铜陵长江公路大桥钢吊箱三维有限元分析

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铜陵长江公路大桥钢吊箱三维有限元分析

毛　攀，　张　力，　王　冲

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥　230009)

摘　要：钢吊箱围堰是为承台施工而设计的临时阻水结构，其作用是通过吊箱围堰侧板和底板上的封底混凝土围水，为承台施工提供无水的干处施工环境。该文对安徽省铜陵长江公路大桥主1号桥墩新增承台钢吊箱整个施工过程中的应力状况及结构变形进行分析，为钢吊箱的设计和施工提供了参考和建议。

关键词：钢吊箱；承台；应力状况；结构变形

钢吊箱围堰是为承台施工而设计的临时阻水结构，其作用是通过吊箱围堰侧板和底板上的封底混凝土围水，为承台施工提供无水的干处施工环境[1]。近几十年来，钢吊箱围堰的设计与施工技术已逐渐完善并趋于成熟，相比于其他施工方法，钢吊箱围堰最为节省使用材料。因此，国内外桥梁深水基础高桩承台的施工，绝大多数采用了吊箱围堰的施工方法。钢吊箱具有施工工期短、水流阻力小，不需沉入河床，材料用量少、经济合理等诸多优点。钢吊箱围堰作为桥梁基础承台施工时的临时结构十分重要，直接关系到桥梁基础乃至整座桥梁建设的成败[2-4]。本文对安徽铜陵长江公路大桥主1号桥墩新增承台钢吊箱整个施工过程中的应力状况及结构变形进行分析，为钢吊箱的设计和施工提供了参考和建议。

1　工程概况

铜陵长江公路大桥位于铜陵市羊山矶下游600 m处，属国家“八五”计划的重点工程。该桥全长2 592 m，其中主桥长1 152 m，桥跨布置80 m+90 m+190 m+432 m+190 m+90 m+80 m，为主跨432 m的双塔双索面预应力混凝土斜拉桥。长江自南向北流经桥位，大桥轴线方位角 101°33′29″，大桥西侧通往合肥，东侧和铜陵相接，主桥下部墩位采用从合肥至铜陵(由西至东)依次编号，分别为主1～主8号桥墩。本文研究的是单壁钢混组合底板结构拉压式钢吊箱，平面尺寸为15.600 m×14.000 m，高度为7.000 m，侧板水平分为4块，高度方向分为3节。钢吊箱平面布置图和立面布置图分别如图1和图2所示。

图1　钢吊箱平面布置图

图2　钢吊箱立面布置图

2　钢吊箱计算模型

对于钢吊箱这种构造和受力均较复杂的空间结构，采用二维有限元简化建模分析的方法进行钢吊箱结构设计时，显然无法对结构整体力学性能进行全面地把握。随着有限元及计算机技术的发展，通过大型有限元分析软件对钢吊箱各个工况进行三维整体建模及分析的方法也有了很大的发展，有限元分析方法较好地考虑了钢吊箱构件拼装后的整体受力特性，查找应力集中及变形较大部位特别方便，而且在计算精度方面也基本满足工程上的要求[5-7]。因此，本文采用 MIDAS/Civil对拉压式钢吊箱进行空间分析，三维空间模型如图3所示。梁单元2 944个，板单元1 737个，实体单元1 011个。

图3　钢吊箱围堰三维模型图

2.1　钢吊箱底板

拉压式钢吊箱底板由底板骨架、底模和水平环撑组成。底板骨架 I20a 间距 50 cm 组成，为底板受力的主要结构；底模由10 mm厚的钢板组成；水平环撑为I25a 组成，在钢板四周形成一圈。为了使钢吊箱围堰底板顺利穿过2根原有桩基和4根新增桩基，将钢吊箱围堰底板钢板在水平方向分为 2 块，现场焊接成整体。

2.2　钢吊箱侧板

拉压式钢吊箱侧板为单壁肋板式焊接结构，水平方向分为4块，高度方向分为3节。由侧模、竖肋、块间竖肋、水平环撑、节间水平环撑焊接而成。侧模由6 mm钢板构成；竖肋由I22a型钢组成，间距为 50 cm；块间竖肋由I22a型钢组成，布置在竖向两侧；水平环撑由I25a组成，第二节和第三节连接处的节间水平环撑由I28a 组成，其他节间水平环撑由I25a 组成，水平环撑间距为1 m左右。

2.3　荷载工况组合

根据拉压式钢吊箱围堰施工作业情况，将荷载组合分为如下两个工况：组合Ⅰ(抽完水后)：自重(1.0)+流水压力(1.4)+静水侧压力(1.4)+静水底压力(1.4)+向下桩基粘结力(1.0)；组合Ⅱ(承台混凝土浇筑后)：自重(1.2)+流水压力(1.4)+静水侧压力(1.4)+静水底压力(1.0)+承台自重(1.4)+承台侧压力(1.4)+向上桩基粘结力(1.0)。

3　拉压式钢吊箱有限元计算分析

工况1：钢吊箱抽水后荷载作用下梁单元最大弯应力为153.80 MPa<>σ]=215 MPa，最大剪应力为51.686 MPa<>τ]=125 MPa；钢吊箱抽水后荷载作用下整体板单元最大应力值为41.037 MPa<>σ]=215 MPa；钢吊箱抽水后荷载作用下混凝土底板最大剪应力为 1.300 MPa<>σ]=1.71 MPa；钢吊箱整体最大 变形为8.809 mmL/600=11.167 mm；应力变形均满足文献[8-10]的要求。

工况2：承台浇筑后荷载作用下梁单元最大弯应力为152.233 MPa<>σ]=215 MPa；最大剪应力为51.161 MPa<>τ]=125 MPa；承台浇筑后荷载作用下整体板单元最大应力值为39.313 MPa<>σ]=215 MPa；承台浇筑后荷载作用下混凝土底板应力最大剪应力为 1.000 MPa<>σ]=1.71 MPa；钢吊箱整体最大变形为 6.654 mmL/600=11.167 mm；应力变形均满足规范要求。

工况1、2的主要计算结果如图4所示。

图4　工况1、2主要计算结果

从计算结果来看，钢吊箱在工况1阶段的整体位移是整个施工过程的最大竖向位移，是钢吊箱的变形的主要控制阶段。混凝土底板在工况1阶段剪应力最大，因此设计阶段对于底板厚度与材料的选择应该根据这个工况的具体情况计算后选择，尽量在节省材

料的前提下采取措施加大底板的抗剪应力。从上述工况的分析计算结果可知，钢吊箱结构整体在几种主要工况下的强度和刚度都能满足要求，也即所设计的钢吊箱结构形式和构件截面能满足要求。

4　结束语

(1) 钢吊箱是构造和受力变形比较复杂的空间结构，运用有限元软件MIDAS/Civil对其进行三维有限元建模计算分析，能够全面地得出钢吊箱结构各个工况的应力应变情况，为钢吊箱设计施工提供很大的参考和指导作用。

(2) 本文运用有限元软件MIDAS/Civil对钢吊箱各个施工阶段的应力状况和结构变形进行了分析，得到钢吊箱在工况一抽水时出现最大应力153.803 MPa，及最大位移8.809 mm，满足结构的强度和刚度要求，结构处于安全的状态。

〔参考文献〕

[1]秦惠民,叶政青.深基础施工实例[M].北京:中国建筑工业出版社，1992.

[2]欧阳效勇,任回兴,徐　伟.桥梁深水桩基础施工关键技术[M].北京:人民交通出版社,2006.

[3]欧阳效勇,任回兴,徐　伟.桥梁深水基础施工关键技术——苏通大桥南塔基础工程施工实践[M].北京:人民交通出版社,2006.

[4]张　鸿,刘先鹏.特大型桥梁深水高桩承台基础施工技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.

[5]孙　晏,徐　伟.苏通大桥6号墩钢吊箱施工阶段有限元分析[J].施工技术,2005,34(1)：12-14.

[6]骆艳斌,徐　伟,宋　灿.不同形状钢吊箱动力特性比较分析[J].结构工程师,2006,22(3)：41-45，27.

[7]黄鸿祺.深水墩钢吊箱围堰施工过程有限元分析[D].上海:同济大学,2007.

[8]JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范[S].

[9]JTJ 024-85,公路桥涵地基与基础设计规范[S].

[10]GBS 0009-2001,建筑结构荷载规范[S].

收稿日期：2015-12-02；修改日期：2016-01-12

作者简介：毛　攀(1992-)，男，湖北黄冈人，合肥工业大学硕士生．

中图分类号：U441

文献标识码：A

文章编号：1673-5781(2016)01-0116-03