双壁钢围堰受力性能数值模拟分析

双壁钢围堰常应用于深水桥梁基础工程中，主要由内外壁板、中间桁架联接及底部刃脚组成，具有强度高、刚度大、施工方法简便、结构安全等优点。韩江特大桥、滦河特大桥、淮河特大桥、沙田赣江特大桥、陶乐黄河公路特大桥、重庆江津观音岩长江大桥等工程进行基础施工时均采用了该种围堰结构形式。钢围堰的构造和受力均较复杂，已有的相关研究主要针对结构的稳定性、构件的内力分布以及设计与施工方式上；但对于施工过程中，钢围堰受力全过程的分析鲜有相关文献报道。本文以双壁钢围堰为研究对象，采用通用有限元软件ANSYS对其在各施工阶段的受力状态进行数值分析，以期得到不同施工荷载和约束条件下结构的受力状态。

工程概况

某桥主墩双壁钢围堰外框尺寸30.78m×14.5m，壁厚1.2m，总高14.96m，围堰下部设1.7m高的刃脚，总入土深度5m。施工阶段钢围堰沿高度方向共布置2层内支撑，支撑于围堰钢箱面板内侧，内支撑及其斜撑和立柱分别采用Φ630×10mm钢管以及I25a型钢。围堰内、外面板采用6mm厚度的设有纵向加劲肋的钢板。以第一层内支撑为界，围堰内外面板加劲肋分别选用L75×50×6mm以及L90×56×6mm的型钢以保持面板的稳定性能。围堰沿高度方向设置厚度为8mm的水平环板。钢围堰共设置14个钢箱，钢箱面板厚度为8mm，面板内部设置L90×56×6的纵向加劲肋。封底混凝土厚2m，采用C20水下混凝土。双壁钢围堰总体布置如图1所示。

图1 钢围堰整体布置（标高单位：cm；尺寸单位：mm）

施工工艺特点

钢围堰各构件由专业钢结构加工场加工制作，运至现场拼装成整体结构。其中，首层钢围堰利用拼装平台现场拼装、整体下沉至设计标高；第二层钢围堰利用首层围堰的自浮能力对称拼装、加水下沉。钢围堰着床后，浇筑刃脚部位水下混凝土。河床清基至设计标高后浇筑水下混凝土进行封底。

围堰下放过程中设置内支撑以确保抽水后围堰结构安全。承台施工完成后，拆除第一层除（横向桥）中间支撑外的内支撑，以满足墩身施工空间要求。墩身施工4.5m后，

本文以某桥双壁钢围堰为研究对象，介绍了双壁钢围堰的构造特点及施工工艺特点；对施工过程中钢围堰不同施工阶段的荷载进行分析；采用有限元对其在各施工阶段的受力特性进行数值分析。结果表明：最不利荷载组合作用下，钢围堰各构件最大Von Mises应力为197.73MPa，可以满足该种施工条件下临时结构的强度要求。围堰内加水至+56.74m标高处，然后拆除第二层除（横向桥）中间支撑外的内支撑，以满足桥墩上部施工空间要求。

图3 围堰其他侧外面板受力示意

图4 围堰内面板受力示意

图5 围堰上游侧外面板受力示意

图6 围堰其他侧外面板受力示意

图7 围堰内面板受力示意

图8 围堰上游侧外面板受力示意

图9 围堰内面板受力示意

图10 围堰上游侧外面板受力示意

施工过程中荷载和约束条件分析

计算工况

根据双壁钢围堰的施工方式，将钢围堰的受力分为以下四个工况进行分析：

工况一：围堰下沉到位，围堰内河床清基至封底混凝土底面设计标高；

工况二：浇筑封底混凝土达到强度要求后，围堰内抽水形成干作业面；

工况三：承台施工完成后，拆除第一层内支撑；

工况四：第一节墩身施工完成后，拆除第二层内支撑，同时围堰内加水至+56.74m处。

计算荷载分析

工况一作用下，钢围堰主要承受自重、流水压力、土压力三种荷载作用，其荷载情况如图2和图3所示。

工况二作用下，钢围堰主要承受自重、流水压力、静水压力、土压力四种荷载的共同作用，其荷载情况如图4～图6所示。

工况三作用下，钢围堰主要承受自重、流水压力、静水压力、土压力四种荷载作用（由于承台混凝土浇筑完毕，围堰底部受力相对比较安全，因此仅考虑承台混凝土顶面以上的荷载作用，下同）。其荷载情况如图7和图8所示。

工况四作用下，钢围堰承受自重、流水压力、静水压力、土压力四种荷载共同作用，其荷载情况如图9和图10所示。

表1 各工况边界条件

表2 钢围堰各构件计算结果汇总

图11 钢围堰整体有限元模型

有限元分析

单元选取及边界条件模拟

钢围堰有限元模型采用大型通用软件ANSYS 10.0建立。其中，钢围堰内外面板、钢箱面板和水平环板采用板单元shell63模拟；水平桁架、纵肋、内支撑采用梁单元beam44模拟，钢围堰整体有限元模型如图11所示，各工况边界条件如表1所示。

计算结果分析

各工况作用下，钢围堰各构件应力和变形计算结果如表2所示。根据计算结果知，工况二为钢围堰结构受力最不利工况。由计算荷载知，静水压力为钢围堰结构最主要的计算荷载，而工况二及其以后的施工阶段中，由于钢围堰内部抽水而形成干作业面，钢围堰两壁间的水压对内壁产生的静水压力无法得到平衡，钢围堰各构件应力水平及变形值较工况一均有很大程度的增大。工况三承台施工完成，钢围堰内壁在承台高度范围内得到支承，而此时第一层内支撑被拆除，在荷载作用下，工况三较工况二各构件应力及变形均有所减少，但幅度不大。工况四作用下，围堰内加水至+56.74m处，承台顶部至+56.74高程范围内内壁的静水压力降低；同时第二层内支撑被拆除，工况四较工况三整体应力及变形有所增加，其中内支撑钢管应力水平增加显著。工况三和工况四作用下，钢围堰受力也较为不利，在进行钢围堰设计时应予以考虑。施工过程中，钢围堰各构件应力水平最大值为197.73MPa，满足临时结构的强度要求。

结论

本文采用有限元仿真分析，对双壁钢围堰在施工过程中的受力性能进行了分析，通过分析各施工阶段构件的应力和变形，得到以下结论：

1）在钢围堰下沉到位至拆除第二层内支撑的施工过程中，以浇筑封底混凝土达到强度要求、围堰内抽水形成干作业面时为受力最不利阶段；

2）施工过程中，该种双壁钢围堰各构件应力水平最大值为197.73MPa，满足此种施工条件下临时结构的强度要求。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.19.033