基于MIDAS CIVIL的鋼板樁圍堰整體模型簡易建模方法研究

程金雄

摘要：對于水上橋梁基礎(chǔ)施工，鋼板樁圍堰是保證深基坑施工質(zhì)量的可靠技術(shù)，圍堰的可靠性直接影響工程質(zhì)量和施工人員的人身安全。本文結(jié)合武漢市仙女山路（墨水湖北路—四新南路）工程水下承臺施工，介紹了水下深基坑鋼板樁圍堰整體模型采用MIDAS CIVIL的兩種建模方法對比，針對本項目建立的模型，計算分析了簡易建模方法，結(jié)果表明：簡易建模方法對于一些簡單支撐的圍堰完全能滿足其要求，對建模技術(shù)水平要求不高，荷載及邊界施加時選取節(jié)點方便，為同類工程提供了一定的借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：鋼板樁圍堰;整體建模;MIDAS CIVIL

中圖分類號：TV551.3 ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

鋼板樁具有強度大、施工速度快、可重復(fù)利用、防水及經(jīng)濟效益好、可組成各種形狀等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在市政、公路、水利等基礎(chǔ)建設(shè)工程中。對于水上橋梁基礎(chǔ)，往往通過圍堰來形成臨時結(jié)構(gòu)并輔助施工，而圍堰的設(shè)計及計算，基本都由施工單位自行完成，且圍堰的可靠性對于施工人員的人身安全至關(guān)重要，隨著有限元分析方法的發(fā)展，MIDAS CIVIL對于橋梁臨時結(jié)構(gòu)的模擬計算逐漸被業(yè)內(nèi)人士認可，通過建立整理模型，針對鋼板樁圍堰在不同工況下的受力狀況進行分析，這種方法相比經(jīng)驗計算更精確可靠。

本文以武漢市仙女山路（墨水湖北路—四新南路）工程1號橋某主墩基礎(chǔ)施工為例，介紹了兩種鋼板樁圍堰整體建模方法，運用MIDAS CIVIL軟件對鋼板樁、圍檁、內(nèi)支撐等結(jié)構(gòu)進行驗算，為同類工程提供了借鑒和參考。

1 工程概況

武漢市仙女山路（墨水湖北路—四新南路）工程1號橋主橋為五跨連續(xù)變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋，其跨徑布置為30 m+3×50 m+30 m，總跨徑210 m，主墩承臺位于龍陽湖上，本文僅以3號墩作為計算對象進行分析，承臺尺寸為8.4×7.5×3 m方形承臺，一個承臺下布置鉆孔灌注樁4根，樁徑1.8 m，樁長30 m。

龍陽湖常水位19.5 m，水深1～3 m，勘測期間平均水深1.4 m，3號墩處湖底淤泥頂標高18.05 m，水深1.45 m，承臺設(shè)計低于湖底約1 m，全部位于河床下，承臺頂標高17.7 m，封底混凝土厚為1 m，承臺厚3 m，基坑底標高13.7 m。

2 鋼板樁圍堰設(shè)計

2.1 地質(zhì)情況

根據(jù)地勘報告，場地3號墩處土層情況如表1所示.

2.2 圍堰結(jié)構(gòu)及材料特性

根據(jù)經(jīng)驗及初步測算，結(jié)合場地條件、施工工藝、地質(zhì)情況等因素，該處基坑采用12 m長拉森IV型鋼板樁+一道內(nèi)支撐的支護體系，基坑離承臺襟邊1 m作為施工空間，鋼板樁圍堰整體尺寸為11.4 m×10.5 m，圍檁采用HM350*350型鋼，內(nèi)支撐采用273*7圓管，材料均為Q235。材料特性如表2及3所示。

鋼板樁圍堰及地層相對關(guān)系的平面圖如圖4所示。

3 兩種整體模型建模方法

通過MIDAS CIVIL建立鋼板樁圍堰模型的方法很多，其中最簡易的方法是建立一根鋼板樁模型進行受力分析，此種方法對于圍檁和支撐的模擬程度不夠，還需結(jié)合手算[1];第二種方法是在第一種方法的基礎(chǔ)上將鋼板樁進行拓展，采用梁單元進行模擬，相比第一種方法可以將圍檁和支撐整體模型建立起來;第三種是采用鋼板樁圍堰輪廓進行線單元到板單元的擴展，采用板單元進行模擬，這種方法節(jié)點多，建模過程較前兩種方法相對復(fù)雜[2]。

3.1 采用板單元建立整體模型

采用CAD DXF文件導(dǎo)入至MIDAS CIVIL建立線單元，再通過拓展命令，建立鋼板樁圍堰整體模型。

3.2 采用梁單元建立簡易整體模型

采用該方法建立模型后節(jié)點2 626個，單元2 732個，在進行邊界及荷載施加時比較復(fù)雜，建模容錯率較低。鋼板樁、圍檁、支撐全部采用梁單元進行模擬，首先需要定義一個板樁模型，為方便計算和選取，我們可以采用矩形板樁模擬鋼板樁，定義板樁寬B=1 m，H=0.34 m（0.34 m為兩片鋼板樁扣緊之后的疊加厚度），然后通過調(diào)整截面板材抗彎截面模量與鋼板樁一致，如圖7所示。

將板樁面積、抗彎截面模量與鋼板樁自身參數(shù)設(shè)置為一致，一方面能保證鋼材的自重數(shù)據(jù)，另一方面能保證板樁的抗彎能力，這兩個參數(shù)都是計算的重要依據(jù)。

具體過程如下：先建立1/4模型，再通過鏡像形成整體模型，底部約束Z方向位移，主動土壓力采用連續(xù)梁單元荷載進行模擬，被動土壓力采用土彈簧進行模擬，土彈簧參數(shù)通過m法進行計算得到，采用這種方法建立模型后節(jié)點總數(shù)598個、單元總數(shù)556個。相比“線單元拓展板單元”模擬方法，邊界條件設(shè)置、荷載添加都比較方便，只是整體模型上不如“線單元拓展板單元”模擬方法更形象美觀，但是不影響計算結(jié)果，且荷載及邊界施加完成后清晰明了，對于施加錯誤，模型修改也比較方便。

4 簡易模型計算結(jié)果

4.1 荷載組合及工況

自重取計算系數(shù)-1，模型自動計算;靜水壓力，水深1.45 m，密度1 t/m3;荷載組合：標準值=自重+土壓力標準值+水壓力標準值、設(shè)計值=1.2×自重+1.4×外部水壓力標準值+1.2×土壓力標準值;計算工況：根據(jù)本項目實際情況，開挖至封底混凝土底標高時為最不利工況，項目封底采用干封底技術(shù)，該處開挖深度為最深，即基坑內(nèi)抽水挖泥至標高13.7 m，澆筑封底混凝土之前[3]。

4.2 位移及應(yīng)力計算結(jié)果

取鋼板樁圍堰系統(tǒng)位移和應(yīng)力的最大值，鋼板樁位移和應(yīng)力最大值如圖8、9所示。

通過穩(wěn)定性計算，在該圍堰嵌固深度下穩(wěn)定性系數(shù)滿足規(guī)范要求：

封底砼采用干作業(yè)施工，抽水后開挖至設(shè)計標高進行干封底，設(shè)計封底砼厚度為1 m，封底混凝土厚度以混凝土抗拉強度進行驗算，取兩根樁基間距寬1 m、高為h的混凝土梁為計算單位，則混凝土所受拉應(yīng)力應(yīng)滿足：

其中，

參考《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》（CECS137-2015）浮力取分項系數(shù)1.27，自重取分項系數(shù)1.0，C20混凝土容許拉應(yīng)力為1.06 MPa，解方程得h=0.864 m，按照厚度驗算取封底砼厚度1 m能夠滿足要求。

5 結(jié)語

文中詳細介紹了采用MIDAS CIVIL的兩種鋼板樁圍堰整體模型建模方法，可以看出，采用“線單元拓展板單元”模擬方法明顯比采用自定義板樁模擬方法要復(fù)雜，節(jié)點單元多，要求的建模技術(shù)也更高;針對第二種簡易整體模型建模方法，以武漢市仙女山路（墨水湖北路—四新南路）工程3號墩實際情況為例進行了建模分析，主要分析圍堰鋼板樁、圍檁和支撐的應(yīng)力及位移狀況，并對危險工況進行了計算，通過計算得到危險工況下的樁體應(yīng)力、變形圖，結(jié)果表明該簡易建模方法對于一些簡單支撐的圍堰完全能滿足其要求，而且建模技術(shù)要求不高，荷載及邊界施加時選取節(jié)點方便，對類似工程具有一定的借鑒意義[4]。

對于比較復(fù)雜的深大基坑，若要求建立封底混凝土實體模型和對施工階段進行模擬，則需要進行線單元→面單元→實體單元的拓展建模方法，此種情況下可采用文中第三種建模方法，對建模人的要求相對高一些，也比較形象方便。

（責任編輯：武多多）

參考文獻：

[1]龔曉楠.深基坑工程設(shè)計施工手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2018.

[2]GB50017，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中華人民共和國建設(shè)部，2003.

[3]錢靚，王昕明.大型橋梁水下深基坑鋼板樁圍堰設(shè)計與施工[J].湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2018，18（06）：5-8.

[4]武漢市仙女山路（墨水湖北路—四新南路）工程施工組織設(shè)計.