深水大直徑雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)與三維仿真分析

◎ 王孝先 中鐵二十二局集團(tuán)市政工程有限公司

雙壁鋼圍堰作為臨時(shí)擋水結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)剛度大、承受水壓大、結(jié)構(gòu)安全、施工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在橋梁深水基礎(chǔ)施工中得到廣泛應(yīng)用。目前，針對(duì)圍堰設(shè)計(jì)、拼裝、下放、下沉和監(jiān)控等已開(kāi)展了大量的研究。

設(shè)計(jì)上，有關(guān)文獻(xiàn)通過(guò)建立鋼圍堰三維有限元模型，深入分析了具有大高差刃腳的雙壁鋼圍堰在不同抽水水位及流水速度下的應(yīng)力應(yīng)變特性、分布及發(fā)展規(guī)律。由于實(shí)際水流壓力較難確定，文獻(xiàn)在數(shù)值模型中采用了水槽試驗(yàn)測(cè)得的水流壓力，提高了計(jì)算分析精度。此外，針對(duì)復(fù)雜的水下地質(zhì)工況，文獻(xiàn)通過(guò)建立陡峭面上的力學(xué)模型用以評(píng)估鋼圍堰的整體抗滑風(fēng)險(xiǎn)。施工上，雙壁鋼圍堰在深水中下放導(dǎo)向、精確著床和下沉等仍是施工中的關(guān)鍵控制技術(shù)。

綜上所述，由于受復(fù)雜水文、地質(zhì)等多種不確定因素的影響，深水大直徑雙壁鋼圍堰的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性等仍是設(shè)計(jì)和施工的難點(diǎn)。本文結(jié)合工程實(shí)例，論述了深水大直徑雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)和施工的關(guān)鍵技術(shù)，并通過(guò)數(shù)值仿真分析了結(jié)構(gòu)的受力和變形規(guī)律。研究成果可為類似深水鋼圍堰施工提供一定的參考。

1.工程概況

吉安贛江特大橋主橋采用（90+180+90）m連續(xù)剛構(gòu)拱跨越贛江主河道。橋址區(qū)水面寬1015m，設(shè)計(jì)測(cè)時(shí)水位40.08 m，歷史最高水位52.57 m，歷史最低水位40.4m，水位變幅12.17 m。橋墩位置河床上層為卵石土、粗圓礫土，覆蓋層厚度自2.3-5.5m間變化；河底3～4m為覆蓋卵石層，基巖為泥質(zhì)砂巖。設(shè)計(jì)時(shí)，橋梁主墩采用雙柱式圓端形橋墩，墩身均采用薄壁異型雙支墩。其中，②號(hào)墩入巖0～2.4 m；③號(hào)墩入巖1.4～3.4 m。主墩承臺(tái)分二層設(shè)計(jì)，下層平面尺寸為16.6 m（縱向）×22.9 m，厚度為5 m；上層平面尺寸為9.5 m（縱向）×22.7 m，厚度為1m。主墩承臺(tái)底標(biāo)高均為31.818 m，入巖0-3.4 m。橋梁基礎(chǔ)為嵌巖樁，樁徑2.5 m，其中②墩樁長(zhǎng)54 m，③墩樁長(zhǎng)49m。

主墩深水基礎(chǔ)施工采用雙壁鋼圍堰方案。鋼圍堰為雙壁圓型，內(nèi)徑30.5m，外徑33.5m。鋼圍堰在豎向上共設(shè)置5節(jié)，從下至上分別為第一節(jié)至第五節(jié)，其高度對(duì)應(yīng)為4.8m、6.0m、4.8m、2.8m和3.1m，總高度21.5m。其中，頂面高程5 0.5m，底面標(biāo)高29.1m，施工水位在48.0m左右。

雙壁鋼圍堰施工采用在加工場(chǎng)內(nèi)分節(jié)塊加工、懸吊平臺(tái)上拼裝就位、分節(jié)接高、分步吸泥下沉的施工方案，下沉過(guò)程中采用注水、注混凝土、堰內(nèi)吸泥及拉纜糾偏等輔助施工工藝。平面上，雙壁鋼圍堰分為16段，共設(shè)置16個(gè)隔倉(cāng)，如圖1（a）所示。懸吊系統(tǒng)在隔艙板上共布置8個(gè)吊點(diǎn)，其中上吊點(diǎn)安裝在頂部灌注混凝土的鋼管上，下吊點(diǎn)安裝在與上吊點(diǎn)處于鉛垂線的隔艙板上離刃腳2.0 m的位置，如圖1（b）所示。每個(gè)吊點(diǎn)安放1個(gè)200 t連續(xù)千斤頂，每個(gè)千斤頂設(shè)有7×Φ15.24鋼絞線束作為吊帶。具體施工工序?yàn)椋悍制谱鳌鷳业跸到y(tǒng)安設(shè)→第一節(jié)鋼圍堰拼裝→第一節(jié)下沉→接高→下沉著床→定位→灌注封底混凝土→抽水→施做承臺(tái)、灌注墩身混凝土→拆除鋼圍堰和懸吊系統(tǒng)，如圖2所示。

圖1 懸吊系統(tǒng)俯視圖（單位：m）

圖2 雙壁鋼圍堰下沉施工工序（單位：m）

2.有限元模型

采用有限元軟件建立雙壁鋼圍堰三維有限元模型。模型由內(nèi)壁板、外壁板、縱向和橫向加勁肋、隔艙板、水平斜撐等組成，局部模型如圖3(a)所示。其中，第一、第二節(jié)和第五節(jié)鋼圍堰每道水平斜撐豎向間距為1500mm，第四節(jié)每道水平斜撐豎向間距為1400mm、第三節(jié)每道水平斜撐豎向間距為2×600mm、700mm、800mm、1000mm和1100mm。鋼內(nèi)外壁板的厚度均為6mm，隔艙板的壁厚為6mm，水平斜撐為63×63×6mm。鋼圍堰鋼材采用Q235B，彈性模量為2.06×10MPa，泊松比為0.3，密度為7850Kg/m3。整個(gè)模型均采用空間殼單元模擬，水平斜撐和內(nèi)外壁的橫肋之間采用Tie連接。根據(jù)施工工序，模型同時(shí)考慮了鋼圍堰艙內(nèi)及艙外靜水壓力，水容重取10 kN/m3，并考慮了結(jié)構(gòu)自重而暫不考慮水流力的影響。靜水壓力以面荷載形式施加在模型壁板上，其中艙內(nèi)水深H0根據(jù)施工抽水工況而定，艙外水深根據(jù)施工水位取最不利工況為12 m。另外，考慮下部土體的約束，河床以下的模型設(shè)有水平彈簧約束，彈簧剛度為5.9 MN·m，并對(duì)模型底部施加固定約束，如圖3(b)所示。

圖3 雙壁鋼圍堰三維有限元局部模型（單位：m）

3.計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 應(yīng)力和變形分析

當(dāng)鋼圍堰內(nèi)抽水結(jié)束后，雙壁鋼圍堰最不利工況下應(yīng)力和變形情況見(jiàn)圖4。由圖可知，由于隔艙板的橫擋作用，鋼圍堰外壁板變形以隔倉(cāng)為單位向內(nèi)凹陷，最大變形可達(dá)14.9 mm，位于河床面以上2.5m的位置。忽略應(yīng)力集中情況，外壁板對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力為122 MPa，滿足鋼板的強(qiáng)度要求。

圖4 最不利工況下雙壁鋼圍堰受力和變形情況：(a)變形情況；（b）應(yīng)力情況

3.2 水位差影響

根據(jù)艙內(nèi)抽水情況，進(jìn)一步考慮了艙內(nèi)外水位差ΔH對(duì)鋼圍堰受力和變形的影響。水位差ΔH共設(shè)置三種工況，分別為4 m、8 m和12 m，并取在兩相鄰隔艙板之間對(duì)應(yīng)外壁板的豎向中軸線（即最大變形位置）作分析，得到三種工況下外壁板中間位置變形和應(yīng)力隨高程的變化情況如圖5所示。其中，高程為0對(duì)應(yīng)河床面位置。由圖5（a）可知，水位差ΔH=4 m和ΔH=8 m兩種工況對(duì)應(yīng)的最大雙壁鋼圍堰變形均為13.5 mm，約為最不利工況（ΔH=12 m）下最大變形的90%。水位差ΔH=8 m工況最大變形位置對(duì)應(yīng)的高程為2 m，與ΔH=4 m工況相比下降1 m左右，對(duì)比表明最大變形位置對(duì)應(yīng)的高程隨水位差的增大出現(xiàn)略微下降。由圖5（b）可知，從圍堰頂至7 m之間，水位差對(duì)外壁板應(yīng)力的影響均較小；越往下圍堰部位的應(yīng)力隨水位差的增大呈增大趨勢(shì)，水位差為ΔH=4m時(shí)最大應(yīng)力為113.4MPa，約為最不利工況對(duì)應(yīng)最大應(yīng)力的93%。

圖5 不同水位差對(duì)雙壁鋼圍堰受力和變形的影響

4.結(jié)論

本文論述了深水大直徑雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)和施工工序，并采用有限元軟件建立三維有限元模型，分析了施工過(guò)程中圍堰內(nèi)外水位差對(duì)結(jié)構(gòu)受力和變形的影響，得到以下主要結(jié)論：

（1）由于隔艙板的橫擋作用，鋼圍堰外壁板變形將以隔倉(cāng)為單位在最大靜水壓力附近處向內(nèi)凹陷；最不利工況下雙壁鋼圍堰最大變形為14.9 mm，最大應(yīng)力為122 MPa，滿足鋼板強(qiáng)度要求。

（2）在抽水初期階段，雙壁鋼圍堰最大變形為13.5 mm，圍堰艙內(nèi)外的水位差對(duì)結(jié)構(gòu)的變形影響較小，但最大變形對(duì)應(yīng)的高程隨水位差的增大出現(xiàn)略微下降；而整個(gè)抽水過(guò)程，鋼圍堰最大應(yīng)力隨水位差的增大呈增大趨勢(shì)。