基于Midas Civil有限元軟件分析鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)

彭文禮

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

目前，鋼板樁與內(nèi)支撐組成的圍堰結(jié)構(gòu)體系由于具有良好的穩(wěn)定性，施工技術(shù)也成熟，因此在基坑支護(hù)中被廣泛應(yīng)用。但為保證圍堰結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性，滿足施工要求，避免失事，對圍堰設(shè)計(jì)驗(yàn)算很有必要。橋梁工程中，水中墩采用鋼板樁圍堰有很多優(yōu)點(diǎn)，如強(qiáng)度高、防水性好、施工簡單、成本低且安全可靠、占有河道面積范圍小，而且不影響排洪等[1]。

1 工程概況

鋼板樁具有施工速度快，經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工程中[2]，并且技術(shù)已經(jīng)很成熟[3-4]，靖遠(yuǎn)金灘黃河大橋主橋?yàn)?100+168+100)m矮塔斜拉橋。本項(xiàng)目跨越黃河，與其他河流無交叉，黃河的特點(diǎn)是“水少沙多”，全河多年平均天然徑流量580億m3，本段黃河歷史最大流量為6800 m3/s，河水含砂量大。由于季風(fēng)氣候的影響，黃河水量有明顯的季節(jié)變化，從前一年的12月到當(dāng)年的4月份為枯水期，月平均流量大都在500 m3/s以下，小于年平均流量的5%，6月份開始進(jìn)入汛期，7月～9月份是黃河的洪水季，月平均流量在1800 m3/s～2000 m3/s，三個(gè)月的徑流量占年徑流量的47.3%，10月以后，隨著降水減少，水量逐漸退落，至第二年的2、3月達(dá)到最小。

橋墩7號主墩平面尺寸為33.7 m×15.7 m，圍堰采用拉森Ⅳ鋼板樁形式，承臺厚度5.0 m。承臺頂高程+1385.306 m，底+1380.306 m。7#墩承臺施工基坑支護(hù)用鎖扣鋼管樁圍堰，圍堰平面尺寸為36.8 m×18.4 m，共設(shè)278根拉森4鋼板樁，圍堰內(nèi)設(shè)3層圍檁、內(nèi)支撐體系。第一層圍檁系統(tǒng)采用2HN600×200型鋼(Q235b鋼),第二層圍檁系統(tǒng)采用2HN700×300型鋼(Q235b鋼)，第三層圍檁系統(tǒng)采用2HN700×300型鋼(Q235b鋼)，鋼板樁長21 m。圍堰按干開挖方式實(shí)施，圍堰底澆筑50 cm厚混凝土墊層。7#墩圍堰內(nèi)支撐系統(tǒng)構(gòu)建規(guī)格見表1。

表1 主墩7#墩圍堰內(nèi)支撐系統(tǒng)構(gòu)建規(guī)格表

主橋7號、8號墩位于主河槽內(nèi)。橋墩采用橫向設(shè)置三肢實(shí)體墩身，中肢5 m×7 m矩形截面，承臺尺寸為15.7 m×33.7 m×5 m。承臺底布置18根2.2 m的樁基礎(chǔ)，樁長60 m。每根樁在周圍四點(diǎn)處布設(shè)Φ50 mm超聲波檢測管四根，供成樁質(zhì)量檢測使用，樁基沉渣厚度不應(yīng)超過5 cm。圍堰及承臺樁基的立面圖與平面圖分別見圖1與圖2。

圖1 圍堰立面布置圖

圖2 圍堰平面布置圖

2 圍堰施工步驟及結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1 圍堰施工步驟

圍堰具體施工步驟如下：

(1)圍堰四周泥面開挖，清理平整，防止圍堰兩側(cè)出現(xiàn)土壓力差；

(2)安裝導(dǎo)向架，引孔，孔內(nèi)回填砂袋；

(3)沿已引孔完成區(qū)域打設(shè)鋼板樁直至合攏；

(4)在低水位安裝第一層圍檁、內(nèi)支撐；

(5)圍堰內(nèi)抽水，開挖至+1386.506 m，安裝第二層圍檁、內(nèi)支撐；

(6)待第二層安裝完成后圍堰內(nèi)降水，開挖至+1383.006 m，安裝第三層圍內(nèi)支撐；

(7)第三層圍檁、內(nèi)支撐完成施工以后圍堰內(nèi)降水開挖至基坑底(承臺下0.5 m)；

(8)澆筑封底層0.5 m，找平等強(qiáng)；破除樁頭，安裝模板，綁扎鋼筋，施工承臺；

(9)圍堰內(nèi)回填粗砂，并澆筑一層冠梁(50 cm)至承臺頂；

(10)持續(xù)施工至出水，回水拆除圍堰內(nèi)圍檁、內(nèi)支撐系統(tǒng)；

(11)拔出鋼板樁圍堰，完成施工。

2.2 圍堰結(jié)構(gòu)參數(shù)

圍堰設(shè)計(jì)時(shí)的主要參數(shù)見表2。

表2 圍堰設(shè)計(jì)參數(shù)

鋼板樁設(shè)計(jì)時(shí)的主要參數(shù)見表3。

表3 鋼板樁設(shè)計(jì)參數(shù)

3 模型建立

圍堰采用Midas Civil空間有限元軟件對其整體進(jìn)行建模，封底混凝土采用實(shí)體單元模擬，鋼板樁、內(nèi)支撐系統(tǒng)采用梁單元模擬，對桿件賦予自有的材料和相應(yīng)的截面特性，鋼管樁入土部分根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)規(guī)范要求以土彈簧約束加以模擬，圍檁與鋼管樁圍堰采用剛性連接，圍檁與內(nèi)支撐間采用共節(jié)點(diǎn)連接。7#圍堰處地址主要為卵石、泥質(zhì)砂巖，具體土層參數(shù)見表4，整體有限元模型如圖3。整體模型共計(jì)18488個(gè)節(jié)點(diǎn)，共計(jì)16702個(gè)單元，其中梁單元3805個(gè)，板單元8981個(gè)，實(shí)體單元3916個(gè)。

表4 7#墩土層參數(shù)表

圖3 圍堰整體模型圖

4 內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 第一道內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1.1 強(qiáng)度及剛度

結(jié)合計(jì)算模型，安裝第一層圍檁后，第一層內(nèi)支撐受力最不利，最大反力為87.4 kN/m；Q235鋼材的允許應(yīng)力為[σ]=145 MPa，[τ]=85 MPa，拉森Ⅳ鋼板樁允許應(yīng)力為[σ]=210 MPa，[τ]=120 MPa，查詢計(jì)算結(jié)果可知，內(nèi)支撐最大組合應(yīng)力為71.5 MPa，最大剪應(yīng)力為17.7 MPa，內(nèi)支撐強(qiáng)度與剛度均滿足要求。

4.1.2 穩(wěn)定性

圍檁穩(wěn)定性滿足要求。

對撐及角撐穩(wěn)定性滿足要求。

4.2 第二道內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.2.1 強(qiáng)度及剛度

結(jié)合計(jì)算模型，安裝第一層圍檁后，第一層內(nèi)支撐受力最不利，最大反力為379.4 kN/m；Q235鋼材的允許應(yīng)力為[σ]=145 MPa，[τ]=85 MPa，拉森Ⅳ鋼板樁允許應(yīng)力為[σ]=210 MPa，[τ]=120 MPa，查詢計(jì)算結(jié)果可知，內(nèi)支撐最大組合應(yīng)力為119.8 MPa，最大剪應(yīng)力為57.6 MPa，內(nèi)支撐強(qiáng)度與剛度均滿足要求。

4.2.2 穩(wěn)定性

對撐穩(wěn)定性滿足要求。

φ=0.978，角撐最大軸力N=1934.6 kN，最大彎矩M=48.3 kN·m，角撐穩(wěn)定性滿足要求。

4.3 第三道內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.3.1 強(qiáng)度及剛度

結(jié)合計(jì)算模型，安裝第三層圍檁后，第三層內(nèi)支撐受力最不利，最大反力為682.8 kN/m；Q235鋼材的允許應(yīng)力為[σ]=145 MPa，[τ]=85 MPa，拉森Ⅳ鋼板樁允許應(yīng)力為[σ]=210 MPa，[τ]=120 MPa，查詢計(jì)算結(jié)果可知，內(nèi)支撐最大組合應(yīng)力為125.5 MPa，最大剪應(yīng)力為68.6 MPa，內(nèi)支撐強(qiáng)度與剛度均滿足要求。

4.3.2 穩(wěn)定性

圍檁穩(wěn)定性滿足要求。

對撐穩(wěn)定性滿足要求。

角撐穩(wěn)定性滿足要求。

5 圍堰監(jiān)測

為確保施工的安全，臨時(shí)結(jié)構(gòu)的施工離不開監(jiān)測，同時(shí)也要及時(shí)了解圍堰變形情況，判斷結(jié)構(gòu)受力的安全性以采取應(yīng)變的措施，并可以應(yīng)用到類似工程中，作為指導(dǎo)施工的依據(jù)。

5.1 監(jiān)測內(nèi)容

5.1.1 鋼板樁自身變形

鋼板樁自身會(huì)有一定的變形，其屈服強(qiáng)度與穩(wěn)定性是判斷能否滿足設(shè)計(jì)要求的重要依據(jù)，同時(shí)有助于了解該施工區(qū)域土層的穩(wěn)定性特征。

5.1.2 鋼支撐軸力

鋼支撐體系遭到破壞或者失穩(wěn)，勢必會(huì)給圍堰帶來嚴(yán)重的后果，實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測內(nèi)支撐的受力情況，進(jìn)而評估鋼圍堰的穩(wěn)定性及可靠性。

5.2 監(jiān)測方法

鋼板樁、圍檁及橫撐的應(yīng)力監(jiān)測時(shí)，選一根鋼板樁，將表面應(yīng)變計(jì)點(diǎn)焊至鋼板樁內(nèi)力最大位置處。應(yīng)變計(jì)在鋼板樁內(nèi)側(cè)豎向布置，在圍檁橫撐上橫向布置。

鋼板樁位移監(jiān)測分為豎向位移和水平位移，豎向位移監(jiān)測采用水準(zhǔn)儀監(jiān)測，在以上選定的鋼板樁頂設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，用紅油漆標(biāo)注，監(jiān)測鋼板樁上下位移變化。

鋼板樁頂部水平位移是鋼板樁監(jiān)控的重要手段，通過它可以快速、直接地了解鋼板樁頂部的變形情況，采用全站儀進(jìn)行三角測量，通過坐標(biāo)的變化進(jìn)而得出鋼板樁頂部的水平位移。鋼板樁下部水平位移和豎向位移采用沉降傾斜儀監(jiān)測[5]。

5.3 監(jiān)測頻率及預(yù)警值

5.3.1 預(yù)警值

監(jiān)測預(yù)警值暫按表5執(zhí)行。

表5 監(jiān)測預(yù)警值設(shè)定

5.3.2 監(jiān)測頻率

監(jiān)測頻率按表6執(zhí)行，不同施工階段下，針對數(shù)據(jù)不穩(wěn)定情況，對以下監(jiān)測頻率做出適當(dāng)調(diào)整。

表6 檢測頻率

6 結(jié)語

本工程采用理論結(jié)合Midas Civil分析軟件的計(jì)算方法，對靖遠(yuǎn)金灘黃河大橋(100+168+100)m7#主墩鋼板樁圍堰計(jì)算，通過計(jì)算強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性均滿足施工和使用要求，拉森鋼板樁圍堰值得推廣應(yīng)用。