阮澤蓮

(中交二航局第二工程有限公司， 重慶　401121)

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雙壁鋼套箱計算方法探討

阮澤蓮

(中交二航局第二工程有限公司， 重慶401121)

摘要：深水大型橋梁的雙壁鋼套箱具有剛度大、隔水性好等優(yōu)點。分別采用有限元法與傳統(tǒng)計算方法對雙壁鋼套箱計算方法進行對比研究，結(jié)果可供同類鋼套箱的設(shè)計計算參考。

關(guān)鍵詞：雙壁鋼套箱；計算方法；有限元法

隨著國民經(jīng)濟的快速增長及交通運輸業(yè)的蓬勃發(fā)展，我國建設(shè)了一批又一批大跨度深水大型橋梁。這類橋梁的修建必然涉及深水構(gòu)筑物的施工，其中，雙壁鋼套箱以其剛度大、隔水性好等優(yōu)點更是受到越來多的青睞[1]。如杭州九堡大橋、珠海橫琴二橋、溫州南口大橋以及馬尾大橋等大型橋梁的主墩承臺施工均采用了雙壁鋼套箱。

鋼套箱是承臺施工的先行結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量好壞直接影響到橋梁基礎(chǔ)的質(zhì)量，對橋梁施工進度有極為重要的影響。雙壁鋼套箱主要的計算方法為傳統(tǒng)計算方法與有限元法[2]，而2種計算方法尚未得到較為系統(tǒng)的比較研究。其中，傳統(tǒng)計算方法往往忽略了鋼套箱的空間效應(yīng)，僅將雙壁鋼套箱各構(gòu)件簡單分解，按其最不利受力工況進行分析。因此，此方法不能充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能，容易造成浪費。本文通過對鋼套箱計算方法的對比，分析不同計算方法的優(yōu)劣，供以后鋼套箱設(shè)計計算參考。

1設(shè)計概述

1.1設(shè)計荷載

由于大型雙壁鋼套箱施工周期較長，施工期間影響因素多，因此，為保證結(jié)構(gòu)具有較高的可靠度，在設(shè)計計算時主要考慮以下幾類荷載[3]。

1) 水壓力。根據(jù)施工過程各工況雙壁鋼套箱的最不利內(nèi)外水頭差計算。

2) 水流力。根據(jù)所處位置的水流速度計算，臨時結(jié)構(gòu)一般取10年一遇流速。

3) 波浪力。計算時一般取浪高為50 cm，平均周期為5 s(也可根據(jù)相關(guān)部門的水文資料取)[4]。

4) 土壓力：根據(jù)計算工況套箱所在的位置及河床高度計算。

5) 風荷載。

6) 自重。

1.2設(shè)計工況

大型雙壁鋼套箱施工過程復(fù)雜，從加工到最后承臺澆筑完成常常經(jīng)歷數(shù)月，此過程中鋼套箱的支承條件、水位等均在變化，故合理確定套箱施工工況，以得到最不利工況下套箱的應(yīng)力及位移是進行套箱受力分析的根本。套箱施工工況的確定與其施工工藝有很大的關(guān)系。雙壁鋼套箱的施工工藝通常為：搭設(shè)拼裝平臺；分節(jié)分塊拼裝；首節(jié)下放，下放過程中通常會注水或澆筑混凝土；其余節(jié)段拼裝、支撐安裝及鋼套箱著床；澆筑水下封底混凝土；承臺干施工。

根據(jù)施工工藝可將鋼套箱施工大致分為以下幾個工況[5]。

1) 鋼套箱在平臺拼裝工況。此工況主要驗算平臺受力及平臺上鋼套箱的穩(wěn)定性，考慮風荷載及自重。

2) 鋼套箱下放工況。此工況主要驗算鋼套箱的穩(wěn)定性及鋼套箱著床受力，考慮風荷載、水流力、波浪力、土壓力、自重及水壓力。

3) 封底混凝土澆筑后，鋼套箱高水位下抽水工況。此工況主要驗算封底混凝土受力及套箱各構(gòu)件、支撐等的強度及穩(wěn)定性，為重點控制工況，須考慮風荷載、水流力、波浪力、土壓力、自重、水壓力及水浮力。

4) 1層承臺施工完成后，支撐轉(zhuǎn)換等引起套箱內(nèi)結(jié)構(gòu)形式改變工況。此工況主要驗算套箱各構(gòu)件、支撐等的強度及穩(wěn)定性，為主要控制工況，須考慮風荷載、水流力、波浪力、土壓力、自重、水壓力等。

1.3設(shè)計方法

傳統(tǒng)計算方法是對鋼套箱各部分取最不利工況進行計算。計算包括主豎箱、次豎肋、腹桿、內(nèi)面板、外面板、內(nèi)環(huán)板、外環(huán)板、連接焊縫及支撐結(jié)構(gòu)的強度及穩(wěn)定性。雙壁鋼套箱傳力途徑為：水壓力→面板→豎肋→環(huán)桁(腹桿及環(huán)板)→豎箱→支撐結(jié)構(gòu)。計算時，面板可以看作由次豎肋支承的多跨連續(xù)梁；次豎肋與面板形成組合截面共同受力，可看作以環(huán)桁為支承的連續(xù)梁；環(huán)桁可看作以環(huán)板及部分面板為弦桿，以腹桿為斜桿，以主豎箱為支撐的結(jié)構(gòu)；主豎箱可看作以封底混凝土及支撐為支點的梁，支撐為受壓桿件[6]。傳統(tǒng)計算方法將各構(gòu)件分開計算，忽略了雙壁鋼套箱作為一個空間結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的空間效應(yīng)，結(jié)果有可能偏安全，但分析結(jié)果與實際情況差異較大，且很難估算出結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。

本文采用有限元軟件Midas Civil進行有限元分析，主豎箱、次豎肋、腹桿、支撐采用梁單元模擬，內(nèi)面板、外面板、內(nèi)環(huán)板、外環(huán)板采用板單元模擬。雙壁套箱與封底混凝土接觸面考慮固接，封底混凝土頂面或承臺頂面與雙壁鋼套箱接觸點考慮鉸接[7]。

2工程案例

本文以馬尾大橋主墩雙壁鋼套箱為例，對其主體構(gòu)件采用傳統(tǒng)計算方法及有限元法進行計算，并對結(jié)果進行對比。

2.1計算參數(shù)

馬尾大橋主橋主墩承臺尺寸為21.4 m×40 m×6.0 m，單個承臺設(shè)28根Φ2.2 m混凝土鉆孔灌注樁。主墩施工采用雙壁鋼套箱，鋼套箱計算參數(shù)如下：鋼套箱頂標高為+7.00 m；鋼套箱底標高為-11.00 m；承臺頂標高為0.0 m；承臺底標高為-6.0 m；承臺高度為6.0 m；設(shè)計流速為2.0 m/s；河床標高為-9.131 m；施工高水位為+6.62 m。

2.2設(shè)計概況

馬尾大橋主墩雙壁鋼套箱外輪廓尺寸為42.55 m×23.95 m×18.0 m，內(nèi)輪廓尺寸為40.15 m×21.55 m，高18.0 m，壁厚1.2 m。首節(jié)套箱高7.6 m，次節(jié)高5.6 m，第3節(jié)高4.8 m；封底混凝土厚 3.0 m。套箱分塊單塊重量約為22 t，橫向分14塊(第1層)、10塊(第2、3層)。在-1.3 m(-0.3 m)及+1.5 m(+2.5 m)標高位置各設(shè)1道內(nèi)撐，縱橫向內(nèi)撐錯開布置，上下層形成桁架結(jié)構(gòu)，第1層承臺施工完成后，拆除下一層支撐，完成支撐體系的轉(zhuǎn)換，施工第2層承臺及第1節(jié)墩身。承臺底部澆筑3.0 m C30水下封底混凝土，套箱內(nèi)壁澆筑1.5 m刃角混凝土。套箱平面示意如圖1所示。

2.3計算結(jié)果

分別采用傳統(tǒng)計算方法和有限元法對雙壁鋼套箱的各構(gòu)件進行計算。有限元法計算了如下2個工況。

工況1：圍堰抽水后且第1層承臺施工時，鋼套箱有2層內(nèi)支撐，考慮+6.62 m施工水位水頭差、水流力、波浪力等荷載。工況1 套箱整體變形如圖2所示。

工況2：第2層承臺施工時，鋼套箱有1層內(nèi)支撐，考慮+6.62 m施工水位水頭差、水流力、波浪力等荷載。

傳統(tǒng)計算方法取最不利工況進行計算。封底混凝土澆筑完成并抽水后為最不利工況，本文取此工況荷載組合進行計算。計算結(jié)果統(tǒng)計如表1所示。

圖1　套箱平面示意

圖2　工況1套箱整體變形

桿件有限元法/MPa工況1工況2傳統(tǒng)計算方法/MPa允許應(yīng)力/MPa內(nèi)面板106.466.5101.25174外面板146.8146.8140.28174次豎肋135.3130.4126.13174環(huán)板146.8115.6140.41174腹桿165.6167.5148.18174豎箱139.0152.4139.01174支撐152.5125.3147.62174整體變形/mm21.019.5--

由表1數(shù)據(jù)可知，有限元法部分計算結(jié)果較傳統(tǒng)計算方法偏安全。由圖2可以看出，次豎肋、豎箱在與封底混凝土接觸處應(yīng)力最大，此處模擬為固結(jié)形式，與實際受力模式不太一致，但有限元法能計算出整體變形，并能從整體上反映結(jié)構(gòu)的安全性能[8]。

3結(jié)束語

本文對雙壁鋼套箱分別采用傳統(tǒng)計算方法與有限元法進行了計算，通過計算對比可知，有限元法所得計算結(jié)果較傳統(tǒng)計算方法偏安全。有限元法應(yīng)用過程中，合理模擬各構(gòu)件及其相互關(guān)系是重中之重，且有限元法在雙壁鋼套箱整體結(jié)構(gòu)安全性計算方面有明顯優(yōu)勢。采用有限元法設(shè)計計算過程中，設(shè)計者應(yīng)合理模擬結(jié)構(gòu)形式，并與傳統(tǒng)計算方法進行對比，以確保結(jié)構(gòu)的安全性并避免浪費施工材料。

參 考 文 獻

[1]徐偉.深水區(qū)域特大型施工平臺與鋼吊箱結(jié)構(gòu)分析方法[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[2]滿洪高.橋梁工程臨時結(jié)構(gòu)工程技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2012.

[3]余流.施工臨時結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[4]馬瑞強.建筑工程施工臨時結(jié)構(gòu)設(shè)計指南[M].北京：人民交通出版社，2008.

[5]向敏.橋梁基礎(chǔ)施工中異型鋼套箱的設(shè)計及受力分析[J].鐵道建筑，2009(8)：12-14.

[6]劉永輝.馬來西亞檳城二橋承臺鋼套箱設(shè)計與施工[J].港工技術(shù)與管理，2013(3)：12-16.

[7]遇寶劍.模板式鋼套箱在水下承臺施工中的應(yīng)用分析[J].交通工程，2015(9)：148-150.

[8]高志升.深水基礎(chǔ)承臺施工過程中鋼套箱受力模擬[J].市政技術(shù)，2010(5)：124-126.

Probe into Calculation Methods for Double-wall Steel Jacket Box

RUAN Zelian

Abstract:With the rapid growth of national economy, a string of large-span deep-water large bridges has been constructed, in which double-wall steel jacket box is more and more favored by virtue of its advantages of large rigidity and good water resisting property. Based on finite element method and conventional calculation methods, this paper conducts comparative research of calculation methods for double-wall steel box, the results can provide a reference for design calculation of similar steel jacket boxes.

Keywords:double-wall steel jacket box; calculation method; finite element method

文章編號：1009-6477(2016)02-0063-03

中圖分類號：U445.4

文獻標識碼：B

作者簡介：阮澤蓮(1986-)，女，四川省廣安市人，碩士，工程師。

收稿日期：2015-10-12

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.014