模擬施工過程的官洲河特大橋鋼板樁圍堰分析計算

1、鐵道建筑RailwayEngineeringMay，20101995（2010）05-0008-04文章編號：1003-模擬施工過程的官洲河特大橋鋼板樁圍堰分析計算吳清，尹浩輝510288）（廣州交通投資集團有限公司，廣州“路徑”摘要：以官洲河特大橋的深水基礎鋼板樁圍堰系統(tǒng)作為研究對象，采用不考慮施工過程中效應“路徑”效應兩種方法對其進行有限元計算，發(fā)現(xiàn)兩種方法所得的計算結(jié)果相差懸和考慮施工過程中“路徑”殊，不考慮施工過程中的效應會導致錯誤的計算結(jié)果。根據(jù)計算結(jié)果改進了原有的鋼板樁圍堰系統(tǒng)，改進后的系統(tǒng)能夠滿足各階段受力需求。關鍵詞：鋼板樁圍堰施工模擬“路徑”效應文獻標識碼：B有限元分析+中圖

2、分類號：U445.5560引言鋼板樁圍堰具有結(jié)構(gòu)簡單、受地質(zhì)情況制約較小、1工程概況廣州新洲至化龍快速路D2標段官洲河特大橋位鋼板樁插打比較容易、施工工期較短和施工成本較低等優(yōu)點，已經(jīng)成為大橋水中墩承臺施工時較為常見的鋼板樁圍堰的使用也會帶來一圍堰形式。與此同時，側(cè)壁易出現(xiàn)漏些安全隱患：如結(jié)構(gòu)計算分析較為復雜、水、封底混凝土施工前易出現(xiàn)管涌和鋼板樁易發(fā)生卷需要在計算和施工中采取措施加以避免。在對曲等，鋼板樁圍堰的安全性進行計算時，主要包括鋼板樁入土深度計算、封底混凝土強度和抗浮穩(wěn)定性計算、鋼板樁及其支撐系統(tǒng)的計算等，其中以鋼板樁及其支撐系統(tǒng)的計算最為復雜。由于鋼板樁和內(nèi)支撐系統(tǒng)的安裝屬于水下作

3、業(yè)，安裝精度往往難以保證，使得整個體系的受力狀態(tài)異傳統(tǒng)的計算方法往往常復雜。對于鋼板樁圍堰系統(tǒng)，采用一次成型的平面靜力計算方法。該方法具有建模較為簡單，計算較為快捷的特點。但是在圍堰施工過，“路徑”程中，由于結(jié)構(gòu)和荷載都在不斷發(fā)生變化效應對建造過程中以及最終的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響較與一次成型下的分析結(jié)果存在較大差別，需在結(jié)構(gòu)大，設計中加以考慮。同時需采取合理的施工方法和措施，以保證施工過程中任意時刻結(jié)構(gòu)的安全性。本文#介紹以官洲河特大橋水中17墩鋼板樁圍堰為實例，于廣州市珠江官洲河水道，主橋為跨徑布置（99+180+99）m的連續(xù)剛構(gòu)。17#主墩基礎采用鉆孔灌注樁和承臺尺寸為32.5m（橫橋向

4、）15.7m整體式承臺，（縱橋向）5.0m（高度），承臺底面設計高程為8.0m（主墩形狀及尺寸詳見圖1）。承臺施工采用鋼板樁單個墩鋼板樁圍堰內(nèi)壁尺寸為35.6m（橫橋向）圍堰，18m（縱橋向）。鋼板樁沿著周圍的導梁插打，插打深度為16.0m，施工期間最高水位為7.5m，采用長24m的鋼板樁?？紤]施工過程的鋼板樁及其支撐系統(tǒng)的計算。12-23；修回日期：2010-02-18收稿日期：2009-作者簡介：吳清（1981），男，湖南省新化縣人，工程師，碩士。2010年第5期模擬施工過程的官洲河特大橋鋼板樁圍堰分析計算918m（縱橋向），根據(jù)實際施工情況需要，鋼板樁圍堰頂面高程采用+8.0m，底面高程

5、為16.0m（具體布置如圖2）。圍堰材料采用德國拉森型鋼板樁。圍堰支撐系統(tǒng)布置在鋼板樁內(nèi)側(cè)，圍囹采用工字型鋼內(nèi)支撐采用鋼管間斷設置。圍堰支撐系統(tǒng)環(huán)向布設，共分五層，在承臺完成后施工墩身時，將對內(nèi)支撐系統(tǒng)進行調(diào)整改造。圖3鋼板樁和內(nèi)支撐1/4模型3.4施工工況工況（1）工況（5）圍堰開始抽水后，當內(nèi)水位降鋼板樁和第i層內(nèi)支撐處于低至第i層支撐下0.5m，i層以上的鋼板樁和內(nèi)支撐焊接。頂緊狀態(tài)（i=15），工況（6）將5層內(nèi)支撐均和鋼板樁焊接，圍堰內(nèi)水位抽至8.0m。工況（7）拆除第五層支撐，施工第一層承臺。工況（8）拆除第四層支撐，并更改上三層支撐體系，施工第二層承臺。工況（9）拆除第三層內(nèi)支撐

6、系統(tǒng)，施工第一節(jié)墩身。3.5不考慮施工過程的計算分析該方法對結(jié)構(gòu)在不同使用階段及其荷載工況下的強度和剛度進行計算分析，不考慮結(jié)構(gòu)變形和應力的累積效應。對于3.4節(jié)所示的每一種工況，其結(jié)構(gòu)體系為鋼10鐵道建筑May，2010板樁和與其焊接或頂緊的內(nèi)支撐，不包括尚未進行焊接、頂緊或已經(jīng)拆除的內(nèi)支撐。鋼板樁系統(tǒng)所受外力主要有流水壓力、外側(cè)靜水壓力和內(nèi)側(cè)靜水壓力，以施工工況（4）為例，其結(jié)構(gòu)體系和所受外力如圖4所示：1）流水壓力P12流速0.39m/s時，計算得P1=0.99kN/m；2）外側(cè)靜水壓力P2P2=155kN/m2；考慮水深15.5m，（3）內(nèi)側(cè)靜水壓力P3P3=60kN/m2。考慮水深6

7、m，對于3.4節(jié)所示的9種工況，計算結(jié)果見表1。）鋼板樁最大應力/MPa支撐系統(tǒng)最大應力/MPa鋼板樁最大變形/mm10121.117.818053.423.317558.315.519062.18.714346.17.714746.67.758.242.89.988.247.912.312046.124.4從表1的數(shù)據(jù)可知：鋼板樁最大應力max=190MPa=210MPa，鋼板樁的最大撓度為fmax=24.44mmL/400=16000/400=40mm，內(nèi)支撐的最大應力=62.18MPa1.3=182MPa。均滿足規(guī)范要求。3.6考慮施工過程的計算分析隨著各施工步驟的實對于本項目的鋼板樁系

8、統(tǒng)，施，水壓等荷載逐漸施加到結(jié)構(gòu)上。而結(jié)構(gòu)體系、鋼板樁與支撐系統(tǒng)的連接方式也在發(fā)生相應的變化。因要想精確地分析鋼板樁系統(tǒng)在施工過程中的內(nèi)力此，和變形，確保結(jié)構(gòu)安全，必須考慮圍堰施工過程中結(jié)構(gòu)（“路徑”效應）。變形和應力的累積效應“殺死”“激活”在Ansys軟件中，使用和單元的辦“殺死”單元，并非將單法來實現(xiàn)施工過程分析。所謂元從模型中刪除，而是將其剛度或其他傳導特性矩陣乘以一個很小的比例因子（程序默認值為1.0106，用戶也可以將其賦予其他值），死單元的單元荷從而不對荷載向量生效。具體做法如下：先載將為0，“激活”建立整個結(jié)構(gòu)體系，在每一個施工階段新參，“殺死”被拆除或退出結(jié)構(gòu)受力的與結(jié)構(gòu)受力

9、的構(gòu)件構(gòu)件，并施加新增加的荷載，然后進行計算。前一階段的計算結(jié)果（結(jié)構(gòu)變形和應力等）將作為下一施工階段的結(jié)構(gòu)初始條件。計算結(jié)果如表2所示。比較表1和表2，可以得出如下結(jié)論：1）工況（1），兩種不同計算方法的結(jié)果相同，這是邊界條件到荷因為此時兩種計算方法的模型從結(jié)構(gòu)、載都完全一致。表2參數(shù)鋼板樁最大應力/MPa支撐系統(tǒng)最大應力/MPa鋼板樁最大變形/mm考慮施工過程計算分析結(jié)果工況（1）101.021.117.8工況（2）205.347.839.6結(jié)構(gòu)被壓潰工況（3）2）工況（2），“路徑”考慮效應與不考慮“路徑”效應相比，鋼板樁的最大應力和最大變形增大，其中鋼板樁的應力和變形接近規(guī)范要求的容許

10、值；而支撐系統(tǒng)的最大應力反而減小。這是因為考慮“路徑”效應時，第2層內(nèi)支撐在本工況下才開始參與受力，因而其應力減小，而鋼板樁由于在加載的第1階段缺少第2層內(nèi)支撐的支撐，其計算長度增加，因而應力和變形都顯著增大。3）工況（3），“路徑”考慮效應時，由于最大應力和變形超出限值，結(jié)構(gòu)計算無法收斂，結(jié)構(gòu)被壓潰。從上述計算結(jié)果可知，是否考慮圍堰施工過程中“路徑”效應，會得出截然不同的計算結(jié)果。對于本的項目，如果采用上述鋼圍堰結(jié)構(gòu)和施工流程，最終將會造成鋼圍堰在水壓力作用下發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，并可能導致重大安全事故。因此，有必要對結(jié)構(gòu)或者是施工流程進行調(diào)整，使之能夠滿足結(jié)構(gòu)受力的需求。2010年第5期模擬施工

11、過程的官洲河特大橋鋼板樁圍堰分析計算4改進后的施工流程及計算分析通過分析，可知是否考慮圍堰施工過程中的“路塊將所有5層內(nèi)支撐與鋼板樁頂緊后，依次抽水至第i層內(nèi)支撐下50cm處，再將第i層內(nèi)支撐與鋼板樁焊接（i=15）。這樣，從工況（1）開始，所有的內(nèi)支撐均能夠承受從鋼板樁傳遞過來的水壓力。各施工工況計算結(jié)果如表3所示（由于工況示意圖如圖5所示，（1）工況（4）的結(jié)構(gòu)體系與工況（5）類似，而受力要小于工況（5），因此沒有必要對其進行計算）。表3參數(shù)（5）鋼板樁最大應力/MPa內(nèi)支撐系統(tǒng)最大應力/MPa鋼板樁最大變形/mm（6）（7）（8）（9）150.0135.416.2143.0147.080.371.246.146.6191.694.37.77.76.64.7各階段計算結(jié)果匯總表工況徑”效應，計算結(jié)果會有很大的差異。而產(chǎn)生這種差鋼板樁和內(nèi)支撐之間無法異的原因在于圍囹下放時，他們之間往往會有幾厘米（有時甚至做到完全緊