公路橋梁中雙壁鋼吊箱圍堰的設(shè)計(jì)與受力分析

鄧 海,許宏偉,李 勇

(1.石家莊鐵道大學(xué)道路與鐵道工程安全保障教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院,河北 石家莊 050043)

隨著公路橋梁工程的快速發(fā)展，雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)在深水基礎(chǔ)施工中被廣泛應(yīng)用，尤其是在沿海等外部環(huán)境較為復(fù)雜的區(qū)域[1]，其整體制造和安裝水平，將在很大程度上決定了橋梁工程中主體結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量和使用壽命[2]。在我國(guó)公路橋梁建設(shè)數(shù)量不斷增多、跨度不斷增大的背景下，雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)作為橋梁的深水基礎(chǔ)，其制造設(shè)計(jì)和施工等變得尤為重要，尤其是在復(fù)雜海洋環(huán)境下的雙壁鋼吊箱圍堰的受力更加復(fù)雜(風(fēng)力、靜水壓力和波浪力等)[3]。然而，目前對(duì)于跨海橋梁中雙壁鋼吊箱圍堰的受力分析方面的研究較少，具體各個(gè)構(gòu)件的變形情況等都不清楚[4]。本文基于復(fù)雜海洋環(huán)境下雙壁鋼吊箱圍堰的使用現(xiàn)狀，通過(guò)有限元軟件對(duì)雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行了變形和受力分析，研究結(jié)果為復(fù)雜海洋環(huán)境下雙壁鋼吊箱圍堰的設(shè)計(jì)、安裝、施工和安全防護(hù)提供參考。

1 雙壁鋼吊箱圍堰的基本參數(shù)

1.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范

在對(duì)公路橋梁中的雙壁鋼吊箱圍堰進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),所采用的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范主要包括：JTG 3362-2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》、JT/T 1130-2017 《橋梁支座灌漿材料 》、QB/B 5001-2013《橋梁工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》、JTJ215-98《港口工程荷載規(guī)范》、JTS 145-2-2013《海港水文規(guī)范》、JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》、GB50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、SL744-2016《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》 、DB41∕T 1085-2015《公路橋涵和隧道工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制》、DB41∕T 696-2011《公路波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋支架法施工技術(shù)規(guī)范》和JT∕T 710-2008 《公路橋涵用波形鋼板》。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，雙壁鋼吊箱圍堰所用的鋼材選用Q355型鋼，屈服強(qiáng)度為385 MPa，抗拉強(qiáng)度為565 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為25%，0℃沖擊功為62J。根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范要求[5]，鋼材的容許應(yīng)力分別為：剪應(yīng)力 95 MPa、彎曲應(yīng)力165 MPa、端面承壓235 MPa。雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)的封底采用市場(chǎng)上常見(jiàn)的C30混凝土，其允許壓應(yīng)力和拉應(yīng)力分別為10 MPa和1.44 MPa。

1.2 雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)的荷載

本文設(shè)計(jì)的雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)位于沿海地區(qū)某公路橋梁段，由于外部環(huán)境較為復(fù)雜，采用有限元計(jì)算過(guò)程中需要同時(shí)考慮風(fēng)荷載、水荷載和浮力荷載等[6]。由于本文設(shè)計(jì)的雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)所處取樣地風(fēng)速基本在7級(jí)以下，在圍堰非施工條件下，最大風(fēng)速不高于37.0 m/s。因此設(shè)計(jì)風(fēng)荷載為1.590 kPa。靜水壓力按照水位高度進(jìn)行計(jì)算：①高水位：10 a一遇的靜水壓力，4.18 m+1/2波浪高-圍堰底標(biāo)高；②低水位：10 a一遇的靜水壓力，-3.60 m-1/2波浪高-圍堰底標(biāo)高；③波浪力設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，圖1為圍堰波浪力受力分布圖，表1中分別列出了安裝和下放、10 a一遇、100 a一遇情況下的波浪力計(jì)算結(jié)果，即在有限元模擬過(guò)程中按照表1的均布載荷進(jìn)行分析；④水流力：長(zhǎng)寬比為1.0、1.5、2.0和2～3時(shí)對(duì)應(yīng)的水流阻力系數(shù)分別為1.50、1.45、1.30和1.10；⑤浮托力：高潮和低潮時(shí)對(duì)應(yīng)的浮托力分別為3.4 kN/m2和2.4 kN/m2；⑥焊接鋼筋剪力環(huán)前的粘結(jié)力和環(huán)后的粘結(jié)力分別按150 kN/m2和300 kN/m2計(jì)算[7]；⑦封底混凝土自重設(shè)置為24 kN/m3。在對(duì)雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析時(shí)，根據(jù)實(shí)際工況選取了合適荷載進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，其中，圍堰下放的工況為：水流力(1.5 m/s)+波浪力(2.5 m波高)+風(fēng)荷載(7級(jí))+自重(24 kN/m3)；封底混凝土的荷載組合為10 a一遇的波浪力+浮力+自重。

圖1 圍堰波浪力受力分布圖Figure 1 Distribution of wave force on cofferdam

表1 波浪力計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of wave force工況浪高/ m周期/ s橫向波浪力/kN縱向波浪力/ kN安裝和下放2.615.94 8301 39010 a一遇5.557.914 6104 210100 a一遇7.4010.323 2106 690

1.3 有限元建模

采用 Midas-FEA有限元軟件進(jìn)行有限元模擬[8]。模型建立主要包括：①矩形側(cè)板尺寸為32 m×19.8 m，標(biāo)高-4.2 m，板厚12 m；②底板板厚6 mm；③內(nèi)支撐和圍梁都為2層，前者采用Φ600 mm、厚10 mm鋼管和(700×300)mm型鋼，后者頂層和底層分別為(1 000×650)mm和(1 050×650)mm型鋼；④底龍骨選用(450×300)mm型鋼；⑤封底懸掛的橫梁和縱梁分別為(880×350)mm和(600×295)mm型鋼，吊桿為Φ38 mm鋼拉桿；⑥限位系統(tǒng)采用(480×480)mm和(280×280)mm型鋼制成的工字梁；⑦剛性鋼拉桿以(300×300)mm型鋼作為截面；⑧隔艙板選用(980×300×15×10)mm工字鋼結(jié)構(gòu)。圖2為雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)的有限元模型邊界示意圖。

圖2 雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)的有限元模型邊界Figure 2 Finite element model boundary of double wall steel box cofferdam structure

2 模擬結(jié)果與分析

圖3雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)的模型圖與荷載示意圖。分別列出了雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)的荷載示意圖、有限元模型剖面圖、風(fēng)荷載、水流荷載以及橫向和縱向波浪力示意圖。

圖4為雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)的整體受力模型。通過(guò)Midas-FEA有限元軟件分析可知，雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)中變形最嚴(yán)重的區(qū)域位于圍堰中部的內(nèi)支撐區(qū)域，該處的變形達(dá)到26.36 mm，在實(shí)際設(shè)計(jì)和安裝過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先注意加強(qiáng)這部分的保護(hù)，并盡可能減小圍堰中部?jī)?nèi)支撐區(qū)域的變形[9]。

圖5為雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)的不同構(gòu)件的受力模型,包括：圍堰結(jié)構(gòu)側(cè)板和底板、圍堰結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐和梁、圍堰結(jié)構(gòu)底龍骨、封底吊掛、圍堰結(jié)構(gòu)拉桿和限位系統(tǒng)以及隔艙板。

(a)荷載示意圖

(b)模型剖面圖

(c)風(fēng)荷載

(d)水流力

(e)橫向波浪力

(f)縱向波浪力

圖4 雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)的整體受力模型Figure 4 Overall stress model of double wall steel box cofferdam structure

通過(guò)有限元模擬可以得到實(shí)際工況條件下公路橋梁中雙臂鋼吊箱圍堰構(gòu)件的變形情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。由表可知雙臂鋼吊箱圍堰構(gòu)件中側(cè)板、底板、內(nèi)支撐、圍梁、底部龍骨、封底吊掛、拉壓桿和圍堰限位的最大變形分別為10.66、3.16、26.36、9.72、3.59、6.25、6.48、6.58 mm，對(duì)應(yīng)最大變形所在的部位分別為短邊底端下部中間區(qū)域、短邊與長(zhǎng)邊交界處、內(nèi)支撐中心區(qū)域、短邊中間區(qū)域、長(zhǎng)邊中間區(qū)域、靠近圍堰短邊的區(qū)域、短邊與長(zhǎng)邊交界處的上部以及短邊與長(zhǎng)邊交界處的短邊區(qū)域。對(duì)比分析可知，雙臂鋼吊箱圍堰構(gòu)件中變形最大的區(qū)域位于內(nèi)支撐，這與整體模型分析結(jié)果一致。

(a)側(cè)板

(b)底板

(c)內(nèi)支撐

(d)梁

(e)底龍骨

(f)封底吊掛

(g)拉桿

(h)限位系統(tǒng)

(i)隔艙板

表2 實(shí)際工況條件下公路橋梁中雙臂鋼吊箱圍堰構(gòu)件的變形情況Table 2 Deformation of double arm steel box cofferdam components in highway bridges under actual working conditions圍堰構(gòu)件名稱(chēng)最大變形/mm對(duì)應(yīng)最大變形所在的部位側(cè)板10.66短邊底端下部中間區(qū)域底板3.16短邊與長(zhǎng)邊交界處內(nèi)支撐26.36內(nèi)支撐中心區(qū)域圍梁9.72短邊中間區(qū)域底部龍骨3.59長(zhǎng)邊中間區(qū)域封底吊掛6.25近圍堰短邊拉壓桿(剛性)6.48交界處圍堰限位6.58短邊和長(zhǎng)邊交界處的短邊區(qū)域

通過(guò)有限元模擬可以得到實(shí)際工況條件下公路橋梁中雙臂鋼吊箱圍堰構(gòu)件的板單元最大應(yīng)力，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知對(duì)于側(cè)板結(jié)構(gòu)，按照Von-Mises準(zhǔn)則[10]和Tresca準(zhǔn)則[11]的最大應(yīng)力分別為46.48 MPa和26.16 MPa；對(duì)于底板結(jié)構(gòu)，按照Von-Mises準(zhǔn)則和Tresca準(zhǔn)則計(jì)算得到的最大應(yīng)力分別為16.53 MPa和9.21 MPa。可見(jiàn)，側(cè)板結(jié)構(gòu)承受的最大應(yīng)力都高于底板結(jié)構(gòu)的。

表3 實(shí)際工況條件下公路橋梁中雙臂鋼吊箱圍堰構(gòu)件的板單元最大應(yīng)力Table 3 Maximum stress of plate element of double arm steel suspension box cofferdam component in highway bridge under actual working condition構(gòu)件名稱(chēng)最大應(yīng)力(Von-Mises)/ MPa最大應(yīng)力(Tresca)/ MPa側(cè)板46.4826.16底板16.539.21

通過(guò)有限元模擬可以得到實(shí)際工況條件下公路橋梁中雙臂鋼吊箱圍堰構(gòu)件的梁?jiǎn)卧M合應(yīng)力值，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，雙臂鋼吊箱圍堰構(gòu)件中內(nèi)支撐(A)、圍梁(B)、底部龍骨(C)、封底吊掛(D)、拉壓桿(E)、圍堰限位(F)和隔艙板(G)的組合應(yīng)力最大的位置在圍堰限位區(qū)域，對(duì)應(yīng)最大應(yīng)力為89.26 MPa，而拉壓桿的應(yīng)力最小為

表4 實(shí)際工況條件下公路橋梁中雙臂鋼吊箱圍堰構(gòu)件的梁?jiǎn)卧M合應(yīng)力值Table 4 Combined stress value of beam element of double arm steel suspension box cofferdam component in highway bridge under actual working condition構(gòu)件名稱(chēng)組合應(yīng)力Max/ MPa拉應(yīng)力壓應(yīng)力A43.48-53.73B45.00-44.92C57.55～64.17D39.77-34.03E9.59-4.27F84.53-89.26G52.71-38.11

4.27 MPa。整體而言，公路橋梁中雙臂鋼吊箱圍堰構(gòu)件的應(yīng)力和變形都較小，在目前的區(qū)域使用是相對(duì)安全的[12]，但是在變形和承受最大應(yīng)力的區(qū)域，如內(nèi)支撐、底龍骨等區(qū)域，仍然是后期施工和安裝需要著重注意的區(qū)域，建議采用局部加強(qiáng)的方式進(jìn)行。

3 結(jié)論

a.通過(guò)Midas-FEA有限元軟件分析可知，雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)中變形最嚴(yán)重的區(qū)域位于圍堰中部的內(nèi)支撐區(qū)域，該處的變形達(dá)到26.36 mm，在實(shí)際設(shè)計(jì)和安裝過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先注意加強(qiáng)這部分的保護(hù)。

b.雙臂鋼吊箱圍堰構(gòu)件中側(cè)板、底板、內(nèi)支撐、圍梁、底部龍骨、封底吊掛、拉壓桿和圍堰限位的最大變形分別為10.66、3.16、26.36、9.72、3.59、6.25、6.48、6.58 mm，對(duì)應(yīng)最大變形所在的部位分別為短邊底端下部中間區(qū)域、短邊與長(zhǎng)邊交界處、內(nèi)支撐中心區(qū)域、短邊中間區(qū)域、長(zhǎng)邊中間區(qū)域、靠近圍堰短邊的區(qū)域、短邊與長(zhǎng)邊交界處的上部以及短邊與長(zhǎng)邊交界處的短邊區(qū)域。

c.對(duì)于側(cè)板結(jié)構(gòu)，按照Von-Mises準(zhǔn)則和Tresca準(zhǔn)則計(jì)算得到的最大應(yīng)力分別為46.48 MPa和26.16 MPa；對(duì)于底板結(jié)構(gòu)，按照Von-Mises準(zhǔn)則和Tresca準(zhǔn)則計(jì)算得到的最大應(yīng)力分別為16.53MPa和9.21 MPa。

d.雙臂鋼吊箱圍堰構(gòu)件中側(cè)板、底板、內(nèi)支撐、圍梁、底部龍骨、封底吊掛、拉壓桿、圍堰限位和隔艙板的組合應(yīng)力最大的位置在圍堰限位區(qū)域，對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力為89.26 MPa，而拉壓桿的應(yīng)力最小，為4.27 MPa。