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1、基础工程承台双壁钢围堰施工受力性能基础工程承台双壁钢围堰施工受力性能导言导言双壁钢围堰作为大型深水基础施工较为理想的围护结构， 最近几年来在国内外公、 铁路桥梁施工中得到了大规模的应用。双壁钢围堰主要作为桥梁深水承台施工时一种临时性阻水和模板结构，利用围堰壁板和封底混凝土围水，保证桥梁下部结构施工顺利进行。双壁钢围堰刚度大，结构稳定性好，受力合理，具有制造方便、安装迅速、安全可靠等特点。不仅可以为桥梁下部结构施工提供无水的工作环境， 还可直接作为承台模板进行施工， 与其他类型围堰相比具有很大的优越性。 目前对双壁钢围堰的研究大多局限于结构设计与施工方案的探讨，而对双壁钢围堰施工过程中所体现出的
2、受力性能研究较少。针对上述情况，文中运用专业有限元 Midas 和通用有限元 Ansys 对道庆洲大桥 A2 标段 2#主桥墩双壁钢围堰在施工过程中的受力性能进行了研究。工程概况工程概况1.1.工程简介工程简介福州市道庆洲大桥为主城区和长乐市新增过江通道，项目全长6.82km，采用公轨共建方式，上层公路为 6 车道城市主干道兼一级公路，下层为双线轨道 6号线，公轨共建桥梁总长 4.4km。福州市道庆洲跨江主桥采用主跨 276m 的变高度预应力钢桁结合梁方案，跨径组成为（121+276+121）m，上层公路桥面宽 31m，下层为双线福州地铁六号线，是目前世界上单跨最大的变高度公轨共建桥梁。A2
3、标主要内容为 2#主墩、3#边墩下部结构、跨江引桥第三八联、南岸接线桥梁至 S36 墩的桥梁工程及 S203 改扩建工程。2#墩为主墩，采用群桩承台基础，共 12 根钻孔灌注桩，桩径 2.8m，矩形承台尺寸为 25m17m5.5m，承台混凝土设计等级为 C35，河床底标高为8.24m，施工期最高水位为+5.30m。2#主墩处水流流速大，最大流速3m/s 并有回流和紊流。水深最大达到 19m 左右，为深水基础。为保证水中基础施工的顺利进行，采用双壁钢围堰进行施工。2.2.水文地质水文地质本江段潮型为正规半日潮， 由于受山区性河口地形的影响， 潮波反射作用强，潮差增大，涨潮历时短。最高潮位为+6.
4、31m（20002010 年数据） ，最低潮位为0.49m（20002010 年数据） ，最大潮差 5.28m，设计最高通航为洪水 10年重现期水位 6.31m，设计洪水频率取300 年一遇，平均水平面为2.73m（20002010 年数据） 。受闽江入海口半日潮汐影响，水流变化复杂，退潮时道庆州露出水面。本区段水流属往复流，落潮时水流方向为由西向东，涨潮时变为由东向西，最大流速 3m/s 并有回流和紊流。根据地表工程地质测绘及钻探揭露， 2#主桥墩处河床标高为： 8.24m， 地层主要为砂混淤泥 （顶标高： 10.24m，底标高：12.74m，厚 4.5m） 、淤泥夹砂（顶标高：12.74m
5、，底标高：21.54m，厚 8.8m） 、砂混淤泥、中砂、卵石、中砂、花岗片麻岩为主，围堰下沉地层主要为中砂及淤泥夹砂。3.3.钢围堰设计构造介绍钢围堰设计构造介绍2#主墩采用无底双壁钢套箱围堰， 由壁体、 刃脚、 内支撑和导向装置等部分组成。 围堰在内壁之间设置隔舱板， 竖向分为 12 个隔舱。 隔舱板板厚=14mm，隔仓肋为758。围堰内外壁板厚度为8mm，设置水平环肋和水平桁架，水平环肋采用20012，水平桁架采用100100。角环板采用厚度为 8mm，长度为 1500mm 的钢板，竖肋采用 758。围堰内部设置四道内支撑，内撑以630mm10mm 钢管焊接连接。根据地质水文分析，套箱设
6、计最高水位选定为+6.31m，根据钢围堰工程技术标准征求意见稿，考虑钢套箱围堰顶部设计高程应比施工期内可能出现的最高水位高 0.51.0m， 海域施工的围堰顶部高程尚应计入 10 年一遇最大波浪高度一半的影响，套箱顶标高设定为+7.50m，围堰底标高为14.5m。 围堰内轮廓尺寸为承台尺寸四边外扩 200mm，为 25.4m17.4m， 外轮廓尺寸为 28.420.4m， 围堰壁体厚度 1.5m， 壁体总高度 22m，竖向分两节拼装（从底往上 15.0m+7.0m） ，在围堰内设置四道内支撑，采用630mm10mm 直缝钢管。封底混凝土设计等级为 C30，厚度为 4.0m。围堰施工过程中重难点
7、突出，诸如：钢围堰施工过程中受力复杂，不仅要克服静水压力、动水压力以及风浪的阻力，还要保证围堰施工过程的安全性，钢围堰结构受力分析为工程重点； 钢围堰采用水下混凝土封底工艺， 2#承台封底混凝土一次浇筑量大，如何控制封底工艺使封底质量满足设计要求为施工难点。钢围堰结构受力分析钢围堰结构受力分析1.1.围堰整体有限元建模围堰整体有限元建模有限元法是把物体假想地分割成有限个单元组成的组合体， 即在计算的图形上划分网格，分成有限个单元，这些单元仅在其顶角处互相连接。采用有限元软件 Midas 建立空间模型，桁架及内支撑两端固定，均采用 1D 单元中的杆单元和梁单元模拟，壁板、隔舱板等采用2D 单元中
8、的板单元模拟，材料为Q235 钢板，定义荷载为水压力。整个结构共划分为 22675 个单元、30546 个结点。2.2.计算分析结果计算分析结果按最不利原则保证施工安全，设计计算分为3 种工况：工况1：验算围堰下沉到设计位置，完成锚定，浇筑封底混凝土达到强度后，抽水到承台底即封底混凝土顶标高处（10.5m） 。工况 2：承台分两次浇筑，第一次浇筑 3m 后承台顶标高7.5m，达到强度后，拆除围堰内部第四道支撑（+5.5m） 。工况 3：承台浇筑完成达到强度后，墩柱开始施工，保留四周角撑，拆除中部三道支撑。在工况 1、工况 2 和工况 3 中，钢围堰外侧承受的最大组合侧压力为 215kN，通过建
9、立整体有限元模型对各工况下钢围堰的刚度、强度及稳定性进行计算。工况1 中的钢围堰受力最为不利，构件最大应力出现在这个阶段，围堰的最大应力在水平斜撑角钢处附近，为 204.4kN，小于 Q235 钢板的强度设计值；钢围堰整体变形最大出现在工况 3 中的 X 轴方向上，为 8.95mm，远小于围堰整体设计允许变形值=L/400=20000/400=50mm。因此，该双壁钢围堰的整体强度和刚度满足施工要求，并且具有一定的安全储备。在桥墩基础施工过程中，静水压力、动水压力、土压力和风压力等外部荷载会对围堰壁板产生侧压力作用，而作用在围堰壁板轴向的力较小，壁板的稳定性容易得到保证。由于围堰内支撑为受压构
10、件，长度长，容易失稳，需要对其进行稳定性研究。封底混凝土结构受力分析封底混凝土结构受力分析1.1.封底混凝土有限元建模封底混凝土有限元建模利用 Ansys 有限元分析软件对钢围堰封底混凝土结构进行分析，采用线单元生成平面单元，再由平面单元扩展为实体单元，分析中封底混凝土与钢壁、桩基钢护筒接触处的边界结点取为铰接。 结构共划分为 9432 个单元、 10460 个结点。2.2.计算分析结果计算分析结果围堰封底混凝土厚 4.0m，抽水时可选择低水位进行，考虑最危险情况即按设计水位+6.3m 计算，封底混凝土底 14.5m，封底混凝土底的静水压力 =（14.5+6.3）10=208kN/，结构自重按
11、 24kN/m3 计算，材料为 C30 混凝土。对于C30 混凝土，根据混凝土结构设计规范 （GB500102010） ，抗拉强度设计值为 1.43MPa，弹性模量取 E=2.8107kN/，泊松比=0.2。计算时横桥向为 X 方向，顺桥向为 Y 方向，竖向向上为 Z 方向。经计算，结构最大主应力为 0.54MPa， 最大竖向变形为 0.027mm， 封底混凝土结构强度及刚度满足要求，局部出现应力集中现象，不影响结构整体安全。围堰抗浮验算分析围堰抗浮验算分析钢围堰施工过程中， 在下沉到设计位置之前，主要依靠围堰自身重量来抵抗围堰自身的水浮力。第一节围堰下放直至达到自浮状态，预计刃脚入水 4.5
12、m；围堰夹壁注水，刃脚入水约 13.3m 并保持自浮；下放、拼装第二节围堰，待焊接拼装完成后， 浮吊松钩， 围堰刃脚着床； 浇筑壁舱混凝土， 调节围堰夹壁水位，围堰内侧吸泥， 直到下沉至设计标高， 并保持稳定。 水下浇筑 C30 封底混凝土，待封底混凝土达到设计强度后，关闭连通器，围堰内抽水，夹壁水位控制在1.0m 左右。围堰内抽水完成后，围堰将承受最大的上浮力，主要依靠钢围堰、封底混凝土和夹壁混凝土的自重以及封底混凝土与护筒的握裹力。 按 4m 厚封底混凝土计算封底后总浮力。围堰的抗浮稳定性系数 Kf=（G 封底+G+f+G 夹壁混凝土+G 夹壁水）/F=（31539.8+8600+7234
13、5.6+20783.1+23215.7）/100443.1=1.56。根据崇峻等对构筑物抗浮可靠度分析及抗浮安全系数取值的研究，当上浮效应为浮力时，无论是正常使用阶段，还是临时工况，应取抗浮稳定性安全系数 Kf1.10。因此，钢围堰的抗浮性能满足要求。结束语结束语道庆洲大桥采用双壁钢围堰作为 A2 标段 2#主桥墩深水基础施工的阻水结构，围堰设计充分考虑了施工现场环境，克服了工程重难点。运用 Midas 有限元软件对钢围堰实际施工过程中最不利的 3 个工况受力状况进行模拟和分析，分析结果表明，双壁钢围堰具有较好的强度、刚度和稳定性；采用 Ansys 对封底混凝土进行结构分析，得到封底混凝土结构虽局部出现应力集中现象，但不影响结构整体安全，封底混凝土的强度及刚度满足设计要求。通过对钢围堰进行抗浮验算，得到围堰的抗浮稳定性系数为 1.56，满足围堰施工的安全要求。
