基于FEA—AHP—模糊综合评估法的锁口钢管桩围堰安全性评估

杨万鹏 麻伟 肖杰 王冲 石拓

摘要：锁口钢管桩围堰在深水基础的施工中发挥着巨大作用，而其在施工过程中的安全性一直是比较重要控制因素，本文以某大桥基础施工中的锁口钢管桩围堰为工程背景，利用有限元软件建立整个围堰的三维模型，选取最不利工况的控制构件应力，结合层次分析法和模糊综合评估法对锁口钢管桩围堰的安全性做了评估，并与实际施工监测结果进行对比得出了结论与建议。

关键词：锁口钢管桩围堰；有限元分析；层次分析法；模糊综合评估法；施工监测

引言

钢围堰作为深水基础常见的临时结构设施，有刚度大、方便施工等特点[1]，在施工期间钢围堰受力体系复杂，影响其安全性的因素很多，而很多学者采用了有限元建模对钢围堰进行安全验算 [2][3][4][5]。本文利用有限元法（FEA）结合结合层次分析法（AHP）和模糊综合评估法对某钢围堰安全性作出评价。

1 工程背景

某大桥为四跨连续刚构桥，由于该桥所处河道水较深，基础水没深度超过了5m，属于深水基础，因此基础施工采用钢围堰施工。7#墩基础钢围堰采用锁口钢管桩形式，钢管桩为φ630mm×10mm的钢管和工字钢焊接组合，工字钢和φ160mm×8mm钢管形成锁口，钢管桩桩长17m。围堰平面尺寸为15.18m×33.04m， 围堰内设置两层竖向间距4.5m的水平内支撑，内支撑选用φ630mm×10mm钢管支撑，围囹为双拼I40b工字钢，钢管桩共设37+37+15+15=104根。围堰施工时，设计水位为60.65m，设计水流速度1.0m/s，主墩处河床强风化泥岩层最低标高52.00m。围堰拼装完成后，围堰内开挖至高程51m，抽水并进行水下混凝土封底。钢围堰平面图如图1所示。

图1 围堰平面布置图（单位：cm）

2 建立有限元模型

将整个围堰用Midas-civil进行模拟，离散为2536个梁

单元，围堰结构只考虑钢管桩受力，钢管桩端部设定为固定端，计算最不利工况（围堰内水抽干）。整个围堰所受到的外水压力分为静水压力和动水压力，静水压力作用于围堰的四周，动水压力作用于围堰迎水面，本次主要验算在外静水压力和动水压力作用下钢管桩的工作状况。计算模型如图2所示。

图2 钢围堰midas Civil有限元模型

3 施工现场测点测站布置

3.1 位移测点布置

根据围堰的布置形式，位移测点分别布置在围堰钢管桩顶部，四个角点桩（各1个）、上游围堰中点桩（1个）、下游围堰中点桩（1个）、横桥向围堰中点（2个，柳州侧和梧州侧各一个），总共8个位移测点（测点编号为L1～L3、W1～W3、上游测点、下游测点），测点布置图如图3所示。

图3 围堰位移测点布置

3.2 应力测点布置

应力测点根据围堰构造和受力特点，分别布置在围堰上下层内支撑钢管端部（上层6个，下层6个，共12个）、围囹工字钢中点（上游围囹1个、下游围囹1个、横桥向柳州侧1个、横桥向梧州侧1个，上下两层共8个），总共20个应力测点（上层测点编号A1～A10，下层测点编号B1～B10，测点布置图如图4和图5所示。

图4 围堰上层应力测点布置图

图5 围堰下层应力测点布置图

3.3 测站布置和测量方法

位移测站点设置在梧州岸平地上，位移观测点布设棱镜头，采用全站仪进行测量。应变测点布置于内支撑钢管端部和工字钢中点表面，采用手持应变仪进行测量。

4 有限元计算结果

4.1 位移计算

在荷载自重和水压力的组合作用下，围堰最大位移发生在上游面中部，如图6所示。

图6 荷载组合作用下围堰位移分布图

4.2 应力计算

在荷载自重和水压力的组合作用下，围堰最大弯曲应力发生在围堰与河床交接处，如图7所示。

图7 围堰弯曲应力图

5 层次-模糊分析综合评估

围堰由钢管桩、围囹、支撑钢管组成，围堰整体安全性由这些构件决定，从有限元计算模型中分别提取横桥向和纵桥向这些构件的最大应力值。

（1）运用层次分析评估法构造6个构件的判断矩阵

注：1为横桥向，2为纵桥向

计算的权重向量W=（0.43，0.26，0.03，0.07，0.10，0.11）

判断矩阵最大特征值λmax=6.5803

一致性指标

一致性比率

满足一致性原则

（2）模糊综合评估法

将钢管桩、围囹、支撑钢管应力与允许应力的比值作为评估指标

把构件应力比值区间评价集（0.2，0.4，0.6，0.8，1.0）划分为好、良好、较好、中、差五个安全等级。

隶属函数选用三角形隶属函数

图8三角形隶属函数

得到6个构件的评估矩阵

模糊计算B=W·R=（0.15，0.16，0.10，0.58，0.01）

评价集取中间值进行赋值C=（0.1，0.3，0.5，0.7，0.9）T

围堰整体安全等级评估结果P=B·C=0.528

可得围堰在最不利工况的施工安全性等级为较好。

6 有限元计算结果与监测值对比分析

6.1 位移数据对比

图9 围堰位移测点和实测值对比图

6.2 应力数据对比

图10 围堰应力测点和实测值对比图

6.3 对比结果及其分析

（1）围堰位移测点横桥向最大位移为-19.0mm，纵桥向最大位移为-32.0mm，在施工期间在最不利工况下（内水抽干），围堰位移量不大；

（2）围堰应力测点最大压应力-68.04MPa，最大拉应力46.20MPa，小于《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）对Q235钢的极限应力值225Mpa；

（3）实测的围堰位移和应力结果表明，本工程桥梁桥墩基础施工围堰在最不利工况下（内水抽干），围堰是安全、稳定的；

（4）围堰位移和应力理论计算值均小于实测值，原因主要是由于计算模拟围堰结构受力只考虑钢管桩受力，不考虑工字钢和焊接钢板受力的作用，这就导致了结构实际受力状态与计算值略有偏差。

7 结论

本文运用FEA-AHP-模糊综合评估法对深水基础施工的锁口钢管桩围堰的进行了安全性评估，得出了钢围堰在最不利施工工况下的施工安全等级为较好，并与实际监测数值进行对比分析，实际监测数据說明钢围堰在施工中的应力与位移都在安全范围内，与评估结构比较吻合。可为同类型锁口钢管桩围堰的施工期间安全性评估提供参考。

参考文献：

[1]方诗圣，丁仕洪. MARC软件的桥梁深水基础钢围堰仿真分析[J].南昌大学学报，2008（03）：91-94

[2]崔春义，黄建，孙占琦，等.不同水位下钢板围堰工作性状有限元分析[J].广西大学学报： 自然科学版，2010（01）： 187-192.

[3]韩跃国，陈永勇，皮海波.永修大桥主墩钢板桩围堰设计与施工[J].铁道标准设计，2008（5）： 74-77.

[4]薛政群，顾卫东.单层钢板桩深水围堰[J].公路， 2003（03）： 81-85.

[5]卓全.钢板桩支护设计与施工中应注意的若干问题[J].建筑科学，2002， 18（4）： 42-44.

作者简介：杨万鹏 ，男，广西大学土木建筑工程学院硕士研究生，主要研究方向桥梁施工监控