滦河特大桥双壁钢围堰三维有限元分析

张永宾，朱尔玉，于大厂，2

(1.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044;2.中铁二十二局集团 四公司，河北 唐山 064003)

1 工程概况

大桥位于唐山市遵化县洒河镇水库内，全长800 m，为孔跨布置 25×32 m的铁路桥，其下部由 6根φ1 000 mm的钻孔灌注桩支撑。桥址处水面宽120 m，河中最大水深6 m，2#～7#墩中心处最大水深6 m，地下水位随季节变化，埋深约0.5～6.0 m。地下水对混凝土无侵蚀性。设计流速V=3.44 m/s。地面2.0 m以内为素填土，以粗砂、细角砾、碎石为主，黄褐色，潮湿、松散，为Ⅰ级松土。2.0 m以下为正长岩，褐色、青灰色，全风化～强风化，节理较发育，为Ⅲ级硬土～Ⅳ级软石。

2 工程难点

滦河特大铁路桥的工程难点在于:河水较深且河床覆盖层较薄，不易采用钢板桩围堰、单壁钢围堰等浅水围堰形式，故采用刚度较大的双壁钢围堰;河床中的卵石较多，且粒径较大，透水性强，故采用高压旋喷桩防渗;河床下的岩层含铁量较多，比较坚硬，不易钻孔灌桩，故采用人工挖孔与钻机成孔相结合，所以要保证双壁钢围堰设计的安全，应进行三维有限元分析计算。

3 双壁钢围堰的初步设计

3.1 双壁钢围堰构造

①围堰外井壁钢板厚6 mm，内井壁钢板厚6 mm，内外壁板上均设置72根竖向∠75×75×6角钢加劲肋，肋的间距外壁约510 mm，内壁间距约410 mm。水平加劲板采用100 mm×10 mm钢板，间距0.5～1.0 m，圆环处内外壁之间用∠75×75×6角钢连接成整体。为防止钢围堰局部失稳，需提高围堰控制部位的刚度，封底混凝土顶部为危险截面，将此处的1 m钢围堰设间隔0.5 m的加劲肋与横向支撑。②隔仓。在内外壁间设有竖向的隔仓板，整个围堰分隔为6个密封舱，每个密闭隔舱为;隔舱板采用厚6 mm钢板，且有∠75×75×6水平角钢加肋，水平角钢间距500 mm。隔仓块与块之间的连接采用焊接。③刃脚。刃尖夹角采用38°角，高度1.5 m，在刃尖部分刃脚钢板外侧下部0.7 m处厚12 mm，上部0.8 m处厚6 mm，内侧下部处厚12 mm，上部处厚6 mm。对应竖向肋角位置均布竖向10 mm厚三角板72块，高度70 cm，并对刃尖部分采用C20混凝土填实［1］。

钢围堰设计为双壁形式，壁厚1.2 m。根据水文地质条件的最高水位并结合施工的要求(围堰顶部需高于施工水位0.5 m)围堰的设计高度=封底混凝土厚度+水深+0.5 m。经计算，本工程取围堰总高为8.5 m，刃脚高1.5 m。整个围堰分成6部分，上面5部分高度为 1.5 m，1.5 m，1.5 m，1.5 m，1.0 m，下面刃脚部分高度为1.5 m，见图1。

3.2 双壁钢围堰材料及指标

钢围堰内外壁板、隔舱板、刃脚板均为 Q235钢板，其屈服强度［σy］=235 MPa，设计强度(抗拉、抗压、抗弯)［σd］=215 MPa;角钢加劲肋采用 Q345A钢板，其屈服强度［σy］=345 MPa，设计强度(抗拉、抗压、抗弯)［σd］=310 MPa。

封底混凝土:混凝土标号 C20;单位重量为23 kN/m3，允许压应力［σc］=4.00 MPa，重度取 γc=24 kN/m3;允许拉应力［σT］=0.43 MPa，允许弯曲应力［σW］=5.50 MPa。

图1 双壁钢围堰结构(单位:mm)

4 双壁钢围堰三维有限分析计算

4.1 三维有限计算的必要性

与传统围堰计算方式不同，三维有限元计算考虑围堰的空间效应，计算结果更加精确，更利于结构的全面分析和局部优化。传统计算方式主要对双壁钢围堰的内外壁板、水平肋板、竖向肋板、斜撑等分别进行计算，其中壁板简化成双向板进行计算，横竖肋简化成多跨连续梁进行计算，斜撑作为杆件进行计算，忽略了构件之间的协调变形，与真实结构的差异较大，不能对全部构件的受力、变形情况进行掌握，不利于局部优化与加强。所以，三维有限元的计算是很有必要的［2］。

4.2 模型采用的单元介绍

考虑到建模的准确性和合理性，钢围堰三维有限元模型主要采用四种单元模拟:内外壁与隔舱板、横肋采用 Shell63，竖肋采用 Beam188，斜撑采用Link8。

4.2.1 Shell63单元

线性弹性的材料模式，适合模拟板壳。Shell63有4 个节点(I，J，K，L)，每个节点有 6 个自由度，3 个位移(UX，UY，UZ)及 3 个转角(ROTX，ROTY，ROTZ)，所以，一个元素共有24个自由度。

4.2.2 Beam188单元

Beam188是二次梁单元。每个节点有6个或者7个自由度，自由度个数主要取决于代码 KEYOPT(1)的值。当 KEYOPT(1)=0时，每个节点有6个自由度，沿坐标系 x，y，z的平动与转动，当 KEYOPT(1)=0时，每个节点有7个自由度，这时引入了第7个自由度(横截面的翘曲)。

4.2.3 Link8单元

每个节点有3个自由度，主要为沿三坐标轴方向的平动［3］。

4.3 模型的建立

先拟定双壁钢围堰的尺寸，模型的建立按照由上往下的方式，建立一个圆环体，切割形成斜撑与内外壁、隔舱板等，然后建立横竖肋，定义各构件的几何特性，进行网格划分，形成有限元模型，围堰的整体和局部模型见图2、图3。

5 计算工况与设计荷载

5.1 计算工况

工况一:围堰下沉到位后，浇筑封底混凝土之前。荷载为静水压力、动水压力、风压力等，围堰约束为着床后的竖向约束。

工况二:封底混凝土已浇筑，围堰内水位抽至承台底面高程。荷载为静水压力、动水压力、风压力等，围堰约束为刃脚底面的竖向约束和2 m厚封底混凝土对围堰内壁的横向约束。

5.2 设计荷载

不同工况的荷载不同，本文以工况二为例计算。

5.2.1 静水压力q1

钢围堰结构的主要荷载是静水压力，围堰底到最高水位的距离h=7 m，故围堰的最大静水压力q1=γh=10×7=70 kN/m2=70 kPa，γ为水的重度，取为 10 kN/m3。围堰顶水压力为零，从顶节围堰顶到刃脚底的静水压力呈倒三角形分布。

图2 双壁钢围堰整体模型

图3 双壁钢围堰局部模型

5.2.2 底部外侧土压力q土

土的浮重度 γ取为10 kN/m3，则堰底土压力为q土=γh=10 ×2=20 kN/m2=20 kPa。

5.2.3 动水压力q2

动水压力是引起钢围堰倾覆的主要作用力，水面处的动水压力最大，到刃脚底为零。

5.2.4 风压力F(如压力较小，可以忽略)

风压W计算

式中，W0为基本风压;K1，K2，K3均为风压系数。

风压力F=WA，其中A是围堰的受风面积。

具体计算荷载见图4。

图4 围堰承受的水平静水压力、动水压力、土压力图示(压力单位:kPa;高度单位:mm)

6 计算结果

本次有限元模型共分890个单元，横肋、竖肋、斜撑单元共2 338根，采用通用处理器对所建围堰模型进行分析处理，得出钢围堰各组件的位移和应力结果。

图5、图6为围堰结构的变形和围堰结构的等效应力。从图5(a)可以看到，围堰的最大位移发生在围堰的上部，主要原因是开始设计时考虑到上部结构受力较小，未设置横肋和斜撑，影响整体的刚度，故在围堰顶部增设横肋与斜撑。

从图5(b)～图6可以看出，围堰外壁板的最大等效应力为158.131 MPa，围堰内壁板的最大等效应力为157.716 MPa，各肋板的最大等效应力为 11.094 MPa，隔舱板的最大等效应力为49.878 MPa，均 ＜215 MPa，满足强度要求。

7 结束语

通过对滦河特大铁路桥双壁钢围堰的三维有限元模拟分析，掌握了钢围堰在三维受力状态下的位移和受力情况，可看出围堰设计比较合理，加劲肋与钢板隔舱板的安全储备较大，角钢加劲肋改用 Q235钢板以节约成本，为减少购买钢板的种类和保证围堰的绝对安全，隔舱板仍采用厚6 mm钢板。目前中铁二十二局已完成遵化—小寺沟铁路2号到7号墩的深水围堰施工，说明围堰的设计比较合理，有效地保证了工程的顺利进行。

图5 围堰结构变形和等效应力云图

图6 围堰内外壁板、横肋、隔舱板等效应力云图(单位:kPa)

［1］刘自明，王邦楣，陈开利．桥梁深水基础［M］．北京:人民交通出版社，2003．

［2］杨学峰．某大桥双壁钢围堰结构的三维有限元分析［J］．北京:国防交通工程与技术，2010(3):22-24．

［3］陈成．双壁钢围堰结构三维仿真分析［J］．北京:铁道建筑，2008(4):10-11．