深水雙壁鋼圍堰配重及穩(wěn)定性分析

余 葵，劉 濤，劉憲慶，劉 陽(yáng)，吳威力，孟繁超

(1.重慶交通大學(xué) 國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 重慶市橋梁通航安全與防撞工程技術(shù)研究中心，重慶 400074)

我國(guó)在20世紀(jì)70年代九江長(zhǎng)江大橋施工時(shí)，首次使用雙壁鋼圍堰，因其適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)剛度大，近年來(lái)應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛[1-2]。重慶萬(wàn)州長(zhǎng)江公路大橋防撞裝置[3-4]1#導(dǎo)向井采用雙壁鋼圍堰進(jìn)行施工，受工程所處位置地質(zhì)條件和大水位變幅影響，該圍堰存在穩(wěn)定性不足等問(wèn)題，圍堰雖是臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)，但其決定著整個(gè)工程能否進(jìn)行，安全性同樣重要，應(yīng)重視其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析[5]。

通過(guò)對(duì)1#導(dǎo)向井雙壁鋼圍堰進(jìn)行注水注砂配重，采用有限元軟件ANSYS分析不同注砂方案對(duì)雙壁鋼圍堰整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形響應(yīng)規(guī)律的影響，探尋合適的配重方案，增強(qiáng)其穩(wěn)定性、安全性。

1 工程概況

重慶萬(wàn)州長(zhǎng)江公路大橋位于長(zhǎng)江三峽常年回水區(qū)，受三峽145～175 m(30 m)調(diào)節(jié)影響，橋梁兩端拱圈及部分立柱涉水，船舶失控或偏離航道撞擊會(huì)導(dǎo)致橋梁垮塌[6-7]，對(duì)此，重慶交通大學(xué)發(fā)明了拱形自浮升降式橋梁防撞裝置，旨在防止船橋碰撞事故的發(fā)生，受工程所處位置地質(zhì)條件和大水位變幅影響，萬(wàn)州長(zhǎng)江公路大橋防撞裝置存在施工難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高等技術(shù)難題，特別是1#導(dǎo)向井的深水施工最為典型。

1#導(dǎo)向井施工使用大型深水圓形雙壁鋼圍堰，圍堰施工工藝及順序如圖1所示，圍堰共分為5個(gè)節(jié)段(如圖2所示)，圍堰底高程為136 m，施工標(biāo)高為162 m，頂部標(biāo)高為164 m，圍堰內(nèi)外直徑分別為17.5 m、20.5 m，雙壁鋼圍堰壁厚為1.5 m。

圖1 雙壁鋼圍堰施工工藝框示意

圖2 圍堰立面示意(單位：mm)

鋼圍堰內(nèi)抽水后，其承臺(tái)基坑圍堰內(nèi)外最大水頭差達(dá)26 m，圍堰著床在非裸露完整基巖上[8]，導(dǎo)致其穩(wěn)定性不足，且圍堰面臨大水頭差條件下因水下基礎(chǔ)巖體自身地質(zhì)缺陷(節(jié)理裂隙)及人為施工擾動(dòng)而發(fā)生涌水風(fēng)險(xiǎn)[9]，圍堰承臺(tái)區(qū)域地質(zhì)成果及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。通過(guò)在鋼圍堰間采取注水注砂的方式進(jìn)行配重處理，能增強(qiáng)圍堰穩(wěn)定性，在圍堰間采取注砂配重還可以將外壁應(yīng)力傳遞至內(nèi)壁，避免外壁應(yīng)力集中。

表1 巖(土)體參數(shù)

2 有限元模型

2.1 模型建立

結(jié)合有限元軟件ANSYS建立1#導(dǎo)向井雙壁鋼圍堰計(jì)算模型(如圖3所示)，在荷載組合作用下對(duì)圍堰結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及變形進(jìn)行有限元計(jì)算。為確保單元?jiǎng)澐仲|(zhì)量，保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，圍堰外壁豎肋數(shù)量取值與內(nèi)壁一樣，均取168根，呈輻射狀劃分，采用梁?jiǎn)卧?，與壁板單元共用節(jié)點(diǎn)。豎向斜撐連接內(nèi)外豎肋節(jié)點(diǎn)，同樣使用梁?jiǎn)卧?，且豎向斜撐對(duì)數(shù)與豎肋根數(shù)一致。隔倉(cāng)板與環(huán)板均使用板單元并同樣與壁板共用同一節(jié)點(diǎn)。取84根和168根水平斜撐模型分別進(jìn)行圍堰整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及變形計(jì)算，鋼圍堰模型水平斜撐與環(huán)板進(jìn)行連接，采用梁?jiǎn)卧＃?4根水平斜撐模型簡(jiǎn)稱模型1，168根水平斜撐模型簡(jiǎn)稱模型2。

圖3 鋼圍堰整體模型仿真示意

為更好劃分刃腳混凝土部分單元，本模型刃腳混凝土建立實(shí)體單元，與壁板單元節(jié)點(diǎn)耦合，通過(guò)細(xì)化該部分實(shí)體網(wǎng)格，達(dá)到更好的耦合效果，有限元模型地基部分直徑為36 m、鋼圍堰底往下11 m深圍巖為地基范圍，該部分基巖均質(zhì)完整，采用實(shí)體單元建模，與刃腳混凝土單元耦合，并對(duì)其底部、周邊進(jìn)行固結(jié)。

2.2 材料參數(shù)

圍堰各構(gòu)件均采用鋼材QB235B，刃腳處采用C30混凝土，各參數(shù)選擇見(jiàn)表2所示。

表2 材料參數(shù)

2.3 荷載組合

鋼圍堰內(nèi)抽水后，承臺(tái)基坑圍堰內(nèi)外最大水頭差達(dá)26 m時(shí)，此時(shí)圍堰受力情況最不利，對(duì)該工況下1#導(dǎo)向井雙壁鋼圍堰進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及變形計(jì)算分析，荷載組合方式為[11]：1.2×自重荷載+1.2×靜水壓力+1.4×動(dòng)水壓力+1.0×注水壓力+1.4×波浪+1.3×施工荷載+1.1×風(fēng)荷載+1.0×注砂重力荷載+1.0×注砂側(cè)壓力荷載。各荷載作用范圍見(jiàn)表3，受力工況計(jì)算示意見(jiàn)圖4。

圖4 受力工況計(jì)算示意

表3 荷載作用范圍 m

2.4 注水注砂配重

為增強(qiáng)圍堰穩(wěn)定性，在圍堰夾壁內(nèi)采用注水注砂的方式進(jìn)行配重處理，如圖2及表3所示。在高程層138.8～151.5 m進(jìn)行注水，在高程層160～163.8 m的圍堰夾壁內(nèi)進(jìn)行注砂。注砂考慮砂處于松散狀態(tài)，注砂高度3.8 m，計(jì)算中將注砂重力等效于為集中力，通過(guò)水平斜撐作用于豎肋上，注砂側(cè)向力按靜止土壓力進(jìn)行計(jì)算。

注砂方式采用頂部貫通注砂及按環(huán)板間距分層注砂兩種方案進(jìn)行對(duì)比分析。按頂部貫通注砂時(shí)，注砂荷載通過(guò)160 m高程層進(jìn)行加載，按環(huán)板間距分層注砂時(shí)，注砂節(jié)段內(nèi)外壁環(huán)板間距1 m，注砂荷載通過(guò)環(huán)板間距進(jìn)行分層加載。

3 結(jié)果分析

通過(guò)有限元軟件ANSYS采取不同注砂方式對(duì)1#導(dǎo)向井雙壁鋼圍堰進(jìn)行穩(wěn)定性配重處理，對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力及變形數(shù)值模擬，梁?jiǎn)卧皩?shí)體單元在荷載組合加載下取節(jié)點(diǎn)解，板單元取單元解，研究圍堰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3.1 頂部貫通注砂方案受力分析

按貫通注砂方式配重，通過(guò)有限元分別按模型1和模型2分兩次計(jì)算各部件結(jié)構(gòu)應(yīng)力，兩種情況計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表4，內(nèi)環(huán)板和水平斜撐在模型1工況下的第一主應(yīng)力如圖5所示。

進(jìn)行1#導(dǎo)向井雙壁鋼圍堰整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度核算時(shí)，作為一種臨時(shí)結(jié)構(gòu)，雙壁鋼圍堰鋼材容許應(yīng)力為190 MPa，由表4、圖5可知，采用貫通注砂方式注砂時(shí)內(nèi)外環(huán)板和水平斜撐應(yīng)力遠(yuǎn)超過(guò)容許應(yīng)力，即表明這種注砂方式不滿足要求。

a 內(nèi)環(huán)板

另外，對(duì)比表4結(jié)果可知，當(dāng)圍堰每層水平斜撐數(shù)量從84根增加為168根后，最有利構(gòu)件為內(nèi)外環(huán)板，最大主應(yīng)力減小50%，其次是水平斜撐最大主應(yīng)力減小35.6%，且當(dāng)水平斜撐數(shù)量增加后內(nèi)壁外壁的豎肋受力更為均衡。

表4 貫通注砂方式各構(gòu)件應(yīng)力計(jì)算 MPa

3.2 環(huán)板間距分層注砂方案受力分析

按環(huán)板間距分層注砂方式注砂，采用模型2，各部件結(jié)構(gòu)應(yīng)力見(jiàn)表5所示。

表5 分層注砂方式各構(gòu)件應(yīng)力計(jì)算 MPa

由表5可知，按環(huán)板間距分層注砂時(shí)，除隔倉(cāng)板局部應(yīng)力較大外，其余各構(gòu)件應(yīng)力均小于容許應(yīng)力190 MPa。隔倉(cāng)板作為構(gòu)造部件且在計(jì)算模型中隔倉(cāng)板單元與混凝土實(shí)體單元耦合，刃腳混凝土頂部處模型剛度變化較劇烈，對(duì)該處隔倉(cāng)板影響較大，引起應(yīng)力集中，使得隔倉(cāng)板應(yīng)力局部偏大(如圖6所示)，實(shí)際情況應(yīng)比該值小。

圖6 隔倉(cāng)板第一主應(yīng)力分布示意

3.3 結(jié)構(gòu)變形分析

由于頂部貫通方式注砂方案結(jié)構(gòu)應(yīng)力不滿足要求，故結(jié)構(gòu)變形計(jì)算注砂方式僅采用按環(huán)板間距分層注砂方式進(jìn)行分析，采用模型二進(jìn)行有限元計(jì)算，荷載組合下雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)的最大位移發(fā)生在迎水面，最大變形量為6.59 mm，不影響施工過(guò)程中的使用(如圖7所示)。

圖7 位移等值線示意

圖8、圖9分別為基巖第一主應(yīng)力分布和基巖變形等值線示意，從圖8可以看出最大壓應(yīng)力在導(dǎo)向井基坑壁底部，為0.669 MPa，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在1#導(dǎo)向井雙壁鋼圍堰底部外圍，約0.988 MPa；從圖9可以得出，最大變形同樣位于基坑壁頂部，為0.100 mm，地基強(qiáng)度及變形均滿足要求[12]。

圖8 基巖第一主應(yīng)力分布示意

圖9 基巖變形等值線示意

3.4 施工監(jiān)測(cè)

從模型分析結(jié)果可以看出增加圍堰水平斜撐數(shù)量，注砂方式采用環(huán)板間距分層注砂方案更有利于圍堰安全施工。實(shí)際圍堰施工在本文計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行指導(dǎo)，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，在構(gòu)件出現(xiàn)應(yīng)力最大值的圍堰節(jié)段合理布置應(yīng)力監(jiān)測(cè)裝置，各構(gòu)件應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比見(jiàn)表6。

由表6可見(jiàn)，鋼圍堰各構(gòu)件應(yīng)力數(shù)值模擬計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本吻合，表明數(shù)值分析結(jié)果合理。由于計(jì)算模型中構(gòu)件單元與混凝土實(shí)體單元耦合，引起構(gòu)件應(yīng)力集中，且實(shí)際水文條件與計(jì)算模型存在一定差異，造成實(shí)測(cè)值均略小于理論值。實(shí)際施工中，圍堰均受力安全，表明雙壁鋼圍堰受力及變形均滿足要求。

表6 分層注砂方式各構(gòu)件實(shí)測(cè)應(yīng)力值與理論值對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)萬(wàn)州長(zhǎng)江公路大橋防撞裝置1#導(dǎo)向井圍堰施工過(guò)程中的穩(wěn)定性問(wèn)題，通過(guò)建立深水雙壁鋼圍堰三維有限元模型，分析研究了不同配重方案下的圍堰應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)情況，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，得到結(jié)論如下：

1) 采用頂部貫通注砂方案進(jìn)行配重，內(nèi)外環(huán)板、水平斜撐應(yīng)力嚴(yán)重超限，表明此種配重方式不滿足要求。

2) 通過(guò)增加圍堰水平斜撐數(shù)量，能有效降低內(nèi)外環(huán)板及水平斜撐最大主應(yīng)力，并使內(nèi)外壁豎肋的受力更為均衡。

3) 數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：采用環(huán)板間距分層注砂方案對(duì)雙壁鋼圍堰進(jìn)行配重，各構(gòu)件及地基部分應(yīng)力及變形均滿足規(guī)范要求，整體結(jié)構(gòu)安全。