单壁有底钢套箱侧板及围囹系统安全性能分析

董 梅

(佛山市交通投资集团有限公司， 广东 佛山 528315)

0 引言

钢套箱结构整体性好，强度与刚度较大，既可用作成桥后的永久防撞设施，又可用作承台施工时的模板。承台施工时需验算不同工况下套箱所受的水压力和砼压力，而对承受套箱和封底混凝土自重的底架系统，则需要进行整体式结构设计，从而保证底梁的整体结构强度、刚度和稳定性满足施工要求。目前国内较多研究均采用有限元分析验证复杂工况下的套箱及围囹系统的受力特性，以期对施工进行事前指导、过程监控。

佛山市富龙西江特大桥工程是佛山一环西拓重要组织部分，被列为广东省重点项目。主桥全长1070 m，跨径为(69+176+580+176+69)m；采用双塔双索面混合梁斜拉桥(组合梁+混凝土梁)，桥型如图1所示。

图1 富龙西江特大桥立面布置(单位： cm)

19#主墩承台采用C40混凝土，承台形状设计成椭圆角方形，承台平面尺寸为26.5 m(顺桥向)×68 m(横桥向)，承台厚6 m，如图2所示。基础为嵌岩桩，采用C35混凝土，承台下设有30根直径3.0 m的钻孔灌注桩基础和4根直径1.4 m的辅助桩。桩基施工完成后，下放钢套箱至设计位置，先分2次浇筑封底混凝土，再分3次浇筑承台混凝土，完成19#主墩承台的施工。

图2 主墩基础构造平面(单位： cm)

1 主墩套箱构造

1.1 结构形式

富龙西江特大桥19#主墩套箱采用单壁有底钢套箱施工，采用套箱侧板作为承台的模板和挡水结构。套箱为场外加工、现场拼装下放。套箱底板由承重梁、分配梁和底模组成，底模最大分块尺寸为8.8m×3.6 m，护筒直径3.3 m，底模在护筒位置开孔直径3.6 m。套箱侧板总高度为9.8m，侧板水平分块最大尺寸为3.6 m，接缝处采用螺栓连接。侧板外侧设置2道围囹。

套箱底板通过提吊系统锚固于护筒顶端，每个护筒设置2个锚固吊杆。套箱提吊下放时，采用千斤顶多点同步下放。封底采用C25水下混凝土，总厚度2.5 m。

套箱顶标高为+6.8 m，承台顶标高为+5.5m，承台底标高为-0.5 m，套箱底标高为-3.0 m。设计高水位为+5.0 m，设计低水位为+0.31 m，设计流速为2.0 m/s，设计风速:正常期为25 m/s，台风期为40 m/s。

1.2 结构分析

在桩顶上接长护筒，护筒顶部设置桩顶承重梁，钢套箱底部同样设置套箱底部承重梁。通过提吊索连接桩顶承重梁和底部承重梁。底部承重梁上架设分配梁，再铺设底板，使得荷载以更均匀的方式传递至底板承重梁，且各提吊索的应力更为接近。

底板系统上设置侧板系统，侧板系统由预制的各侧板节段拼接构成。为了防止侧板发生局部屈曲，同时提高其承载能力，侧板上设有沿高度方向的龙骨、水平布置的槽钢加劲肋以及由3道由工字钢构成的围囹。

侧板上还设有沿纵桥向的内支撑，内支撑由圆钢管构成的上、下弦杆和槽钢构成的腹杆组成，以提高侧板系统的面外稳定性，防止侧板发生整体失稳破坏。

套箱施工工序为:套箱下放、水下浇筑第1层封底混凝土(1.8 m)、套箱抽水、浇筑调平层混凝土(厚度0.7 m)、浇筑第1层承台混凝土(厚度1.5 m)、浇筑第2层承台混凝土(厚度1.5 m)、浇筑第3层承台混凝土(厚度3.0 m)。其中最不利工况为：①高水位抽水时套箱处于最不利状态，需验算侧板系统及封底混凝土的抗浮性能。②浇筑调平层混凝土(厚度0.7 m)时，由于调平层较厚，需要验算低水位期间的封底抗滑移性能。本文以该2处最不利工况分析套箱侧板及围囹系统安全性能。

1.3 分析内容

1)通过Midas软件对钢套箱系统进行分析，内容包括套箱底板及提吊系统、套箱侧板系统的计算[1-2]。确定在各最不利工况下，钢套箱的整体变形及各部件变形情况；底板承重梁、底板分配梁、桩顶承重梁、底板面板、侧板龙骨、侧板横肋、顶层围囹等构件的正应力和剪应力；吊杆拉力、套箱内撑轴力及围囹拉杆反力等，并进行相关验算，把握结构的主要受力和变形性能指标。

2)判断19#主墩承台的施工是否安全。是否需对现有的施工方案进行改进，并对施工方案进行详细分析。

2 建立分析模型

1)模型整体。采用Midas软件进行建模分析，模型共2522个节点，5208个单元(其中包括梁单元3333个，板单元1795个及桁架单元80个)，如图3所示。

图3 钢套箱模型

2)模型各构件。包括底板系统、侧板系统、内支撑系统、提吊系统，模型各构件之间通过共用节点或建立弹性连接的方法组成一个整体，共同承受不同工况下的设计荷载。在不同位置设置边界条件，并对边界进行分组，在不同工况下激活对应的边界条件。通过以上方式模拟分析该钢套箱在荷载作用下的内力和位移[3]。

该主墩承台采用了3种强度的混凝土材料，如表1所示。

表1 19#主墩承台混凝土材料参数混凝土强度/MPa结构弹性模量/MPa密度/(kg·m-3)泊松比剪切模量/MPaC25封底混凝土2.80×1042 4000.2C35桩基3.15×1042 4500.2G=E2(1+μ)C40承台3.25×1042 5300.2

3 套箱侧板及围囹系统计算

高水位套箱抽水工况，在封底混凝土顶面位置对侧板龙骨及面板进行水平约束，沿侧板周边施加静水压力荷载，沿套箱长边方向施加流水压力荷载；低水位浇筑上层承台混凝土工况，在下层承台混凝土顶面位置对预埋拉杆进行水平约束，对下层承台混凝土顶面以下的侧板龙骨进行水平仅受压约束，沿侧板周边施加混凝土侧压力荷载，沿套箱短边方向施加风荷载。结构的变形计算采用荷载标准组合，应力、内力和反力计算采用荷载基本组合[4]。

3.1 高水位套箱抽水工况分析

3.1.1荷载计算与组合

套箱自重G：由软件自动计算。

静水压力P1：沿高度方向三角形分布，由于已浇筑封底混凝土，有封底混凝土的部分静水压力可由封底混凝土承担，认为仅设计高水位(+5.0m)至封底混凝土顶(-1.2 m)的部分存在静水压力。

P1max=γz=60.67kPa。

式中：r为水的重度，kN/m3；z为深度，m。

流水压力P2：沿河流方向。

式中：Cw为水流阻力系数，取0.52；ρ为水的密度，g/cm3；V为设计流速，取2 m/s。

风荷载P3：迎风面P3，1=μsμzW0=0.8×1.17×1.0=0.94 kPa；背风面P3，2=μsμzW0=-0.5×1.17×1.0=-0.59 kPa。其中：μs为体形系数;μz为风压高度变化系数，取1.17;W0为基本风压，W0=V2/1 600=1.0 kPa;V为台风期风速，取40 m/s。

荷载组合：基本组合S1=1.2(G+P1)+1.4(P2+P3)；标准组合S2=G+P1+P2+P3。

3.1.2建模分析

利用Midas软件进行计算，在封底混凝土顶面位置对侧板龙骨及面板进行水平约束，沿侧板周边施加静水压力荷载，沿套箱长边方向施加流水压力荷载，建模分析结果如图4～10所示。

图4 整体变形(单位： mm)

图5 龙骨、围囹、侧板及内支撑变形(单位： mm)

图6 侧板龙骨剪应力(单位： MPa)

图7 侧板龙骨正应力(单位： MPa)

图8 顶层围囹正应力(单位： MPa)

图9 底层围囹正应力(单位： MPa)

图10 内撑剪应力(单位： MPa)

图4～10显示：

① 整体变形最大值为50.8 mm，位于底板中部，龙骨、围囹、侧板及内支撑变形最大值为21.3 mm，位于中内支撑。

② 侧板龙骨剪应力最大值为29.92 MPa，位于龙骨与底层围囹相交处；侧板龙骨正应力的最大值为 34.50 MPa，位于曲线段龙骨下部。侧板龙骨应力最大值为161.19 MPa，位于曲线段龙骨下部。

③ 顶层围囹应力最大值为56.06 MPa，位于直线段中部。顶层围囹剪应力最大值为3.65 MPa，位于直线段中部；顶层围囹正应力的最大值为11.09 MPa，位于直线段中部。底层围囹应力的最大值为68.25 MPa，位于直线段中部。底层围囹剪应力最大值为17.51 MPa，位于直线段中部；底层围囹正应力的最大值为 15.40 MPa，位于曲线段。

④ 内撑剪应力最大值为3.37 MPa，位于边内支撑下弦杆端部。内撑轴力反力最大值为756.91 kN，位于中内支撑下弦杆端部。内撑应力最大值为55.36 MPa，位于中内支撑外侧斜腹杆。

3.1.3内支撑压杆稳定性计算

内支撑采用Φ820×10 mm钢管，a类截面，截面积A=25 748 mm2，回转半径r=287 mm，构件计算长度L=26.5 m，则长细比λ=L/r=92，查规范得稳定系数ψ=0.608。内支撑最大轴力为N=756.91 kN，应力为：

根据《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—2015)第3.2.1条，Q235钢材的抗拉抗压设计强度为190 MPa，内支撑压应力为48.35 MPa<190 MPa，满足规范要求。

3.2 低水位浇筑上层承台混凝土工况分析

3.2.1荷载计算与组合

套箱自重G：由软件自动计算。

静水压力P1：设计低水位(+0.31 m)在下层承台混凝土顶(+2.5 m)以下，认为静水压力全部由混凝土承担，故作用在钢套箱侧板上的静水压力P1=0。

流水压力P2：与静水压力同理，认为P2=0。

风荷载P3计算与上节同。

混凝土侧压力P4：根据《混凝土工程施工规范》推荐的混凝土侧压力计算公式，以及文献[4]方法，当混凝土入模温度为20 ℃，外加剂有缓凝作用(Kw=1.2)，浇筑速度为0.6 m/h，混凝土塌落度为160 mm(Ks=1.15)时，查表得最大侧压力为38.9 kN/m2。另外，当混凝土高度大于3 m时，侧压力不得小于50 kN/m，故取P4 max=50kN/m，有效高度h=2 m。

荷载组合与上节同。

3.2.2建模分析

利用Midas软件进行计算，在下层承台混凝土顶面位置对预埋拉杆进行水平约束，对下层承台混凝土顶面以下的侧板龙骨进行水平仅受压约束，沿侧板周边施加混凝土侧压力荷载，沿套箱短边方向施加风荷载。部分建模分析结果如图11～12所示。

图11 侧板剪应力(单位： MPa)

图12 龙骨、围囹及侧板剪应力(单位： MPa)

建模分析结果显示：

① 侧板应力最大值为79.58 MPa，位于侧板与中内支撑下弦杆接触处。侧板剪应力最大值为42.02 MPa，位于侧板与中支撑下弦杆接触处。

② 龙骨、围囹及侧板位移最大值为18.9 mm，位于直线段中部。龙骨、围囹及侧板应力最大值60.67 MPa，位于曲线段龙骨中部。龙骨、围囹及侧板剪应力最大值21.73 MPa，位于曲线段龙骨中部。顶层围囹拉杆反力最大值为157.1 kN，位于中拉杆。底层围囹拉杆反力最大值为898.4 kN，位于中拉杆。

3.2.3拉杆应力验算

拉杆均采用双肢Φ32 mm精轧螺纹钢，单肢截面积A=804 mm2，最大拉力为N=898.4 kN，根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)第3.2.3条，预应力螺纹钢筋抗拉强度标准值为1 080 MPa，抗拉设计强度为900 MPa，因此，最大拉应力为σ=N/2A=558.71 MPa<900 MPa，满足规范要求。

4 结语

本文针对钢套箱侧板及围囹最不利工况受力和变形情况进行计算，并验算其是否满足规范要求。对套箱侧板及围囹系统的验算包含高水位套箱抽水工况和低水位浇筑上层承台混凝土工况，计算结果均满足规范要求。因此认为富龙西江大桥19#主墩承台的套箱侧板及围囹系统施工方案安全性能满足要求，结构构件在施工阶段的变形均在容许范围内，且不会发生破坏。