［摘要］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。结合福州市道庆洲大桥A2标段2#主桥墩深水基础工程的实况，运用有限元软件Midas和Ansys对双壁钢围堰在不同施工阶段的受力性能进行分析，研究结果表明:双壁钢围堰的整体强度、刚度和稳定性满足施工要求，并且具有一定的安全储备;封底混凝土的强度、刚度以及围堰的抗浮性能也满足施工要求。该研究为围堰的安全施工提供了保障，也为桥梁深水基础的围堰施工提供了借鉴。
［关键词］双壁钢围堰;深水基础;有限元模拟;封底混凝土
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［1，2］。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［3］。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［4］。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受力性能研究较少［4］。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。
1工程概况
1.1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。道庆洲过江通道线路走向见图1。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SＲ36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25m×17m×5.5m，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。
1.2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+6.31m(2000～2010年数据)，最低潮位为－0.49m(2000～2010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(2000～2010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，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。
1.3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δ=14mm，隔仓肋为∠75×8。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∠200×12，水平桁架采用∠100×100。角环板采用厚度为8mm，长度为1500mm的钢板，竖肋采用∠75×8。围堰内部设置四道内支撑，内撑以630mm×10mm钢管焊接连接。根据地质水文分析，套箱设计最高水位选定为+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0.5～1.0m，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25.4m×17.4m，外轮廓尺寸为28.4×20.4m，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Φ630mm×10mm直缝钢管。封底混凝土设计等级为C30，厚度为4.0m。2#墩承台双壁钢围堰平立面设计如图2所示。围堰施工过程中重难点突出，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。
2钢围堰结构受力分析
2.1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［5，6］。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单元中的板单元模拟，材料为Q235钢板，定义荷载为水压力［7］。整个结构共划分为22675个单元、30546个结点，建立模型如图3所示。
2.2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。钢围堰构件应力值和整体变形计算结果见表1。由表1可知，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δ=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［4］。由于围堰内支撑为受压构件，长度长，容易失稳，需要对其进行稳定性研究。
3封底混凝土结构受力分析
3.1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，结构的网格划分如图4所示。
3.2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ρ=(14.5+6.3)×10=208kN/m2，结构自重按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》(GB50010－2010)，抗拉强度设计值为1.43MPa，弹性模量取E=2.8×107kN/m2，泊松比μ=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，如图5所示，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。
4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［8］。第一节围堰下放直至达到自浮状态，预计刃脚入水4.5m;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，计算结果如表2。由表2可得，围堰的抗浮稳定性系数Kf=(G封底+G+f+G夹壁砼+G夹壁水)/F=(31539.8+8600+72345.6+20783.1+23215.7)/100443.1=1.56。根据崇峻等［9］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Kf≥1.10。因此，钢围堰的抗浮性能满足要求。
5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。
参考文献
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