黃永順

(福建億達(dá)工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，三明 365000)

隨著我國(guó)公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力投入， 交通網(wǎng)已不斷向全國(guó)各地延伸。橋梁作為跨越河流、丘谷等結(jié)構(gòu)技術(shù)也得到了推進(jìn)。橋梁下部結(jié)構(gòu)基坑施工一直是個(gè)難題。目前常見(jiàn)的圍堰類(lèi)型主要有土石袋圍堰、 混凝土套箱圍堰、鋼板樁圍堰、鎖口鋼管樁圍堰等[1-2]。 鎖口鋼管樁圍堰憑借著結(jié)構(gòu)剛度大、安全性能好、加工便捷、工期可控等良好經(jīng)濟(jì)效益受到了廣泛的青睞[3-4]。 本文以某跨江大橋樁基維修處治圍堰施工為分析對(duì)象， 采用三維有限元軟件分析其在不同施工階段下圍堰的受力狀態(tài)以及整體圍堰的抗浮力、 穩(wěn)定性能等各項(xiàng)性能指標(biāo)是否滿足相應(yīng)規(guī)范要求。

1 工程概況

某跨江大橋于2000 年建成通車(chē)， 橋長(zhǎng)1020.0 m，主橋采用(65+120+65)m 預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)，主孔下部為薄壁雙肢墩，群樁基礎(chǔ)；引橋跨徑均為35 m，共22 孔，下部結(jié)構(gòu)為柱式墩，鉆孔樁基礎(chǔ)。 受上游電站泄洪及潮水影響，河床沖刷下切較為嚴(yán)重，水中各個(gè)樁基均出現(xiàn)不同程度的混凝土剝落、鋼筋銹蝕、縮頸等嚴(yán)重病害。經(jīng)論證其維修處治方案采用增大樁基截面法。

該橋址水流湍急、航道通行繁忙，每年夏季水位變化受汛期影響顯著。 水中樁基河床底部至最高水位高度在4～14 m 范圍，其中8#主墩水位深接近14 m。

2 圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

8# 主墩承臺(tái)尺寸為11.2 m(橫橋向)×9.0 m(縱橋向)×3.0 m(厚度)。 鎖口鋼管樁圍堰初步設(shè)計(jì)內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)尺寸為14.67 m×12.27 m， 圍堰頂標(biāo)高為+43.5 m， 圍堰底高為+17.5 m，長(zhǎng)度為26 m。 采用Q235Bφ630 mm×10 mm 型號(hào)鋼管樁， 鎖口陰頭采用φ180 mm×7 mm 鋼管和陽(yáng)頭為I20b 型鋼，組合成“C-T”接口形式，鎖口內(nèi)灌入防水材料。順橋向每側(cè)15 根，橫橋向每側(cè)設(shè)打18 根。 打入河床以下11 m 左右深。 鎖口鋼管樁圍堰結(jié)構(gòu)臨時(shí)支撐從上往下依次設(shè)置4 道內(nèi)圈梁內(nèi)支撐， 分別設(shè)置在標(biāo)高為42.5 m、39.5 m、36.5 m、33.5 m、31.0 m 對(duì)應(yīng)的高度。 考慮到水位較深、抗浮力等各種因素，封底混凝土澆筑厚度為2.5 m。8#主墩鎖口鋼管樁圍堰平面及內(nèi)支撐布置示意如圖1～2 所示。

圖1 鋼管樁平面布置圖(單位：mm)

圖2 鋼管樁立面布置圖(單位：mm)

3 結(jié)構(gòu)受力分析

3.1 有限元模型

采用Midas Civil 有限元軟件對(duì)8# 墩圍堰的不同施工階段受力進(jìn)行計(jì)算分析。 該模型由1868 個(gè)節(jié)點(diǎn)和3462 個(gè)單元組成，相鄰兩根鎖口鋼管樁作為單根柱單元模擬， 且不考慮公扣與母扣之間搭接對(duì)圍堰結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性作用，以保證計(jì)算結(jié)果偏于安全。每根鋼管樁底部均采用鉸接方式模擬邊界約束， 內(nèi)支撐與圈梁和鎖口鋼管樁采用剛性連接方式模擬焊接， 封底混凝土與鋼管樁共節(jié)點(diǎn)；鋼管樁入土深度節(jié)段按“m”法模擬節(jié)點(diǎn)彈性支撐。 鋼管樁從河床往下依次進(jìn)入淤泥層2.4 m，其m 法計(jì)算值取4000 kN/m4；中砂層4.5 m，m 法計(jì)算13000 kN/m4、卵石層4.1 m， 其m 法計(jì)算值取42000 kN/m4。 有限元分析模型見(jiàn)圖3。

圖3 圍堰三維計(jì)算模型

3.2 荷載工況

圍堰主要施工工序順序如下： ①先施打橫橋向兩側(cè)的鎖口鋼管樁，后施打縱橋向兩側(cè)的鋼管樁。②合攏完成后， 在相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)高處安設(shè)第一道支撐及圈梁并進(jìn)行焊接固定。 ③河床底部清理、整平并澆筑2.5 m 厚的封底混凝土。 ④待混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，抽水至39.5 m標(biāo)高位置處并安設(shè)第二道支撐。 ⑤抽水至36.5 m 標(biāo)高位置處并安設(shè)第三道支撐。 ⑥抽水至33.5 m 標(biāo)高位置處并安設(shè)第四道支撐。⑦抽水至31.0 m 標(biāo)高位置處，便可開(kāi)始進(jìn)行樁基表面清洗等工藝。 圍堰內(nèi)支撐各工況見(jiàn)表1。

表1 圍堰計(jì)算工況

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 圍堰強(qiáng)度計(jì)算

采用Midas Civil 有限元數(shù)值模擬分析施工過(guò)程中4 種最不利荷載工況下鋼管樁及圈梁圍堰材料的受力狀態(tài)。

(1)工況一

在工況一狀態(tài)下(抽水1 m 深)，鋼管樁及圈梁構(gòu)件材料的應(yīng)力圖如圖4～5 所示。由鋼管樁應(yīng)力圖可知，其最大應(yīng)力σmax=33.67 MPa＜168 MPa (鋼材的容取應(yīng)力值可按《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定》規(guī)定選用，提高系數(shù)取1.2。即Q235 級(jí)鋼材的容取最大應(yīng)力σmax=140×1.2=168 MPa)；出現(xiàn)在封底混凝土頂面界面處；由圖5 可知，工字鋼圈梁的最大應(yīng)力σmax=28.66 MPa，出現(xiàn)在橫向圈梁與內(nèi)支撐鋼管焊接位置處， 小于鋼材的容取值； 圍堰的最大變形量lmax=5.6 mm，出現(xiàn)在鋼管樁頂部。綜上分析，在工況一狀態(tài)下，圍堰的應(yīng)力應(yīng)變均滿足要求。

圖4 工況一鋼管樁應(yīng)力圖

圖5 工況一圈梁應(yīng)力圖

(2)工況二

當(dāng)圍堰處于工況二狀態(tài)下， 即抽水至39.5 m。 經(jīng)有限元數(shù)值分析可得鋼管樁及圈梁構(gòu)件的應(yīng)力如圖6～7 所示。 由圖6 可以看出，在工況二荷載下，鋼管樁應(yīng)力σmax=34.02 MPa，出現(xiàn)在封底混凝土頂面位置處；而圈梁的最大應(yīng)力σmax=92.65 MPa 出現(xiàn)在第二道圈梁橫橋向中間位置處，變形量lmax=14.3 mm。 應(yīng)力應(yīng)變均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 工況二鋼管樁應(yīng)力圖

圖7 工況二圈梁應(yīng)力圖

(3)工況三

圖8 工況三鋼管樁應(yīng)力圖

圖9 工況三圈梁應(yīng)力圖

當(dāng)圍堰內(nèi)抽水至36.5 m， 進(jìn)行第三道內(nèi)支撐固定時(shí)，此刻的鋼管樁及圈梁構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)如圖8～9 所示。由圖8 可以看出，在該工況下鋼管樁應(yīng)力σmax=39.61 MPa，出現(xiàn)標(biāo)高28.5 m 位置處，圈梁的最大應(yīng)力σmax=104.1 MPa 出現(xiàn)在第三道橫橋向內(nèi)置撐中間位置處， 圍堰結(jié)構(gòu)最大變形量lmax=18.9 mm。 應(yīng)力應(yīng)變均滿足設(shè)計(jì)要求。

(4)工況四

在工況四荷載下， 鋼管樁及圈梁構(gòu)件的應(yīng)力如圖10～11。 從圖10 不難發(fā)現(xiàn)鎖口鋼管樁的最大應(yīng)力為σmax=58.56 MPa，仍出現(xiàn)在封底混凝土頂面位置處；圈梁的應(yīng)力σmax=148.3 MPa， 出現(xiàn)在第四道內(nèi)支撐與圈梁節(jié)點(diǎn)處；該工況下圍堰的最大變形量lmax=26.5 mm。 應(yīng)力應(yīng)變均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10 工況四鋼管樁應(yīng)力圖

圖11 工況四圈梁應(yīng)力圖

綜合上述分析可知， 圍堰的鋼管樁和圈梁構(gòu)件最大應(yīng)力均發(fā)生在工況四， 此時(shí)的鋼管樁組合應(yīng)力σmax=58.56 MPa、圈梁的最大應(yīng)力σmax=148.3 MPa 均小于鋼材允許應(yīng)力；且最大變形量lmax=26.5 mm 也滿足相關(guān)變形量要求。

4.2 圍堰整體抗浮計(jì)算

封底混凝土標(biāo)號(hào)強(qiáng)度為C30，厚度為2.5m，承臺(tái)下有6 根直徑為2 m 樁基， 樁基與封底混凝土的摩阻力T 取120 kPa。圍堰內(nèi)凈面積為170.1 m2。水浮力：P浮=rhA=10×14.3×170.1=25515 kN；封底混凝土重：G重=rV=23×170.1×2.5=9781 kN；樁基與封底混凝土的摩阻力：F摩=TS=120×6×3.14×2.5=5652 kN。

圍堰對(duì)水浮力穩(wěn)定作用取下式計(jì)算的較小值： 鋼管樁與封底混凝土的摩阻力：F=TS=120×(11+13.5)×2×2.5=14700 kN； 鋼 管 樁 抗 拔 力：F=66×26×250/100+66×11×3.14×0.63×20=33013 kN。 (共有66 根鋼管樁，鋼管樁與砂土摩阻值按20 kPa 計(jì)算， 封底混凝土底面下鋼管入土11.0 m，鎖口鋼管樁每延米重量約250 kg)。

圍堰整體抗浮滿足相關(guān)要求。

4.3 圍堰整體穩(wěn)定性計(jì)算

在水流壓力下圍堰可能會(huì)發(fā)生傾斜變動(dòng)， 其轉(zhuǎn)動(dòng)軸在圍堰腳趾處， 圍堰穩(wěn)定力矩是由圍堰結(jié)構(gòu)重量G1、混凝土重G2、樁與土層的摩擦力G3的合力與水浮力P 的差值。傾覆力矩是由水流壓力F 水產(chǎn)生。即圍堰整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定力矩：M0=(G1+G2+G3-P)×0.5L=(33013+9781+14700-25515)×12.27×0.5=196191 kN。

其中K 為形狀系數(shù)， 取1.5；A 為阻水面積，15.5m×15m=232.5 m2；v 為水流速度， 取2.6 m/s；r 為水的密度，取10 kN/m3，故動(dòng)水壓力為1179 kN,其作用于水面下1/3水深處。 抗傾覆力矩：

Mt=FD=1179×15×2/3=11790 kN。

綜合上述計(jì)算分析，圍堰穩(wěn)定性滿足要求。

5 結(jié)論

本文采用大型有限元分析軟件對(duì)某跨江橋梁采用鎖口鋼管樁圍堰方式施工進(jìn)行不同階段下的受力性能分析，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)數(shù)值分析結(jié)果表明：在各個(gè)不同施工工況下，鎖口鋼管樁圍堰的剛度(變形)和強(qiáng)度(應(yīng)力)及變形值均滿足規(guī)范要求。

(2)鎖口鋼管樁和圈梁的最大應(yīng)力均發(fā)生在工況四，應(yīng)力分別為σmax=58.56 MPa、σmax=148.3 MPa。 可見(jiàn)鋼管樁構(gòu)件的安全富裕系數(shù)偏高，而圈梁的安全富裕系數(shù)偏小。必要時(shí)可適當(dāng)對(duì)圈梁進(jìn)行加固， 從而提高圍堰結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。

(3)圍堰的抗浮系數(shù)為1.18；穩(wěn)定系數(shù)為16.6 均滿足相關(guān)規(guī)范要求， 由此可見(jiàn)鎖口鋼管樁圍堰在12～18 m 深水基坑施工中具有較好的應(yīng)用前景。