大型双壁钢围堰结构三维仿真分析

大型双壁钢围堰结构三维仿真分析

陈浩，冯玉涛

（重庆市交通规划勘察设计院，重庆 401120）

摘要：双壁钢围堰目前在桥梁深水基础施工中得到广泛应用，具有可承受较大的围堰内外水头差，构造简单，可重复利用，降低施工成本等优点。结合重庆万州长江大桥防撞设施工程1#导向井双壁钢围堰的设计，利用大型有限元软件ANSYS对围堰结构进行了三维仿真分析，针对存在的问题重点探讨，并提出相应的解决方案，可用于指导施工。

关键词：双壁钢围堰；仿真分析；注水注砂

1 工程概况

双壁钢围堰目前在桥梁深水基础施工中得到广泛应用，如芜湖长江大桥、南京长江二桥、苏通长江大桥等大桥的施工中采用了该施工方案。其优点主要有以下几点：可承受较大的围堰内外水头差，基本上不受墩位处水深的限制；其构造和施工工序简单；可重复利用，降低了施工成本。然而其结构构造和受力均较复杂，以往计算有一定局限，所以各种大型有限元软件应运而生，对双壁钢围堰进行三维整体仿真分析，进而优化围堰设计成为一种趋势，工程实例也越来越多，但这些实例大多不高，高度较高的钢围堰计算实例较少。

文章结合重庆万州长江大桥防撞设施工程1#导向井双壁钢围堰的设计，利用大型有限元软件ANSYS对围堰结构进行了三维仿真分析，并根据分析结果对围堰设计进行优化和指导施工。由于该钢围堰高度较高，为28m，抗倾覆能力不够，在双璧之间注水，围堰顶注砂进行了配重，还能传递内外璧应力，使内壁充分发挥作用。

2 双壁钢围堰概况

2.1 结构形式及尺寸

1#导向井钢围堰采用圆形双壁壳体结构，钢围堰外直径为20.5m，内直径为17.5m，围堰厚1.5m；钢围堰总高28m，围堰顶面高程为+164.00m，底面高程为+136.00m。

围堰设计高度为H=28.00m，沿高度方向分成了5个节段，即：刃脚段6.0m（刃脚2m高）+（4.0+6.4+5.6）m（加强段）+6m（标准段）；每个圆环形围堰节段等分为8个环块。围堰制作材料均采用Q235B钢材，内外壁板采用6mm钢板，壁板竖肋为L75×6角钢，其间距为：内壁板上的间距是a2=32cm，外壁板上的间距是a1=35cm；水平托架竖向间距b值为0.80m（1.0m），其水平斜撑杆采用L75×6角钢。围堰底部填筑C30刃脚混凝土高2.8m，顶部填筑砂子高4.0m，刃脚混凝土顶面1.6m范围增加2层，共336根角钢竖向斜撑，并在刃脚混凝土以上12.7m双壁内注水。地基部分，考虑范围从钢围堰底往下深11m，半径为18m。钢围堰总体构造如图1所示。

围堰制作材料均采用Q235B钢材，刃脚段及加强段的内外壁板采用6mm钢板（其中刃脚段底部2m范围采用厚12mm钢板加强），标准段的壁板采用5mm钢板；壁板竖肋为L75×6角钢，其间距为：内壁板上的间距是a2=32cm，外壁板上的间距是a1=35cm；刃脚段和加强段水平环板竖向间距b值为0.80m，标准段水平环板竖向间距为1.0m，水平斜撑杆均采用L75×6角钢。因钢围堰内填筑混凝土后的刚度远大于未填筑混凝土的钢围堰，故在混凝土填筑顶面以上设置两层竖向斜撑作为刚性过渡措施，减小相接部位应力集中现象。

图1 钢围堰总体结构图

2.2 施工方案

采用水下爆破，清基后会在围堰刃脚下形成爆破松动圈，虽然采用帷幕注浆的方法能起一定止水作用，但不能完全保证其封闭效果，经过反复研究，采用围堰刃脚成槽后浇水下混凝土封闭的方法进行止水处理。

3 围堰结构三维仿真分析

3.1 建模概况

采用有限元软件ANSYS13.0建立双壁钢围堰模型。

（1）钢围堰壁板：采用板单元建模，根据竖肋和水平斜撑划分单元；

（2）钢围堰竖肋：采用梁单元建模，与壁板单元共用节点；

（3）钢围堰水平斜撑：采用梁单元建模，与环板连接并分割环板单元；

（4）钢围堰环板：采用板单元建模，与壁板单元共用节点；

（5）隔仓板：采用板单元建模，与壁板单元共用节点；

（6）竖直斜撑：采用梁单元建模，与竖肋单元共用节点；

（7）刃脚混凝土：采用实体单元建模，与壁板单元节点耦合；

（8）边界条件：钢—混结合段围堰与基岩节点耦合。

3.2 主要计算荷载

该钢围堰模型考虑了自重、静水压力、动水压力、注水压力、波浪力、风荷载、施工荷载以及砂子的重力和侧压力8种荷载。

（1）钢围堰自重

钢材容重按78.5N×10-6/mm3计，混凝土容重按24N×10-6/mm3计。

（2）静水压力荷载

静水压力作用于外壁板径向方向，水容重按10N×10-6/ mm3计算。围堰周围从高程为162m的静水面开始，水下压强随深度呈线性变化。

（3）动水压力荷载

位于流水中的桥墩，其上游迎水面会受到流水冲击影响而产生流水压力。流水压力与桥墩的平面形状、流速等有关。且流速随深度呈曲线变化，底面处流速接近于零，为了简化计算，流水压力的分布可近似取倒三角形加载。

作用于钢围堰上的流水压力可按公式（1）计算《公路桥涵设计通用规范》：

式（1）中：P为流水压力（kN）； A为阻水面积（m2）；γ为水的容重，一般取10kN/m³；g为自由落体加速度，取9.81（m/s2）；v为计算时采用的流速（m/s）；K为形状系数，方形1.5，矩形（长边与水流平行）1.3，圆形0.8，尖端形0.7，圆端形0.6。

钢围堰水面处所受流水压力Pmax=0.8×10e-6×2.76e3×2.76e3÷9810=0.00624N/mm2

（4）注水压力荷载

刃脚混凝土以上12.7m双壁内注水，静水压力作用于内外壁板径向方向，水容重按10kN/m3计算，并将注水重量按照等效荷载的原则换算成面压力加载到刃脚混凝土的实体单元顶面。其中换算的竖向面压力为公式（2）：

（5）波浪力荷载

根据JTS145—2—2013《海港水文规范》计算。因波谷作用产生的波浪压力强度为负压，故只计算波峰时产生的波浪压力强度。根据内河航区分级，长江万州段波浪高度取H=0.5m=500mm，波浪长度取L=5m=5000mm。

根据《海港水文规范》8.1.4条，静水面以上高度H=0.5m，500mm处的波浪压力强度为零；静水面处的波浪压力强度P=γH=10×0.5=0.005N/mm2；静水面以下L/2=2.5m=2500mm处的波浪压力强度为零。故波浪压力强度的作用范围为静水面以上0.5m至静水面以下2.5m处，偏安全将波浪产生的压力强度均按0.005N/mm2计算，波浪力作用于波浪行进方向钢围堰的迎水面。

（6）施工荷载

施工人员按1.5kN/m2，施工机具按2kN/m2。模型中，近似在钢围堰顶面的板单元施加面压力荷载来模拟，荷载集度。

方向为单元局部坐标系y轴，竖直向下。

（7）风荷载

根据JTS144—1—2010《港口工程荷载规范》11.0.1 条计算。

（8）砂子荷载

假设砂子重力通过横撑作用在竖肋上，计算中将其转化为集中力，每个竖肋环板处节点对应一个集中力，F=15×π（10.252-8.752）/168×2=4.0kN=4000N。

按静止土压力计算，考虑砂子处于松散状态，取K0=1-sin =1-sin20°=0.658，1m高范围内，底部土压力强度Pmax=0.658×15×10-6×1000=10×10-3N/mm2，顶部土压力强度为零。

3.3 计算结果及分析

3.3.1 强度和稳定性计算

本次验算主要考虑壁板、环板、竖肋、水平斜撑以及竖直斜撑在荷载组合作用下的应力结果，其中，为了更好反应板单元局部应力畸变，其应力结果取单元解，梁单元、实体单元为节点解。应力数值如表1所示。

表1 各构件应力计算表

构件 应力（Mpa）最大值 最小值外壁板 107.3 -0.392×10-5内壁板 41.8 -0.175×10-4环板 135 -0.101×10-4隔仓板 167.8 -0.499×10-7外壁竖肋 178 -0.519×10-8内壁竖肋 88.6 -0.119×10-7水平斜撑 133.3 -0.654×10-8竖向斜撑（＜75×75×6） 4 -0.436×10-8竖向斜撑（＜75×75×8） 160.2 71.2刃脚混凝土 9.76 -1.96

根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》JTGD64—2015规定，在承载能力极限状态下，进行合强度和稳定性计算，满足各项要求。强度计算时，应力最大出现在外壁竖肋，为178MPa，小于规范规定强度设计值190Mpa。其中，每块隔仓板应力最大处位于高2.8m处，即刃脚混凝土顶面处，迎流水面隔仓板最不利；每根外壁竖肋3.6m处应力最大，既位于上下竖向斜撑之间，迎流水面外壁竖肋最不利；受力最不利竖向斜撑（＜75×75×8）也在迎接流水面。稳定性计算按规范公式进行。

3.3.2 变形计算

荷载组合下的最大位移发生在迎流水面，最大变形值为7.69mm，不影响施工过程中的使用，也不会使人产生不安全感。变形等值线图如图2、图3所示

图2 位移等值线图

图3 位移等值线图

4 结语

综上所述，双壁钢围堰的三维仿真分析，对高度较高、施工难度较大的大型钢围堰能准确地反映结构的受力及变形特点，效果显著，也比一般的平面简化分析更便捷。根据仿真分析结果对围堰的设计进行优化改良，并用于现场施工，既可以节约材料、加快施工进度，又可以确保施工安全、提升工程质量。其中，注浆注砂措施对大型双薄壁钢围堰成效显著。本桥钢围堰施工的顺利完成也证明该技术值得推广应用，

（编辑：刘学文）

中图分类号：U445.55

文献标识码：B

收稿日期：2017-04-25

作者简介：陈浩（1982—），男，工程师，主要研究方向为桥梁结构设计。