刘斐

摘 要：近年来随着我国深水基础施工技术不断提高，因在深水承台施工过程中，钢围堰所受的静水压力、动水压力较大，而双壁钢围堰刚度大、隔水性能好，故被广泛使用。本文以汉江五桥主桥为工程依托，使用专业有限元软件ANSYS对深水承台双壁钢围堰进行三维弹塑性有限元数值模拟分析，对钢围堰在施工过程中较不利施工阶段的受力进行分析，对多种组合荷载作用下结构的受力状态和变形状态进行系统研究。

关键词：深水承台;双壁钢围堰;有限元分析;力学性能

一、概述

当前工程行业中，深水基础施工常使用的围堰形式有钢板桩围堰、钢套箱围堰、钢吊箱围堰、混凝土围堰和钢-混凝土组合结构围堰等几种。

双壁钢套箱围堰（下简称双壁钢围堰）与单壁钢套箱围堰相比，其刚度大、隔水性能好，能承受更大的静水压力和动水压力，更适用于水深、流速快的大型水域中深水基础的施工。双壁钢围堰由角钢、槽钢及扁钢焊接或栓接而成，构成平面形式为圆形或矩形的双层骨架;双壁钢围堰底部设刃脚，采用向围堰壁内注水或灌注砼增加围堰重量使其下沉。

本文以汉江五桥主桥为工程依托，在总结、整理双壁钢围堰相关研究文献资料的基础上，采用专业有限元软件ANSYS进行三维弹塑性有限元数值模拟分析，对深水承台双壁钢围堰的设计方法、施工工艺和受力性能进行研究，为今后类似工程的施工建设积累资料和提供理论参考。

二、工程概况

（一）钢围堰工程背景

汉江五桥的主桥为梁、拱组合体系刚构桥，跨径布置77m+138m+138m+77m，主梁为变截面预应力钢筋砼箱梁。汉江五桥主桥主墩承台为钢筋砼结构，矩形圆倒角截面，外形尺寸：23.5×17m，承台四角倒圆半径2.0m，承台厚度5m，采用C40混凝土。

各主桩承台均设置于汉江左、右航道河床以下，墩位处水深均约7～10m。

（二）钢围堰主要设计思路

钢围堰结构设计主要从结构受力可靠、功能性满足的角度出发。

整体尺寸的拟定包括整体平面尺寸、整体立面尺寸和分块尺寸。其中，钢围堰整体平面大小根据桥梁承台大小拟定，考虑钢围堰的功能而确定围堰放大尺寸;当钢围堰同时承担承台侧模的功能时，仅按照行业规范规定的允许偏差进行尺寸放大，外放尺寸取为10cm;当钢围堰仅为施工挡水结构，不作为承台施工侧模时，为保证承台施工时模板支撑具备足够空间，其外放尺寸取为1m左右。钢围堰整体立面参数则由防浪高度、施工过程中的最高水位、承台底高程和封底砼厚度拟定，同时还应计入河床受水流冲刷的影响。而钢围堰下放时的分块尺寸则由现场施工设备资源情况确定，在尽量减少围堰块数的基础上，要求单块围堰分块重不超过现场起重机起重能力，同时分块尺寸不宜过大，以便于施工安装。

钢围堰细部构造的参数设计，即围堰内外侧壁板厚度、壁板间距、桁架竖向水平间距、横肋和竖肋间距均由同类工程施工经验拟定。

钢围堰平面布置应为墩柱施工留足空间;立面布置则根据承台、围堰高度以及同类工程施工经验确定，同时根据已有材料和经验对围堰结构进行选型。

拟定好的围堰结构应采用相应计算方法对结构强度、刚度和稳定性进行验算，对于不满足要求的应进行尺寸的调整，直至满足受力和功能性要求。

（三）钢围堰结构参数

双壁钢围堰采用矩形断面的结构形式，长26.0m，宽19.5m（围堰平面尺寸扩大10cm），壁厚1.2m，围堰总高19.0m，下部设1.7m高的刃角。面板采用10mm钢板，纵肋采用[10型钢，间距35cm。壁板桁架采用双等边角钢L100×8，桁架腹杆节点间距1.3m（顶层水平环板处为单等边角钢L100×8）。一般水平环板均采用10mm钢板，分层处水平环板均采用20mm钢板，桁架焊接在水平环板上，桁架层距0.6m～1.7m。钢围堰共设10个钢箱，钢箱面板采用10mm钢板，面板纵肋采用[10型钢，间距35cm。施工时共设置三层围堰内支撑，其水平撑杆采用?630×10mm钢管，焊接于围堰壁板钢箱内侧，第一、二层内支撑之间设I25a工字钢立柱、斜支撑形成空间桁架结构。封底砼厚2.5m，采用C20水下混凝土。钢围堰布置详见下图：

（四）主要施工工艺

1、钢围堰拼装

为了加工和运输方便，常对钢围堰进行竖向分层、水平分块处理，并对块构件进行编号，以方便现场拼装。

依托工程鋼围堰沿高度方向将其从下至上依次分为5.9m、4.8m以及8.3m共3层，每层以最大起重量作为控制要素分为14块。其中，每层的14块根据其构造分为A和B两类。

在围堰拼装范围内，拆除原钻孔作业平台后，利用承台外侧桩基钢护筒，以及主栈桥和支栈桥的钢管桩，将型钢拼接焊制做为承重梁，承重梁上铺槽钢作为分配梁，形成钢围堰拼装作业平台。围堰拼装作业平台以施工时实际水位为准，控制其顶面高程至少高于水位线1.0m，并保证宁低勿高。

2、钢围堰下放

钢围堰首层结构在安装平台上拼接完成并安装吊点后，运用千斤顶将首层钢围堰顶起至距离安装平台10cm左右;拆除钢围堰安装作业平台，并缓慢下放首层钢围堰，并保证下放过程中各吊点的同步，确保各吊点下放高度相同，避免出现各吊点的受力不均现象。为确保施工安全，在各吊点位置搭设操作平台，并在平台周围设置标准围栏。

首层钢围堰入水后会发生自浮，在撤移上吊点千斤顶后，拆除钢围堰的下放提吊系统，拆除顺序遵循先下吊点后上吊点的顺序。

第一层钢围堰下放到设计高程时，继续拼装接高第二层和第三层钢围堰。待三层钢围堰均拼接成型后，在其刃角位置浇筑刃角砼，以增加其重量，使其下沉至初步整平后的河床基底。

钢围堰在下沉过程中主要通过向钢围堰壁板内加水以及在钢围堰所在区域抓挖清理等方式进行纠偏，并每隔2小时进行一次测量，以确保钢围堰下放过程中其平面位置以及垂直度满足施工要求。纠偏完成后，进行钢围堰平面位置以及垂直度复测，直到满足要求才可继续下沉，避免施工偏差的累积。

3、封底砼浇筑及抽水

封底砼采用2台卧泵并配合2套导管以及储料仓等设备进行浇筑，从下游向上游进行一次性浇筑完成。每个布料点首封时，混凝土经泵送入储料仓，并确保达到首封方量，经溜槽进入导管漏斗，再经直径为32cm的导管进行水下浇筑。

在进行首盘砼封底之前，用测绳测量出砼导管下端与河床面之间的距离，并依靠垫梁将其调整至10～20cm范围内。打开装满砼的集料斗阀门，通过泵送管送料，直至首盘封底砼浇注完成。确保砼导管在首封砼下放完后在砼内埋深0.4～0.6m，并在砼导管口及其附近布设测点，及时测量导管的埋深与流动范围。整个围堰范围内导管监测测点共布置17个，对导管位移进行监测。

待混凝土达到其设计强度的90%以后，进行钢围堰内的抽水工作。主要包括以下三个步骤：

①封闭水下连通管。

②第一次抽水至标高+55.2m处，并观测钢围堰壁板是否漏水，其构件变形是否处于正常范围内;

③第二次抽水直至将围堰内水抽干，实现“干作业”。

钢围堰抽水完成后，进行封底砼顶面的凿毛与清理工作，并补浇剩余部分混凝土直至其设计标高。其中，采用人工凿毛和风镐凿毛相结合的方式进行封底砼的顶面凿毛。

三、深水承台双壁钢围堰施工过程受力性能分析

（一）结构受力分析方法简述

考察结构受力的主要方法包括：试验、近似简化以及数值分析等三种。其中，数值分析是根据有限元原理对结构的受力状态进行模拟分析，可以精确的计入结构各构件参数，较为准确考虑结构的材料本构关系，精细的模拟结构实际的边界条件以及受力状态，因此其计算结果较近似简化方法更反应结构真实的受力和变形状态;并且在一定程度上可以将其代替试验的方法以分析结构的受力，也更为经济。

（二）钢围堰有限元模型

1、单元选取

钢围堰内外面板、钢箱面板和水平环板均采用4节点弹性板壳单元shell63模拟;水平桁架、纵肋、内支撑均采用3D渐变不对称梁单元beam44模拟。钢围堰三维有限元模型如图4-1所示。

2、钢围堰施工过程工况分析

根据依托工程的施工方案以及施工过程中结构的受力特点，选取钢围堰受力较为不利的施工阶段，将钢围堰在施工过程中的力学性能划分为以下两个工况进行分析：

工况一：钢围堰下沉到设计高程，钢围堰内的河床清淤至封底砼底面设计高程;该工况钢围堰承受自重、流水压力以及土压力三种荷载。

工况二：钢围堰封底砼达到强度要求后，钢围堰内抽水形成干作业空间。此工况钢围堰受力复杂，为最不利工况。钢围堰承受自重、流水压力、静水压力以及土压力四种荷载。

3、边界条件模拟

各工况所对应的边界条件如下：

工况一：围堰底部节点竖向约束（即Uy=0）;各层横向支撑中心水平方向约束，（Ux=0、Uz=0）。

工况二：围堰底部环板节点竖向约束（即Uy=0）;内面板与封底砼接触面上的节点水平方向约束（即Ux=0、Uz=0）。

4、围堰施工过程受力分析

4.1工况一

该工况钢围堰下沉到位，围堰内河床清基至封底砼底面设计标高，根据计算结果可以看出，各板件高应力区域分布于其下缘，受力最不利板件为钢围堰外面板。

4.2工况二

该工况钢围堰封底砼达到强度要求后，钢围堰内抽水形成干作业空间。此工况钢围堰受力复杂，为最不利工况。根据计算结果可以看出，各板件在其下缘出现应力集中现象，忽略应力集中区域各板件高应力区域分布于板件中部，并且各板件位移较大位置分布于板件中部，受力最不利板件为钢围堰内面板。

（三）钢围堰施工过程抗浮稳定量分析

封底砼浇筑完成，围堰内抽水后，验算围堰抗浮稳定性。封底砼采用C20水下混凝土，厚度按1.5m计算（实际施工为2m），围堰内隔舱加水至+63.00标高处，即内仓加水12.26m。

四、结语

本文结合实际工程的施工方案以及施工过程中结构的受力特点，对钢围堰受力较为不利的施工阶段进行了阐述，并进一步划分了施工工况，对各工况在其相应荷载以及边界条件作用下结构的受力性能进行了有限元数值模拟分析。结果显示，各工况下，不计应力集中区域，钢围堰各构件应力水平均小于规范规定值，最大变形均不大于7mm，均符合设计要求。各工况下，受力较为不利的构件为钢围堰内、外面板以及钢箱面板，工况二（钢围堰封底砼达到强度要求后，钢围堰内抽水形成干作业空间时）为钢围堰受力最不利工况。对钢围堰封底砼浇筑完成、围堰内抽水完成后结构的抗浮稳定性进行了验算，结果表明钢围堰抗浮稳定性满足要求。

本文对深水承台双壁钢围堰在施工过程中的静力性能进行了研究，取得了一定的成果;但由于时间和精力有限，仍然存在一些不足之处。为使双壁钢围堰结构的成熟应用，还有以下几个方面有待进一步研究：

（一）由于钢围堰组成构件多为细长或薄壁构件，在其下沉就位或抽水后，还应考虑其稳定性受力问题;

（二）钢围堰实际受力过程中，不仅承受静力荷载，还承受水流和波浪等动力荷载，因此若条件允许还应进行钢围堰的动力响应分析。

参考文献：

[1] 周小亮. 深水承台双壁鋼套箱围堰结构的力学特性数值分析[D]. 武汉：湖北工业大学， 2012.

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