龍門大橋鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

鄭健 蔣贛猷 楊茗欽 李莘哲 陳松松

鋼板樁圍堰水下施工風(fēng)險(xiǎn)較大，為確保鋼板樁圍堰施工的安全性，文章以龍門大橋東引橋84#承臺(tái)鋼板樁圍堰施工為工程背景，結(jié)合規(guī)范初步確定鋼板樁圍堰幾何尺寸、入巖深度、封底混凝土厚度等參數(shù)，并采用平面有限元法對(duì)鋼板樁圍堰施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力、最大變形進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果表明，圍堰結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度均滿足要求，可按照設(shè)計(jì)安全施工。

龍門大橋;鋼板樁;設(shè)計(jì);平面有限元法

U445.55+6A240833

0 引言

鋼板樁圍堰具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工便捷、防水效果好、經(jīng)濟(jì)性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，自1957年首次應(yīng)用在跨?？缃髽蚬こ桃詠?lái)，在工程中應(yīng)用的越來(lái)越廣泛[1]。然而，隨著鋼板樁圍堰應(yīng)用環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜、施工規(guī)模越來(lái)越大以及計(jì)算理論的相對(duì)滯后，鋼板樁圍堰施工仍面臨著較大的施工風(fēng)險(xiǎn)。

現(xiàn)有的鋼板樁圍堰計(jì)算方法主要有空間有限元、平面有限元和等值梁法[2]?？臻g有限元法根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和材料參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體建模，分析不同荷載工況下結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力等情況，該方法具有較好的計(jì)算精度，然而計(jì)算過(guò)程繁雜、耗時(shí)久。等值梁法以極限平衡法為理論基礎(chǔ)，無(wú)法考慮鋼板樁變形的影響，也較難得出施工過(guò)程中周邊環(huán)境的影響，因此，僅用于鋼板樁圍堰內(nèi)力校核情況[3]。平面有限元法取單根鋼板樁作為分析對(duì)象，鋼板樁采用梁?jiǎn)卧M，內(nèi)支撐和封底混凝土對(duì)鋼板樁的約束采用鉸支座模擬，以此計(jì)算結(jié)構(gòu)的受力變形情況，具有計(jì)算簡(jiǎn)潔、高效的優(yōu)點(diǎn)。基于此，本文以龍門大橋84#承臺(tái)為工程背景，將鋼板樁和圍檁分開計(jì)算，先對(duì)圍檁施加單位均布荷載，確定圍檁的剛度，然后取一根鋼板樁作為研究分析對(duì)象，以梁?jiǎn)卧?，并根?jù)計(jì)算得到的圍檁剛度以彈簧單元反向施加在鋼板樁上，土體對(duì)鋼板樁圍堰的約束采用“m值法”土彈簧模擬，再根據(jù)實(shí)際施工過(guò)程中的工況施加相應(yīng)荷載，以此開展結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析，最后再根據(jù)鋼板樁與圍檁的連接處彈簧荷載反向施加在圍檁上的情況計(jì)算分析圍檁的安全性。

1 工程概況

龍門大橋工程路線起點(diǎn)位于欽州市龍門港鎮(zhèn)西村淡水龍水庫(kù)附近，接濱海公路龍門大

橋西引道工程，跨越茅尾海，終點(diǎn)接益民街與揚(yáng)帆大道交匯處，是國(guó)道G228丹東至東興廣西濱海公路建設(shè)的控制性工程。

項(xiàng)目由東西岸引橋、主橋和揚(yáng)帆立交組成，主橋?yàn)殡p塔單跨懸索橋，主纜布置為251 m+1 098 m+251 m。引橋承臺(tái)尺寸包括8.2 m×8.2 m×3.5 m和8.2 m×8.2 m×3.0 m兩種類型，東引橋84#承臺(tái)尺寸為8.2 m×8.2 m×3.5 m。

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)樁基鉆孔取樣的數(shù)據(jù)，東引橋84#墩承臺(tái)地質(zhì)情況如表1所示。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)《鋼圍堰工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 51295-2018）第4.2.5條規(guī)定：“鋼圍堰頂部設(shè)計(jì)高程比設(shè)計(jì)最高水位應(yīng)高出0.5～1.0 m，海域施工的圍堰頂部高程尚應(yīng)計(jì)入相應(yīng)等級(jí)波浪重現(xiàn)期最大波浪高度一半的影響?！边@里取鋼板樁圍堰頂面標(biāo)高4.98 m。

龍門大橋東引橋84#承臺(tái)尺寸為8.2 m×8.2 m×8 m，根據(jù)《鋼圍堰工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 51295-2018）第4.7中第7.9條規(guī)定“鋼板樁圍堰內(nèi)壁宜比基礎(chǔ)承臺(tái)寬1.0～1.5 m”，結(jié)合實(shí)際施工情況以及拉森鋼板樁型號(hào)模數(shù)要求，對(duì)于8.2 m×8.2 m承臺(tái)，其圍堰采用11.22 m×11.218 m尺寸。

2.2 荷載取值

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 5120-2012）第3.4條的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，采用水土分算方法。朗肯主動(dòng)土壓力公式為：

Pa=Kaγh-2cKa（1）

Pak=（σak-μa）Ka，i-2ciKa，i+μa（2）

2.3 鋼板長(zhǎng)度的確定

根據(jù)龍門大橋跨海水域水位情況，龍門大橋歷史最高水位為+3.98 m，浪高為0.5 m，從經(jīng)濟(jì)、安全的角度考慮，選擇樁頂標(biāo)高比最高水位高0.5～1 m，所以取鋼板樁頂標(biāo)高為+4.98 m。結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，鋼板樁長(zhǎng)度取12 m。內(nèi)圍檁設(shè)置兩層，分別布置于+3.48 m和-1.7 m標(biāo)高位置，當(dāng)開挖至承臺(tái)底時(shí)，鋼板樁內(nèi)外側(cè)荷載分布如圖1所示。

根據(jù)《鋼圍堰工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 51295-2018）第4.5.7條“對(duì)單撐（單錨）圍堰，尚不宜小于圍堰深度的30%;對(duì)多撐（多錨）圍堰，尚不宜小于圍堰深度的20%”以及第4.5.3條第3點(diǎn)“支撐式或錨拉式鋼板（管）樁、鋼套箱結(jié)構(gòu)局部抗傾覆應(yīng)以最下道支撐（或錨拉點(diǎn)）為轉(zhuǎn)動(dòng)軸按照下式進(jìn)行驗(yàn)算”，對(duì)鋼板樁圍堰進(jìn)行設(shè)計(jì)，防止“踢腳”現(xiàn)象。

EpapE′aaa+F′wlawl+∑F′idaid≥K（3）

式中：K——抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)，一、二、三級(jí)安全等級(jí)圍堰分布取1.35、1.3和1.25;

E′a——圍堰最下道支點(diǎn)以下的主動(dòng)土壓力合力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）;

Ep——被動(dòng)土壓力合力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）;

F′wl——圍堰最下道支點(diǎn)以下的靜水壓力合力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）;

∑F′id——圍堰最下道支點(diǎn)以下的動(dòng)水壓力等可變荷載合力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）;

ap、aa——圍堰外側(cè)主動(dòng)土壓力、內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力合力作用點(diǎn)至支點(diǎn)的距離（m）。

經(jīng)過(guò)式（3）局部抗傾覆計(jì)算表明，計(jì)算結(jié)果為7.55大于規(guī)范限值[K]=1.35，故結(jié)構(gòu)安全。

2.4 封底混凝土厚度

根據(jù)《鋼圍堰工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 51295-2018）第4.6.1條計(jì)算公式，封底混凝土厚度計(jì)算如下：

Kf=Gc+F1+F2Fw+Puc（4）

Fw=γw·hw·An（5）

Gc=γc·Vc（6）

F1=min（Gz，τ1S1）（7）

F2=min（τ2S2，Gg+τ3S3）（8）

式中：Kf——抗浮安全系數(shù)，宜取為1.15;

Fw——水的浮力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）;

Puc——波峰時(shí)的波浪浮托力（kN）;

γw——海水的容重;

hw——圍堰內(nèi)外水頭差;

An——扣除鋼護(hù)筒面積后基底凈面積;

Gc——封底混凝土自重;

Gz——所有樁基鋼護(hù)筒及樁基自重（kN）;

Gg——所有樁基鋼護(hù)筒及樁基自重（kN）;

Vc——基底凈體積，應(yīng)扣除鋼護(hù)筒部分（m3）;

τ1、τ2、τ3——樁基鋼護(hù)筒與封底混凝土的粘結(jié)力、鋼圍堰與封底混凝土的粘結(jié)力、鋼板樁及鋼管樁與入土深度范圍內(nèi)土層的摩阻力（kPa），應(yīng)分別按表下表取值，鋼套箱圍堰不計(jì)側(cè)摩阻力;

S1、S2、S3——所有樁基鋼護(hù)筒與封底混凝土接觸面積、鋼圍堰與封底混凝土接觸面積、鋼板樁及鋼管樁圍堰入土深度范圍外側(cè)接觸面積之和（m2）;

F1——取G樁基鋼護(hù)筒與封底混凝土粘結(jié)力最小值（kN）;

F2——取Gg+τ3S3、鋼圍堰與封底混凝土粘結(jié)力τ2S2的最小值（kN）。

經(jīng)過(guò)式（4）～（8）計(jì)算封底混凝土厚度應(yīng)≥0.78 m，這里出于安全考慮，封底混凝土厚度取1.0 m。

進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)的抗浮進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)《鋼圍堰工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 51295-2018）第4.6.2條計(jì)算公式，計(jì)算封底混凝土厚度：

Fw+F1+F2Gc+Puc+Fs≥Kc（9）

式中：Kc——抗浮安全系數(shù)，宜取1.10;

Fs——施工期作用在封底混凝土上的承臺(tái)自重及施工期最大活荷載（kN）;

Put——波谷時(shí)方向向下的波浪力（kN）。

在不考慮波浪力作用下，F(xiàn)s取承臺(tái)自重，計(jì)算得到抗浮安全系數(shù)為4.14，大于限值1.1，且有較大安全富余，能確保施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的安全性。

采用分層設(shè)計(jì)圍檁，第一層圍檁采用雙拼HN500×200×10/16，其余圍檁采用三拼HN500×200×10/16。圍堰四個(gè)角均與對(duì)應(yīng)的圍檁型號(hào)相同，牛腿采用Ⅰ32b。

3 鋼圍堰結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

采用Midas Civil 建立鋼板樁圍堰有限元計(jì)算模型，選取單根鋼板樁作為分析對(duì)象，鋼板樁采用梁?jiǎn)卧M，內(nèi)支撐采用結(jié)點(diǎn)彈性連接，剛度通過(guò)在內(nèi)圍檁施加1 kN/m均布荷載單位荷載，計(jì)算結(jié)果為：在1 kN/m均布荷載作用下，最大變形為0.06 mm，外圍檁與鋼板樁連接點(diǎn)結(jié)點(diǎn)剛度為（1 kN/m×0.6 m）/0.06 mm=1.0×104 kN/m。

同理，對(duì)雙拼HN500和三拼HN500內(nèi)圍檁剛度開展結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析。結(jié)果為：在1 kN/m均布荷載作用下，最大變形為0.006 8 mm，因此，第一層內(nèi)圍檁（頂上一層內(nèi)圍檁，雙拼HN500）與鋼板樁連接點(diǎn)結(jié)點(diǎn)剛度為8.8 kN/0.006 8 mm=1.294×106 kN/m。

在1 kN/m均布荷載作用下，最大變形為0.004 8 mm，因此，外圍檁與鋼板樁連接點(diǎn)結(jié)點(diǎn)剛度為8.8 kN/0.004 8 mm=1.833×106 kN/m。

由于各層圍檁與鋼板樁之間連接剛度很大，可近似鉸接模擬。封底混凝土對(duì)板樁的約束作用均采用活動(dòng)鉸支座模擬，鋼板樁底部約束豎向位移，河床面至封底混凝土間的周邊土對(duì)板樁的約束作用以及封底混凝土至樁底間周邊土對(duì)板樁的約束作用采用土彈簧模擬?；诖?，對(duì)安裝第二道內(nèi)圍檁前的結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性分析。

3.1 最高水位施工

由表2計(jì)算結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)變形較大，且超出1/400=15 000/400=37.5 mm，施工風(fēng)險(xiǎn)較大，故向下開挖土體不應(yīng)在高水位時(shí)進(jìn)行施工。

3.2 落潮時(shí)施工

進(jìn)一步對(duì)落潮期進(jìn)行施工計(jì)算，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)總結(jié)，在落潮情況下，最高水位是低于標(biāo)高+1 m，基于此，為安全考慮，取水位為標(biāo)高+1 m時(shí)，開展結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。

由表3可知，計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求，且具有較大的安全富余。

計(jì)算的反力為9.3 kN，由于拉森鋼板樁板寬0.6 m，所以反作用于內(nèi)圍檁上均布荷載為9.3 kN/0.6 m=15.5 kN/m，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

由表4可知，計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求，且具有較大的安全富余。同理，對(duì)鋼板樁在施工封底混凝土前等施工階段的安全性進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果表明結(jié)構(gòu)均

為安全，且具有較大安全富余。

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先結(jié)合規(guī)范初步設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，然后采用平面有限元法的基本理論，并結(jié)合Midas Civil建立有限元模型，同時(shí)將鋼板樁承受的最大荷載反作用于內(nèi)圍檁上，計(jì)算結(jié)構(gòu)的安全性。計(jì)算結(jié)果表明，該鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)選用的鋼板樁類型及長(zhǎng)度、內(nèi)圍檁結(jié)構(gòu)形式（內(nèi)圍檁布置位置、數(shù)量及尺寸）、封底混凝土厚度等均滿足鋼板樁圍堰施工和適用要求，對(duì)海洋環(huán)境下的鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)與施工有一定的參考價(jià)值。

[1]洪 梟.深水基礎(chǔ)鋼板樁圍堰施工及過(guò)程監(jiān)測(cè)研究[D].廣州：廣州大學(xué)，2020.

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