分析

在圍堰施工計算過程中，需要考慮的荷載有：相關(guān)結(jié)構(gòu)的自重、靜水壓力、動水壓力、風(fēng)荷載、鋼護筒握裹力。

（1） 自重

自重按照結(jié)構(gòu)實際重量考慮；在Midas/Civil 2015中直接添加即可自動計算。

（2） 靜水壓力

靜水壓力采用三角形分布，按照靜水壓力公式進行計算，不同水深對應(yīng)不同的水壓力。也可在Midas/Civil添加流體壓力荷載，通過輸入水的容重以及參考高度，就能自動計算出靜水壓力。

（3） 動水壓力

動水壓力，集度荷載按倒三角形施加，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》中4.3.9計算：

式中：R1為流水壓力標(biāo)準(zhǔn)值；γ為水的容重，取γ=10kV/m3；ν為流速， 取2.8m/s；g為重力加速度9.81m/s2；K為形狀系數(shù)，按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》[4]（JTG D60-2015表4.3.9）選取，因鋼圍堰為圓形結(jié)構(gòu)物，按表取K=0.8。

計算得出水流速度為3.4 m/s時，頂部壓強9.428kPa，河床處壓強為0。這里頂部壓強應(yīng)小于9.428 kPa，因為按照倒三角形施加荷載，荷載集中力應(yīng)在三角形2/3處位置，這里為方便計算，則取荷載作用位置在三角形1/2處，這樣計算結(jié)果也相對保守。

（4） 風(fēng)荷載

風(fēng)荷載僅施加于露出水面的部分，依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》[5]計算，計算公式如下：

式中：W0為基本風(fēng)壓，單位（N/m2）；Vs為基本風(fēng)速。 工作狀態(tài)的最大風(fēng)速為13.6m/s（6級風(fēng)），基本風(fēng)壓為0.116kN/m2；非工作狀態(tài)的最大風(fēng)速為38.4m/s（13級臺風(fēng)），基本風(fēng)壓為0.922kN/m2。

（5） 握裹力

鋼護筒握裹力取150kPa。

2.2 工況分析

在圍堰施工過程中，主要考慮如下工況：

工況1：采用支架系統(tǒng)對鋼圍堰進行整體下放。鋼圍堰在支架上進行拼裝，支架承受鋼圍堰的全部重量，對支架進行強度剛度的驗算，對支架底部施加固定約束；在下放過程中，鋼圍堰受風(fēng)荷載以及自重的作用，對圍堰進行驗算，約束設(shè)置為約束頂板豎向位移，側(cè)面施加對稱約束；

工況2：鋼圍堰在下放到位后，進行圍堰隔艙內(nèi)澆筑混凝土、澆筑封底混凝土。此時隔艙內(nèi)水以及圍堰內(nèi)水沒有被抽取，且與隔艙內(nèi)混凝土共同減輕了外側(cè)壁板的水壓，圍堰處于一個安全的狀態(tài)。因此，此階段可不進行計算；

工況3：在抽水位235.5m時，抽取圍堰內(nèi)水。此時，圍堰外側(cè)有強大的水壓力作用在圍堰的外壁上，但此時圍堰內(nèi)水被抽干，圍堰內(nèi)壁沒有水壓作用。圍堰內(nèi)外側(cè)的力局部處于一個不平衡的狀態(tài)，此時圍堰受力不利。約束設(shè)置為外側(cè)壁板底部施加豎向約束，兩側(cè)面分別施加相應(yīng)對稱約束；

工況4：若水位達(dá)到圍堰頂部237m，此時不能施工，處于渡洪階段。為使圍堰安全受力，將隔艙內(nèi)灌滿水，對圍堰進行驗算。約束設(shè)置與工況3相同。

圖2 鋼圍堰1/4模型

2.3 計算分析

2.3.1模型建立

采用大型通用有限元軟件Midas/Civil 2015軟件分析，內(nèi)外壁板采用板單元模擬，豎肋、角鋼環(huán)撐采用梁單元模擬，壁艙混凝土及封底混凝土均采用混凝土實體單元模擬，鋼圍堰采用1/4模型進行計算，計算模型如圖2所示。

2.3.2受力性能分析各工況荷載組合系數(shù)如表3所示。

表3 各工況荷載組合系數(shù)

圖3、圖4、圖5、圖6為工況3的部分結(jié)構(gòu)的應(yīng)力圖，其中壁板、水平撐、環(huán)板和豎肋的最大應(yīng)力分別為139.00MPa、77.73MPa、99.363MPa和102.02MPa。可以看出，這些結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力位置都出現(xiàn)在隔艙混凝土頂部附近。由圖6可以看出，在隔艙混凝土位置的豎肋已經(jīng)被刪除一部分，因為豎肋橫截面比較小，在隔艙混凝土頂面，豎肋在很大的靜水壓力下受到混凝土的限制，導(dǎo)致豎肋的局部應(yīng)力超過限值，在刪除部分豎肋之后，圍堰各結(jié)構(gòu)應(yīng)力都在容許范圍之內(nèi)。因此，豎肋在此工況下，部分豎肋應(yīng)力超過限值，在退出工作后，對結(jié)構(gòu)整體強度和剛度影響不大。計算結(jié)果如表4所示。

圖3 壁板Mises應(yīng)力云圖（MPa）

圖4 水平撐應(yīng)力云圖（MPa）

圖5 水平環(huán)板Mises應(yīng)力云圖（MPa）

圖6 豎肋應(yīng)力云圖（MPa）

表4 鋼圍堰各構(gòu)造應(yīng)力及變形計算結(jié)果（應(yīng)力/MPa、變形/mm）

由表4可以看出，雙壁鋼圍堰壁板、水平撐及豎肋最大應(yīng)力分為139.0MPa、77.7MPa和102.0MPa，小于容許應(yīng)力215MPa；最大變形分別為6.8mm、6.8mm和8.1mm，懸臂端構(gòu)件允許變形為L/500，圍堰看作豎直方向的懸臂構(gòu)件允許變形為L/500=40000/500=80mm；壁板強度和剛度均滿足要求。環(huán)板最大應(yīng)力為99.4MPa，小于容許應(yīng)力205MPa；最大變形為7.0mm，小于容許變形80mm。因此，雙壁鋼圍堰的強度和剛度均小于容許值，滿足要求。

2.3.3抗浮穩(wěn)定性分析

在鋼圍堰封底混凝土澆筑完畢后，抽水施工承臺，此時澆筑了封底混凝土的圍堰整體形成了一個巨型桶狀結(jié)構(gòu)，在水中受到向上的浮力F。這時需要通過鋼圍堰的自重G1、封底G2及隔艙混凝土G3的重量，鋼護筒的握裹力F0和隔艙內(nèi)水G4的重量來抵抗向上的浮力F。具體平衡方程為：

故圍堰抗浮滿足要求?？垢∠禂?shù)計算如表5所示。

表5 抗浮系數(shù)計算表（kN）

3 結(jié)論及建議

（1）運用有限元分析軟件Midas/Civil對某大橋雙壁鋼圍堰進行施工過程模擬并分析，從得出的結(jié)果可知圍堰在施工過程中強度和剛度均滿足規(guī)范要求。

（2）由表4可以看出，工況3是壁板、環(huán)板和水平撐的最不利工況，此時圍堰內(nèi)不灌水，圍堰主要受圍堰外側(cè)靜水壓力的作用，壁板、環(huán)板和水平撐最大應(yīng)力出現(xiàn)在這個階段。并且豎肋在隔艙混凝土頂?shù)奈恢玫膽?yīng)力很大，刪除部分豎肋后的分析結(jié)果滿足要求?？梢钥醋髫Q肋在應(yīng)力超過限值后，退出工作，結(jié)構(gòu)受力滿足要求。

（3）當(dāng)圍堰中水被抽干到施工承臺時，圍堰的抗浮穩(wěn)定性處于最差的狀態(tài)。但通過計算分析可以發(fā)現(xiàn)，此階段鋼圍堰的抗浮穩(wěn)定性仍滿足施工要求。

責(zé)任編輯：劉艷萍

施工安全

施工電梯圍護外架搭設(shè)方法

高層建筑施工時，一般都要使用外用電梯，而外用施工電梯的圍護外架是保證外用電梯正常使用的重要構(gòu)造。根據(jù)《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：常用密目式安全立網(wǎng)全封閉雙排腳手架的允許搭設(shè)高度不宜超過50m，高度超過50m的雙排腳手架應(yīng)采用分段搭設(shè)等措施。目前，在很多高層建筑施工過程中，使用的外用電梯雙排鋼管圍護外架的搭設(shè)高度在主體結(jié)構(gòu)的18層左右時一般都超過了50m，有些外用電梯雙排鋼管圍護架能一直搭設(shè)到主體結(jié)構(gòu)的32～34層，其搭設(shè)高度甚至超過了100m，造成了安全隱患。

正確搭設(shè)施工外用電梯圍護架可采用以下三種方法。

（1）在外用電梯不超過50m的搭設(shè)高度范圍內(nèi)采用落地式鋼管雙排架體，超過50 m范圍采用懸挑鋼管雙排架圍護架體。

（2）在一二層搭設(shè)落地式鋼管雙排圍護架體，3層以上每8層搭設(shè)一次懸挑鋼管雙排架圍護架體。

（3）從首層開始搭設(shè)懸挑鋼管雙排圍護架體，以后每8層搭設(shè)一次懸挑鋼管雙排架圍護架體。

通過采用以上三種外用電梯圍護架體的搭設(shè)方法，既滿足《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》的要求，又可排除外用電梯圍護架體不規(guī)范搭設(shè)而造成的安全隱患。