深水基础单壁钢围堰设计

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摘要：以准池铁路前窑子水库大桥为工程实例，运用有限元软件ANSYS，对深水基础施工中采用的单臂钢围堰建立有限元模型，进行受力分析，供类似工程参考。

关键字：深水基础单臂钢围堰有限元设计

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

一、工程概况

新建准池铁路前窑子水库大桥全长483.46m，孔跨布置为：2-32m简支T梁+(58+3×96m+58m)连续梁，桥墩均为圆端形实体墩，最大墩高23m。其中3～6号墩均位于前窑子水库中，施工水位为1210.5m。5号墩处水库底标高为1199.9m，承台底标高为1200.9m，承台尺寸为14.8m×16.3m×4.0m，承台横桥向两端为半径10.8m的圆端形，桩基础为14-φ2.0m柱桩，梅花形布置,桩长24.0m。桥址处区地层主要为粗角砾土和片麻岩。

根据5号墩基础形式及现场施工环境，水深超过10m，桩基的布置形式不利于设置内支撑，拟采用单臂钢围堰进行基础施工，钢围堰封底混凝土厚度为2.0m。钢围堰施工顺序为：首先在拼装平台上焊接拼装，然后下放钢围堰，钢围堰下放就位后吸泥清底并浇筑封底混凝土，抽取围堰内水，最后施工承台。

图1 钢围堰平面构造图(单位：mm) 图2 钢围堰有限元模型

二、单臂钢围堰设计

钢围堰是桥梁基础水下施工的临时性挡水设施，一般由四大部分组成，分别为侧板、纵横骨架、内支撑和封底混凝土，通过侧板和封底混凝土形成一个封闭的施工空间，为承台施工提供一个无水的施工环境。

（一）围堰构造

本桥5号墩基础施工采用的单壁钢围堰结构形式为圆形，内径为9.3m，总高12.0m，主要由侧板和封底混凝土组成，详见图1所示。其中，钢围堰壁板采用8mm钢板，环向主梁采用HN450X200型钢，环向次梁采用[16槽型钢，竖向主梁采用I32b型钢，均为Q235钢材。围堰在高度方向上一次焊接成形，在环向上分16块，在围堰拼装平台上进行分块焊接。

（二）设计参数

1、Q235钢：[σw]=145MPa, [σv]=80MPa

2、钢弹性模量：Es=2.1×105MPa；

3、C20封底混凝土比重：23.0kN/m3；

4、钢围堰总重：100t。

三、结构模型建立

利用大型有限元软件ANSYS建立单壁钢围堰三维有限元模型，详见图2所示。钢围堰侧板采用shell63板单元模拟，水平和竖向梁均采用beam4梁单元模拟。为减少计算工作量，采用1/4模型进行计算，模型中板单元为4000个，梁单元为18000个。钢围堰底部节点约束3个方向的平动自由度，1/4模型连接处约束2个方向的平动自由度。

四、检算工况及荷载

根据钢围堰施工时的工作时段，设计时主要考虑以下三种工况：

工况Ⅰ：钢围堰拼装下放阶段，对下放吊装系统的强度进行检算；

工况Ⅱ：底混凝土施工结束，抽干围堰内水时的状态，检算围堰的强度和刚度。本文有限元计算以此种状态作为计算工况，计算中主要荷载为静水压力。荷载采用梯度荷载的形式施加，即静水压力F=ρgh。

其中：ρ为水的密度，取1×103kg/m3；g为重力加速度，取9.81m/s2；h为计算点水深。

工况Ⅲ：钢围堰的抗浮检算，检算抗浮稳定性。

五、计算过程及结果

（一）工况Ⅰ检算

围堰由4个下放吊点组成，每个吊点的荷载为25t，考虑1.2的不均匀系数，按30t检算。每个吊点由2根直径32mm精制螺纹钢组成，钢管桩扁担梁为3I40a型钢，围堰吊点支撑梁为2I40a型钢，计算结果如下表：

表1

由表1可见：精制螺纹钢、扁担梁和支撑梁的结构强度及刚度均满足要求。

（二）工况Ⅱ检算

1、位移计算结果

图3 侧板位移图 图4 主梁位移图

从图3、图4可以看出，钢围堰侧板最大位移发生在围堰侧板底部，最大值为3.4mm＜18600/400=46.5mm，竖向主梁的最大位移为2.4mm＜12000/400=3mm，位移均满足《钢结构设计规范》(GB50017-2003)要求。

2、应力验算结果

图5 侧板应力图 图6 主梁位移图

从图5、图6可以看出，壁板的最大压应力为126.5MPa，竖向主梁的最大拉应力为75.4MPa，环向次梁的最大拉应力为87.2MPa，均小于Q235钢材的容许应力，均满足规范要求。

（三）工况Ⅲ检算

计算中主要考虑桩基与封底混凝土的总粘结力、钢围堰受到的浮力、封底混凝土的自重,钢围堰的自重,计算水深H=12.0m。

桩基与封底混凝土的总粘结力F1=πdnhp=21100.8kN，其中：n为桩根数，n=14；d为桩的直径，d=2.0m；h为封底混凝土厚度，取2.0m；p为每根桩桩顶与封底混凝土的粘结力，取120kPa。

封底混凝土自重F2=γV2=12498.9kN，其中：γ为封底混凝土的容重，取24kN/m3，V2为封底混凝土的体积。

钢围堰自重F3=980kN。

浮力F4=ρgπ(R2-nr2)H=26808.8kN,其中：R为钢围堰的内径，取9.3m，r为柱桩的计算半径，取1.0m。

经计算抗浮稳定系数K=(F1+F2+F3)/F4=1.29>1.15，表明单壁钢围堰抗浮能力是足够的，设计是安全可靠的。

六、结论

前窑子水库大桥5号墩钢围堰设计中，综合考虑了多种因素，最后选用单壁钢围堰设。本文通过建立有限元模型，进行多次反复验算，最终确定了钢围堰各个部位的型号和尺寸。围堰壁板、竖肋、环向梁的强度及刚度均满足规范要求，设计中省去了纵横骨架和内支撑，从而节约了钢材，取得了显著的经济效应。

按照本设计加工的钢围堰，在施工过程中没有出现问题，顺利地完成了前窑子水库大桥5号墩的深水基础施工，故本设计符合现场施工要求，供其它类似工程设计时参考。

【参考文献】

[1] 刘自明.桥梁深水基础[M].北京:人民交通出版社,2003

[2] 中华人民共和国建设部.GB50017―2003 钢结构设计规范 [S].北京.中国计划出版社.2003

[3] 孙昆鹏.深水承台单壁钢围堰设计及应用 [J].山西建筑，2012,38:171-172

[4] 魏贤华.水下岩层中大直径轻型双壁钢围堰设计与施工 [J].桥梁建，2009,6:58-61

作者简介：孙刘军(1982～)，男，山西运城人，工程师，从事桥梁设计工作。