深水基础施工中双壁钢围堰结构分析

严江涛

(中铁十八局集团第二工程有限公司,河北唐山 063000)

近年来,随着我国铁路事业的不断发展,铁路的运营里程截至2022 年年末达到15.5 万公里。其中,桥梁里程占总里程数的20%～30%,在部分高速铁路线路中占比甚至突破50%[1-2]。对于水深6 m以上的深水基础施工,若水上施工平台设计不当,极易引发安全事故[3]。为保证大跨度涉水桥梁的深水基础施工平台的安全性,桥梁深水基础中常采用钢围堰的形式进行施工。

钢套箱围堰是广泛应用于桥梁深水基础施工中的一种挡水结构[4-5]。钢套箱围堰通常采用钢板制造的无底围护结构,必要时内加支撑体系及混凝土封底,从而挡住套箱外侧水土并形成施工空间。钢套箱围堰的构造形式有单壁式、双壁式以及单双壁组合式,其平面形状有圆形和矩形(包含圆端形)两种。其中,双壁钢围堰以其刚度大、强度高、整体性好、施工风险可控且能承受较大水压等优点被广泛应用于深水急流中的桥梁修筑工程[6-8]。

本项目以某特大桥20#墩的双壁钢围堰为例,分析双壁钢围堰在施工阶段各工况中的受力状态及变形特性,提出施工过程中应重点监测的阶段与部位,为工程的顺利实施提供理论依据。

1 工程及水文地质情况

1.1 特大桥工程概况

某特大桥的涉水部分为(80+160+80)m 的预应力混凝土连续刚构桥,桥型立面布置如图1 所示。该桥墩台基础采用钻孔灌注桩基础,其中20#墩基础结构的横桥向尺寸为17.6 m、顺桥向尺寸为12.2 m、高为5 m。该承台下布置有10 根直径为2 m 的钻孔灌注桩,桩长均为52 m。

图1 桥型立面布置(单位:m)

1.2 桥址水文地质条件

主桥区即18#墩～21#墩,河床底上覆地层自上至下为砂层、砾石层、泥盆系帽子峰组(D3m)弱风化粉砂岩层。河床面趋于平稳,标高在0.2～2.8 m 之间。

该河流所处区域降雨量大,河流流量主要依靠雨水补给,年平均流量达1 430 m3/s。但河流流量受季节降雨量影响较大,年内流量分配不均匀,具有明显的汛期与枯水期,汛期1 个月内的流量可占年径流量的20%。根据水文勘察资料得出桥址处最大水深为11.06 m,洪水最大流量为15 840 m3/s,五年一遇洪水位为17.30 m。

1.3 双壁钢围堰结构设计

20#墩采用双壁钢围堰方案作为该平台的施工方案。该双壁钢围堰外径为23 m、内径为20.6 m、壁厚为1.2 m,围堰高31.315 m,共分为7 层,由下至上每层高度分别为5.75 m、5.00 m、3.90 m、4.00 m、4.20 m、4.40 m、4.065 m,封底混凝土厚度为4 m,20#墩双壁钢围堰立面布置如图2 所示。根据现有水上起重设备的起重能力要求,为方便运输及安装,双壁钢围堰沿平面方向等分为8 块,每2 块之间设置隔板仓,壁厚为12 mm,20#墩双壁钢围堰平面布置如图3 所示。

图3 20#墩双壁钢围堰平面布置(单位:mm)

双壁钢围堰在结构上由内外壁板、水平杆、水平环肋、竖肋、隔仓板等组成,考虑到结构的机械性能和化学成分要求,所有构件均采用Q235 钢,20#墩双壁钢围堰材料规格如表1 所示。

表1 20#墩双壁钢围堰材料规格

2 有限元模型构建

2.1 有限元模型

本项目采用有限元分析软件Midas Civil 建立特大桥20#墩的双壁钢围堰有限元模型。其中采用板单元模拟外壁、内壁及隔板仓,采用梁单元模拟环肋、竖肋及水平连杆,采用共用节点的方式将双壁钢围堰中的不同构件进行连接。钢围堰刃脚处采用实体单元模拟C30 封底混凝土,因其与河床底基岩嵌固,在进行有限元分析时钢围堰底部采用固结的连接方式。

20#墩的双壁钢围堰有限元模型共计节点31 316 个、单元57 796 个。

有限元模型如图4 所示。

图4 有限元模型

2.2 荷载计算

2.2.1 静水压力

根据钢套箱设计及河床表面位置,将钢套箱内未灌注混凝土的部分按全部承受外部水压力进行计算,静水压力p的计算公式如式(1)所示。

式中,γw为水的重度,取9.81 kN/m3;H为计算点处的作用水头,按计算水位与计算点的高差确定。

计算高度为17.3 m-(-2.835 m)=20.135 m,静水压力为三角形分布,上部为0,下部为201.35 kN/m。

2.2.2 流水压力

河水在流动时会对双壁钢围堰造成冲刷,产生流水压力,流水压力P的计算公式如式(2)所示。

式中,K为围堰形状系数,此处K取0.73;A为钢围堰阻水面积,m2;ρ为水的密度,t/m3;v为河流流速,m/s。

钢围堰阻水面积A=23 m×20.135 m≈463.1 m2。

根据当地水文资料可知,洪水期最大流水速度为1.5 m/s,钢套箱承受的流水压力

按照迎水面及承受流水的高度折算上下的面荷载

河流流速随深度的增大而减小,且在底面处接近0,此处围堰所受到的流水压力按照倒三角的形式进行加载,即上部为1 kN/m2,下部为0,作用于迎水面外壁板径向。流水作用简化计算示意如图5 所示,流水作用加载示意如图6 所示。

图5 流水作用简化计算示意

图6 流水作用加载示意

2.2.3 施工荷载

施工荷载包含桩基施工机械荷载和施工人员荷载,有限元仿真分析时将该荷载以均布荷载的形式线形设置于双壁钢围堰底部封底混凝土上,均布荷载取值为5 kN/m2。施工荷载加载示意如图7所示。

图7 施工荷载加载示意

2.2.4 内外壁间水压力

首节围堰拼装完成,下放并达到自浮状态后,需向内外壁间灌注混凝土或进行仓内灌水处理,用以辅助围堰下沉。20#双壁钢围堰混凝土浇筑高度为9.98 m,其上采用注水处理的高度为5.67 m,静水压力沿径向分布,静水压力

2.3 工况计算

20#双壁钢围堰采用分节拼装的方式进行施工,20#墩双壁钢围堰下沉示意如图8 所示。

图8 20#墩双壁钢围堰下沉示意

2.3.1 双壁钢围堰自浮状态(工况一)

20#双壁钢围堰共分为7 节进行焊接拼装,完成前6 节拼装后,其自重均小于浮力,钢围堰漂浮在水中,刃脚未能到达河床位置,需通过壁仓内浇筑混凝土及注水的方式,提高双壁钢围堰自身重力,使围堰处于自浮状态的同时,保证每节围堰焊缝位于水面1.5 m 高度。

2.3.2 双壁钢围堰吸泥下沉(工况二)

钢围堰刃脚与河流的河床接触后,围堰下沉阻力增大,需通过向钢围堰壁仓内注水,同时利用吸泥机吸取刃脚周边泥土的方式,辅助围堰下沉。在该过程中,围堰内部为满水状态,其高度与河流水平面齐平,内外水头差为0,双壁钢围堰所受荷载组合为自重+流水压力+施工荷载。

2.3.3 双壁钢围堰仓内抽水(工况三)

双壁钢围堰吸泥下沉至指定标高,经过清基、浇筑封底混凝土的流程后,需进行抽水作业。完成抽水作业后,围堰外壁受到河水的静水压力+流水压力,而围堰内壁无水压力,为控制内外壁水压差,应向围堰隔板仓内注水,其高度为5.67 m。此时双壁钢围堰所受荷载组合相较于工况二,增加了静水压力与内外壁间的水压力。

3 双壁钢围堰受力情况及稳定性分析

3.1 受力情况分析

3.1.1 工况二分析

工况二条件下外壁应力分布如图9 所示,工况二条件下20#墩双壁钢围堰的最大应力及最大变形如表2 所示。

表2 工况二条件下20#墩双壁钢围堰的最大应力及最大变形

图9 工况二条件下外壁应力分布

由表2 及分析可知:①由于围堰内外水头差为0,各构件最大应力及最大变形的数值不大,远小于Q235 钢材强度设计值,满足设计要求;②由应力分布情况可知,各构件出现应力最大值的部位较为接近,靠近隔板仓内混凝土浇筑部分的应力明显大于其余部分;③由于各层选用的材料规格并不一致,应力出现较大波动,应合理选用相应规格,保证结构安全的同时节省材料。

3.1.2 工况三分析

工况三条件下外壁应力分布如图10 所示,工况三条件下20#墩双壁钢围堰的最大应力及最大变形如表3 所示。

表3 工况三条件下20#墩双壁钢围堰的最大应力及最大变形

图10 工况三条件下外壁应力分布

由表3 及分析可知:①由于围堰内外存在水头差,各构件最大应力及最大变形的数值出现较大变化,明显大于工况二的数值,但满足设计要求;②内外壁在变形大小上出现明显差异,外壁变形远大于内壁变形;③双壁钢围堰最大应力及变形出现位置与工况二接近。

3.2 抗浮稳定性分析

钢套箱围堰下沉到位后,其主要承受水压力和土压力,而作用在封底混凝土底的水压力方向向上,对钢套箱围堰有浮起作用,因此需要计算其整体抗浮能力。在工况二情况下,围堰的抗浮荷载主要为双壁钢围堰自重、围堰内灌注的混凝土自重、封底混凝土自重、桩基摩阻力以及仓内水的自重;在工况三情况下,围堰的抗浮荷载因经过抽水施工,与工况二相比缺少仓内水的自重。计算得到N抗2=1.13×108N,N抗3=9.69×107N。

在工况二和工况三情况下,双壁钢围堰受到的浮力均等于其排水量的重力,即N浮=1.13×108N。

20#墩双壁钢围堰的抗浮稳定性安全系数如表4 所示。

表4 20#墩双壁钢围堰的抗浮稳定性安全系数

在工况二的情况下,双壁钢围堰的抗浮稳定性安全系数仅为1.00,小于规范要求的1.15,不具备足够的安全储备。在实际施工中,可采用在钢护筒处添加钢板以增大摩阻力的方式,保证双壁钢围堰具有足够的抗浮安全储备。

4 结论

本项目针对某大桥20#双壁钢围堰建立了Midas Civil 有限元仿真分析模型,结合围堰施工流程,对该过程中出现的不同工况进行分析,得到以下结论。

(1) 有限元分析表明20#双壁钢围堰在不同的施工工况下,其强度、刚度及变形均满足设计要求,且具有足够的安全储备,能满足现场施工需要。

(2) 在工况三的情况下,即双壁钢围堰仓内抽水时,双壁钢围堰处于最不利工况,但结构仍然具有一定的安全储备。其中钢围堰的最大位移为8.56 mm,发生于封底混凝土上方2～3 m 处;外壁、竖肋的最大应力为155 MPa 左右,位置均与位移处一致;其余部位应力远小于外壁、竖肋处。钢围堰应力分布规律较为明显,在不同位置可采用不同型号、规格的材料,需注重对封底混凝土上方一定范围内结构的加强,在保证结构满足设计要求的前提下,尽量降低工程造价。

(3) 20#双壁钢围堰在未抽水时,抗浮性能的安全储备较小,为改进其抗浮性能,保证施工安全有序进行,应在该施工阶段增设临时结构以增加其抗浮安全储备。在施工过程中,本项目提出在钢护筒处添加钢板以增加抗浮荷载的方法,对同类工程具有借鉴意义。