高文銀, 陳文尹, 李嘉鑫

(1. 雅安交建集團項目管理有限公司, 四川雅安625000;2.中鐵四局集團第七工程分公司, 安徽合肥 230000; 3.西南交通大學土木工程學院, 四川成都 610031)

0 引言

圍堰施工能提供跨河、跨海橋梁基礎(chǔ)施工無水的環(huán)境,其結(jié)構(gòu)形式和施工方法可根據(jù)所處的水文、地質(zhì)、氣象、巷道等條件的不同而不同。 目前,橋梁水中基礎(chǔ)施工的圍堰形式主要有雙臂鋼圍堰、鋼吊箱圍堰、鋼板樁圍堰等。其中,鋼板樁圍堰在防水性能、強度、經(jīng)濟性和施工上都具有很好的優(yōu)勢,所以這種圍堰結(jié)構(gòu)在各種橋梁基礎(chǔ)的施工中被廣泛應用。它不僅可以作為混凝土的模板使用還可以形成擋水結(jié)構(gòu),有強度高、容易打入堅硬土層、可以組成各種外形、可以重復使用等優(yōu)點[1]。

到目前為止,人們已經(jīng)對鋼板樁圍堰的受力性能、施工工藝等做了大量研究。邱訓兵[2]進行了大型鋼板樁圍堰施工設計,計算分析了在不同荷載工況下鋼板樁圍堰的受力性能,總結(jié)了大型鋼板樁施工的一些建議;楊炳勛等[3]結(jié)合海河特大橋基礎(chǔ)施工,對鋼板樁圍堰的強度、剛度、穩(wěn)定性進行驗算,并提出了鋼板樁圍堰施工質(zhì)量控制要求;李迎久[4]系統(tǒng)介紹了鋼板樁圍堰施工技術(shù)發(fā)展狀況、設計理論及計算方法、施工技術(shù)難題等;劉躍武[5]對海河春意橋水中墩施工中鋼板樁圍堰的應運進行了計算,驗證其施工的安全性;潘泓等[6]通過MIDAS-GTS建立了鋼板樁圍堰的有限元模型,研究了圍堰在不同施工工序下的受力性能、變形情況;湯勁松等[7]用ANSYS建立了鋼板樁圍堰以及圍堰外土體的有限元模型,根據(jù)鋼板樁圍堰的實際施工步驟,探討了鋼板樁圍堰設計時的土壓力計算方法。

上述研究大部分都是基于深水緩流環(huán)境,而在水庫下游水流湍急、巖層裸露的環(huán)境中,鋼板樁圍堰的研究和應用還比較少。本文主要研究了鋼板樁圍堰在急流裸巖條件下的各種性能,對以后在相似環(huán)境下的施工提供依據(jù)。

1 工程概況

蘭州(新城)至永靖沿黃河快速通道是甘南州、臨夏州與青海、河西走廊及新疆之間交通往來的重要通道,是蘭州1 h都市經(jīng)濟圈內(nèi)的交通要道,也是臨夏州各縣區(qū)與外界聯(lián)系的主要通道。路線起點位于蘭州市西固區(qū)新城鎮(zhèn)新城黃河橋南,與已建的西固區(qū)至新城一級公路終點順接,終至永靖縣古城村,與永靖縣新城區(qū)已建的環(huán)湖路終點相連。此外,該項目還通過永靖縣已建的規(guī)劃六路與臨夏折橋至蘭州達川二級公路相接。該項目橫跨黃河大橋共有3座,其中鹽鍋峽黃河大橋位于鹽鍋峽水電站大壩下游約1 km處,水流湍急,流速達5.7 m/s。鹽鍋峽黃河大橋所處地理位置特殊,導致該處河床面無覆蓋層,河床表面為中風化砂巖。

蘭永黃河快速通道鹽鍋峽黃河大橋4#、5#墩施工采用9 m長的拉森Ⅲ型鋼板樁圍堰,圍堰內(nèi)共設置3道圍檁和支撐。圍檁和支撐采用36a工字鋼(圖1、圖2)。

圖1 圍堰、支撐立面布置(單位:m)

圖2 圍堰、支撐平面布置(單位: mm)

2 基本參數(shù)

鋼板樁圍堰、鋼圍檁以及內(nèi)支撐所用鋼材為Q235鋼,封底混凝土采用C30水下速凝混凝土。其物理參數(shù)如表1所示。河床底土層為巖層,主動土壓系數(shù)Ka取0.419,被動土壓力系數(shù)Kp取2.398,土的飽和重度為19.8 kN/m3。

表1 鋼材和混凝土物理參數(shù)

3 有限元模型

采用有限元軟件ANSYS建立鋼板樁圍堰的模型。建模時,拉森III型鋼板樁采用 Shell63殼單元模擬。Shell63單元既具有彎曲能力又具有膜力,可以承受平面內(nèi)荷載和法向荷載。該單元每個節(jié)點具有6個自由度:沿節(jié)點坐標系X、Y、Z方向的平動和沿節(jié)點坐標系X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動,應力剛化和大變形能力已經(jīng)考慮在其中。

鋼圍堰圍檁和支撐采用3維線性有限應變梁單元Beam188來模擬。Beam188 單元適合于分析從細長到中等粗短的梁結(jié)構(gòu),該單元基于鐵木辛克梁結(jié)構(gòu)理論,并考慮了剪切變形的影響。Beam188 是三維線性(2節(jié)點)或者二次梁單元,每個節(jié)點有6個或者7個自由度。

圍堰、圍檁和支撐的有限元模型如圖3、圖4所示。

鋼板樁下部插打入堅硬巖層中,可認為其下部是固定的。所以施加邊界條件時,對鋼板樁底部施加完全固結(jié)約束。

4 計算工況及荷載

4.1 計算工況

圍堰計算分析時,根據(jù)施工過程,考慮5個工況進行計算:

工況一:鋼板樁全部安裝就位,圍檁、支撐沒有安裝。

工況二:圍堰內(nèi)向下抽水1 m,即抽水至第一道支撐位置以下0.5 m后進行第一道圍檁、支撐的安裝。

工況三:繼續(xù)抽水,使水位下降2.5 m,即抽水至第二道支撐位置以下0.5 m后進行第二道圍檁、支撐的安裝。

工況四:繼續(xù)向下抽水1.5 m,即抽水至第三道支撐位置以下0.5 m后進行第三道圍檁、支撐的安裝。

工況五:圍堰內(nèi)抽水完成,進行承臺施工。

4.2 主要荷載

圍堰主要所受的主要荷載有圍堰外流水壓力、靜水壓力、主動土壓力,圍堰內(nèi)凈水壓力、被動土壓力等。其中,圍堰內(nèi)外的靜水壓力可以直接計算靜水壓力差。

計算土壓力時,由于巖層的透水性較差,所以直接采用水土合算法計算主被動土壓力。水土合算法即直接采用土的飽和重度,而不必把水壓力和有效土壓力分開計算[8]。

計算時以工況五為例,其他工況下的荷載計算、有限元分析原理與工況五相同。在工況五時,圍堰內(nèi)的水抽空,圍堰內(nèi)不存在靜水壓力。圍堰外的流水壓力、靜水壓力對圍堰產(chǎn)生較大影響。主要荷載如圖5所示。計算流水壓力時,因為圍堰方向與流水方向有一個近于45°的夾角,把水流流速進行分解,使其垂直作用于在圍堰的2個面上,如圖6所示。

垂直作用于圍堰2個面的流水速度為:

v=5.7sin45°=4.03 m/s

流水壓力:

靜水壓力:

E2=γh=10×4.5=45 kPa

主動土壓力:

Ea=Kaγωh1=19.8×3.2×0.419=26.55 kPa

被動土壓力:

Ep=Kpγωh2=19.8×1.2×2.389=56.76 kPa

5 計算結(jié)果及結(jié)論

5.1 計算結(jié)果

鋼材提取其Mises應力,工況五時圍堰、支撐的計算結(jié)果如圖7～圖10所示。

圖7 圍堰變形(單位:m)

圖9 內(nèi)支撐變形(單位:m)

圖10 圍檁、支撐應力(MPa)

從計算結(jié)果可以看出,圍堰內(nèi)的水全部抽完后,鋼板樁的最大位移10.4 mm。鋼板樁圍堰的最大應力可達到115 MPa,內(nèi)部支撐的較高應力水平能達到112 MPa,支撐上的局部應力集中區(qū)域可達到168 MPa的應力大小。同時,可以看出,圍堰下部的圍檁、支撐的應力水平比圍堰上部的大。

其他工況的計算與工況五時相同,僅僅是在有限元分析過程中輸入各自工況下的相應荷載即可(表2、表3)。

表2 應力計算結(jié)果

表3 應變計算結(jié)果

5.2 結(jié)論

(1)鋼板樁圍堰的應力、變形都處于合理的范圍內(nèi),并且存在較大的安全儲備,所以能夠安全施工。

(2)對于鋼板樁,薄弱、危險的受力點在鋼板樁的角部。因此,施工過程中應重點加強圍堰角部位置的連接強度,規(guī)避圍堰可能產(chǎn)生的破壞。

(3)圍堰最大應力140 MPa左右(存在于少部分應力發(fā)生集中區(qū)域),滿足材料強度要求;不安裝支撐時圍堰的變形很大,其最大變形為93 mm,需要在鋼板樁打入前設置合理的定位裝置。承臺施工時,圍堰內(nèi)抽水完全,支撐全部安裝,此時鋼板樁發(fā)生11 mm左右的變形,處于安全范圍之內(nèi)。

(4)支撐最大應力在168 MPa左右,滿足材料強度要求。