五峰山长江大桥钢板桩围堰在复杂工况下的力学性能分析

肖 亮,甘一鸣

(1.湖北工业大学土木建筑与环境学院， 武汉 430068；2.中铁大桥局集团有限公司，武汉 430050 )

随着国家桥梁基础建设的不断推进与发展，钢板桩被广泛地应用于桥梁深水基础的施工中。钢板桩具有可重复使用、刚度大、变形小等特点[1]，是国内桥梁水中墩承台施工时较为普遍的围堰形式。此外，选择钢板桩围堰施工前，会遇到一些技术难题[2]，例如，围堰结构的计算过程较为复杂；施工前，封底混凝土容易出现管涌和钢板桩易卷曲变形；围堰侧壁易出现漏水现象，需增加防水等措施[3]。因此施工前优化钢板桩围堰的结构计算对于围堰施工具有指导性意义。对于桥梁水中墩钢板桩围堰受力分析，传统的分析方法通常采用“一次成型”的平面应力分析方法，虽然该方法建模过程简便，计算过程较快，但在围堰施工过程中，随着工程建设的有序推进，其结构和荷载是一个动态变化的过程。因此，其分析结果往往差强人意，难以达到理想的效果及精度。为了解决这些问题，需要从围堰结构设计阶段进行分析，同时选择合理的施工方法确保围堰在施工的过程中结构的安全性及稳定性。该文以五峰山长江特大桥工程4#墩钢板桩围堰为案例，以桥梁水中墩钢板桩围堰的整体刚度及稳定性为出发点，通过midas软件对钢板桩围堰结构进行建模计算、结构分析、强度及稳定性验算等，来指导钢板桩围堰的设计及施工[4]。

1 工程概况

五峰山长江特大桥位于江苏省，为公铁合建悬索桥，北接扬州市，南接镇江市。主跨度1 092 m，主缆边跨度350 m。4#墩为悬索桥的南岸侧主塔墩，其下部结构基础为67根φ2.8 m钻孔灌注桩，上游侧采用 35 根桩，下游侧采用 32 根桩，桩基呈梅花式布置。钻孔灌注桩钢护筒作为主体结构与钻孔灌注桩共同参与受力，钻孔灌注桩钢护筒底标高-17.5 m(1985国家高程基准，下同)。承台截面为哑铃形，顺桥向尺寸40.0 m，横桥向尺寸95.94 m，圆形半径R=20.0 m，圆形中心距55.94 m，直线段宽20.0 m，承台顶标高-2.50 m，底标高+7.00 m，承台高9.5 m。五峰山长江特大桥4#墩基础施工采用哑铃形钢板桩围堰施工，钢板桩采用SKSP-SX27与工40a组合结构。钢板桩围堰总长为32.0 m，顺桥向尺寸43.20 m，横桥向尺寸99.14 m，圆形设置半径R=21.39 m，共设置3道圈梁、内支撑。围堰顶高程为+8.50 m，围堰底高程为—23.50 m，封底混凝土厚3.0 m。

2 MIDAS-CIVIL计算分析

2.1 封底混凝土厚度的分析

钢板桩围堰在清淤的过程中，如承载力的不足，将导致基坑底土的隆起[5]。因此，需要对封底混凝土厚度进行验算，确保混凝土的强度满足施工要求。计算采用midas 2010进行建模计算，在护筒四周采用铰接约束，封底混凝土周圈考虑封底以上钢板桩围堰结构自重对其的约束，设防水位(+6.64 m)。封底混凝土所受荷载按123.4 kN/m2垂直加载于封底混凝土底板上，封底混凝土容重按23 kN/m3，厚度3.2 m进行验算。计算出最大护筒受力为3 216.6 kN,每根钢护筒所承受的粘结力为2 578.6/(3.14×3.2×3.2)=80.2 kPa<150 kPa，最大有效应力0.48<0.5 MPa；计算出最大护筒受力为2 058.0 kN,每根钢护筒所承受的粘结力为：2 058.0/(3.14×1.8×3.2)=113.8 kPa<150 kPa，最大有效应力0.5≤0.5 MPa；封底混凝土计算厚度3.2 m，满足要求，实际取3.5 m。

2.2 吸泥到位工况分析

计算水位取设防水位+2.00 m。土处于设防水位以下的，取浮重。

超载换算成一定厚度的土层回填细沙

计算钢板桩入土深度时，考虑被动土压力与主动土压力相等的点作为弯矩零点[6]。则钢板桩上土压力强度等于零的点距离基坑底面的距离y作为未知数，可以列出如下函数。

y=2.69 m

式中,Ka1为清淤面以下的主动土压力Ka1=tan2(45-φ1/2)=tan2(45-11.2/2)=0.675;Ka2为清淤面以上主动土压力系数，Ka2=tan2(45-φ2/2)=tan2(45-9.8/2)=0.71；φ1为清淤面以下内摩擦角平均值，取值11.2°；φ2为清淤面以上内摩擦角平均值，取值9.8°；Kp为被动土压力系数，Kp=tan2(45+11.2/2)=1.48；H为基坑深度，H=14.523 m；γ1为基坑底以下土平均容重，地下水以下取浮重，取值9.4 kN/m3；γ2为基坑底以上土平均容重，地下水以下取浮重，取值13.8 kN/m3；c1为基坑底以下土平均粘聚力，取值30.2 kPa；c2为基坑底以上土平均粘聚力，取值28.0 kPa。

取等值梁部分建模，荷载考虑静水压力及土压力，取1 m宽钢板桩建模计算，在圈梁处建立弹性支座(顶层圈梁SDz=21 739 kN/m，中层及底层圈梁SDz=43 478 kN/m，弹性支撑参数根据内支撑平面模型加载后求得)。

计算得到支反力：顶层圈梁反力为-58.3 kN/m。中层圈梁反力为6.6 kN/m。底层圈梁反力为352.3 kN/m。

桩底位于弯矩零点以下深度为(符号含义同上)

则钢板桩入土深度为：t=1.2×(2.69+4.2)=8.3 m。实际取钢板桩入土深度为13.5 m，钢板桩长28 m。

2.3 圈梁及内支撑的分析

圈梁和内支撑荷载为圈梁及内支撑自重通过钢板桩传递到圈梁上的水、土压力。作用在圈梁上的荷载应由钢板桩模型中内支撑处的支点反力求出[7]。经计算，底层圈梁和内支撑最大支反力为352.3 kN，即均布荷载为352.3 kN/m；中层圈梁和内支撑最大支反力为324.1 kN，即均布荷载为324.1 kN/m；顶层圈梁和内支撑最大支反力为100.2 kN，即均布荷载为100.2 kN/m。

圈梁结果统计如表1所示。

表1 圈梁结果统计表

圈梁和内支撑最大组合正应力均<170 MPa，满足要求；最大剪应力均<100 MPa，满足要求。

3 结 论

a.运用midas软件建立了桥梁圆形段封底混凝土有效应力计算模型，并计算出最大护筒受力为3 216.6 kN，封底混凝土计算厚度3.2 m，均满足施工要求。

b.以朗肯土压力计算原理，确定了钢板桩最大弯矩M=300.0 kN·m，1 m宽钢板桩抗弯模量为W=2 700 cm3，均满足施工要求；圈梁及内支撑的计算中，底层圈梁和内支撑最大支反力为352.3 kN，顶层圈梁和内支撑最大支反力为100.2 kN，同时，比较了各圈梁和内支撑的组合应力，均达到了设计要求。因此，五峰山长江特大桥工程4#墩钢板桩围堰的强度、变形和结构稳定性均满足要求，可以按设计进行安全施工。同时，为同类型的钢板桩围堰的安全施工提供可行性技术参考。

[1] 徐顺平，戴小松.软土地基双排桩围堰稳定性分析及应用[J].施工技术，2017，46(1):13-17.

[2] 夏颂军.深厚软弱地质条件下钢板桩围堰设计[J].世界桥梁，2016，44(6):17-22.

[3] 曾庆敦,姚双龙.钢板桩围堰及支撑系统的稳定安全性分析[J].中外公路,2009,29(6):174-177.

[4] 武向东,吴中鑫,姚振海.松花江大桥抢险维修加固钢板桩围堰设计[J].公路,2013(1):153-157.

[5] 潘 泓,王加利,曹 洪,等.钢板桩围堰在不同施工工序下的变形及内力特性研究[J].岩石力学与工程学报,2013,32(11):2316-2324.

[6] 张 骏.桥梁深水基础钢板桩围堰受力分析与应用[J].桥梁建设,2012,42(5):74-81.

[7] 汤劲松，熊保林.钢板桩围堰设计的土压力计算方法探讨[J]岩土工程学报，2014(S2):36-41.