密扣式拉森鋼板樁fsp型圍堰支護設(shè)計與仿真

密扣式拉森鋼板樁fsp型圍堰支護設(shè)計與仿真

0維結(jié)構(gòu)模型建立樁超載是深基建筑中常見的臨時施工設(shè)備。同時，它也是深水基礎(chǔ)施工中最常用的一種圍護裝置。目前,雙排鋼板樁型圍堰結(jié)構(gòu)由于其整體性強、施工手段方便成熟、監(jiān)測手段較多,在國內(nèi)外橋梁和港口工程中被廣泛采用。對于大型圍堰,需要對圍堰的整體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計,從而保證圍堰的整體結(jié)構(gòu)強度、剛度和穩(wěn)定性,滿足施工要求。迄今為止,國內(nèi)外圍繞雙排鋼板樁圍堰體系研究取得了許多研究成果和經(jīng)驗,如計算時將鋼板樁視為一端固定的連續(xù)梁,每道支撐為鉸支座,由力矩分配法計算;按多跨連續(xù)梁用力矩分配法計算各支點的支反力及各點和跨中的彎矩并找出最大彎矩以驗算鋼板樁的截面。本文采用MidasCivil三維結(jié)構(gòu)軟件建立空間整體模型,對鋼板樁施工過程中的6種工況進行分析計算,計算精度高,計算結(jié)果更接近于鋼板樁圍堰的實際受力情況。因篇幅有限,只選取最不利的3種工況,從結(jié)構(gòu)的變形、鋼板樁的彎矩、支撐內(nèi)力3個方面進行分析研究,并通過數(shù)值模擬與施工位移監(jiān)控,預(yù)測了支護系統(tǒng)的動態(tài)變化趨勢,達到了及時反饋進而完善支護體系的目的,為進一步完善同類大橋基礎(chǔ)施工中圍堰設(shè)計提供良好的經(jīng)驗。1施工水位及施工設(shè)計某大橋起止里程為:K74+858.77—K84+155.55,橋全長9296.78m,線路法線與水流方向夾角為12°,匯水面積F=1099km2,流量Q1%=2102km3/s,水位H1%=17.85m,流速V1%=3.0m/s,施工水位H=14.2m,經(jīng)現(xiàn)場踏勘調(diào)查,測時水位11.5m,漲水季節(jié)洪水水位為13.0m。大橋186#—192#橋墩位于江中,設(shè)計采用鉆孔樁基礎(chǔ),密扣式拉森鋼板樁FSPⅣ型圍堰支護,穿過地層依次為粉土、細(xì)圓礫土、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖、強風(fēng)化含礫砂巖。承臺基坑支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計與地質(zhì)情況、地下水位、土質(zhì)參數(shù)及周圍環(huán)境等都有密切的關(guān)系,主要包括圍護結(jié)構(gòu)、支撐體系、挖土方案、換撐措施、降水方案和地基加固等。鋼板樁圍堰具有強度高、接合緊密不易漏水、施工簡便、速度快、可減少基坑土方開挖量、可多次重復(fù)使用等特點,廣泛應(yīng)用于水中承臺的施工中。經(jīng)對方案的安全性、經(jīng)濟性、實用性、實施性、工期等方面分析比較,決定選用鋼板樁圍堰方案。2土壓力系數(shù)(1)鋼板樁設(shè)計參數(shù)和施工條件根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)與水文評價報告,鋼板樁圍堰設(shè)計與施工條件見表1。(2)河床底土層性能指標(biāo)河床底從上至下土層的指標(biāo)如下。細(xì)圓礪土(標(biāo)高2.4—7.0m),中密,III級,容量γ1=20.5kN/m3,內(nèi)摩擦角ψ1=30°,黏聚力c1=2kN/m2,土層厚度h1=4.6m,彈性模量E1=100MPa;風(fēng)化巖層(巖層頂面標(biāo)高2.4m),γ2=23kN/m3,ψ2=35°,c2=100kN/m2,彈性模量E2=300MPa。(3)土壓力系數(shù)根據(jù)庫倫定律,土壓力系數(shù)見表2。(4)水流壓力考慮河流水流壓力,經(jīng)計算,取FW=1.5kN/m2,計算水位取標(biāo)高+11.5m。3設(shè)計和計算基于鋼的單元的負(fù)荷3.1鋼板樁剛度計算鋼板樁選用主要考慮其支護深度、土質(zhì)及周圍水的情況。經(jīng)綜合考慮,采用16m長密扣式拉森鋼板樁FSPIV型,其技術(shù)參數(shù)如下。(1)鋼板樁:寬度B=400mm,高度h=170mm,厚度t=15.5mm,截面積A=96.99cm2,重量W=76.1kg/m,慣性矩Ix=4670cm4,截面模量Wx=362cm3。(2)每延米鋼板樁技術(shù)參數(shù):重量W=190kg/m,慣性矩Ix=38600cm4,截面模量Wx=2270cm3,半截面面積矩Sx=1564cm3。3.2鋼板樁支護基本結(jié)構(gòu)圍堰尺寸為1455cm×1198cm,圍堰的支護方案為鋼板樁+2道內(nèi)支撐,鋼板樁采用密扣式拉森FSPIV型鋼板,長度為16m,鋼圍檁、角斜撐均采用2I36a的工字鋼組合梁,橫撐為529鋼筒支撐梁,同時采用角撐和橫撐確保圍堰的整體剛度和整體穩(wěn)定性,鋼板樁支護基本結(jié)構(gòu)見圖1。結(jié)合工程實際情況,參考其他類似工程確定計算模型,在模型最下方壁板單元節(jié)點上添加固定鉸約束。3.3計算結(jié)果和模型材料Q235鋼材的彈性模量E=2.06×105MPa,容重76.98kN/m3,泊松比為0.3;C30混凝土的彈性模量E=3×104MPa,容重為25kN/m3,泊松比為0.2;細(xì)圓礪土(標(biāo)高2.4—7.0m),中密,III級,γ1=20.5kN/m3,ψ1=30°,c1=2kN/m2,h1=4.6m,彈性模量E1=100MPa,泊松比為0.3;風(fēng)化巖層(巖層頂面標(biāo)高2.4m),γ2=23kN/m3,ψ2=35°,c2=100kN/m2,彈性模量E2=300MPa,泊松比為0.25。(2)計算荷載采用Midas-Civil中的自重自動加載。重力加速度值為9.806m/s2。(3)靜水壓力計算得到模型最底端的靜水壓力為150kPa;流水壓力數(shù)值相對于靜水壓力而言比較小,本工程中不予考慮;波浪力按P=15kPa,浪高3m計算。4鋼板圍堰模型及計算工況(1)建模思路Midas是專門針對巖土工程開發(fā)的有限元計算軟件,該軟件界面簡潔,前處理功能強大。雙排鋼圍堰采用MidasCivil三維結(jié)構(gòu)軟件建立空間整體模型,利用Midas有限元分析軟件對鋼圍堰進行空間和平面分析。計算模型中,鋼板樁按照每延米的慣性矩等效為矩形截面的鋼板,用4節(jié)點板單元模擬,鋼圍檁、水平斜桿和橫撐梁按桿單元模擬,而圍堰內(nèi)河床底的土層、封底混凝土采用實體單元進行模擬。鋼板樁圍堰的整體模型見圖2,圍堰內(nèi)支撐體系模型見圖3。(2)計算工況的確定為了詳細(xì)考慮圍堰各施工階段不同受力狀態(tài)下,結(jié)構(gòu)的剛度、強度以及穩(wěn)定性是否滿足施工要求,對圍堰進行以下工況的分析。工況1:用抽水泵將圍堰內(nèi)積水抽到標(biāo)高+10.5m處,安裝第二道內(nèi)支撐(標(biāo)高+11.0m)。工況2:當(dāng)?shù)谝坏纼?nèi)支撐安裝調(diào)試完畢后,用抽水泵將圍堰內(nèi)積水抽到標(biāo)高+7.0m處,安裝第二道內(nèi)支撐(標(biāo)高+7.5m)。工況3:當(dāng)?shù)诙纼?nèi)支撐安裝調(diào)試完畢后,讓河水回流到圍堰內(nèi),當(dāng)圍堰內(nèi)外水位持平后,開始帶水開挖圍堰內(nèi)土方至+0.692m,并用C35混凝土封底。5鋼板樁墻的剛度依據(jù)建立的雙壁鋼圍堰空間整體模型,采用Midas-Civil三維結(jié)構(gòu)軟件對6種工況進行分析計算。選取最不利的3種工況(工況4,5,6),工況4,5,6結(jié)構(gòu)的變形、鋼板樁的彎矩、支撐內(nèi)力見圖4—圖6。按照設(shè)計的構(gòu)件尺寸和鋼材的力學(xué)性能,鋼板樁每延米的極限彎矩為600kN·m,鋼板樁彎矩最大值為422kN·m(工況5);支撐的極限軸力為2876kN,支撐的最大軸壓力為1446kN(工況4),則鋼板樁的抗彎安全系數(shù)為600/422=1.42,鋼支撐的安全系數(shù)為2876/1446=1.99。由計算云圖可以看出,鋼圍檁只是在與支撐的節(jié)點處應(yīng)力才出現(xiàn)局部增大的現(xiàn)象,其他部位鋼圍檁的應(yīng)力基本在10—100MPa之間,由于節(jié)點都有加強措施,故允許應(yīng)力可以增大為原來的1.2倍,鋼圍檁允許應(yīng)力為188.5MPa,鋼圍檁最大應(yīng)力為218MPa,則218MPa<1.2×188.5=226MPa。因此,鋼圍檁的應(yīng)力滿足要求。鋼板樁變形符合要求。設(shè)計方案與實測結(jié)果對比表明,鋼板樁墻的剛度隨鋼板樁的變形而變化,當(dāng)剛板樁的變形較小時,其剛度也較小,抗彎能力較差,當(dāng)變形增加時,剛度和抗彎能力隨之增加。通過對鋼板樁圍堰施工過程的監(jiān)控監(jiān)測,鋼板樁圍堰的各種受力工況良好,鋼板樁變形及內(nèi)支撐軸力均符合設(shè)計要求,且具有較大的安全儲備,圍堰結(jié)構(gòu)始終處于安全狀態(tài)。6深基坑支護中板樁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用利用Midas-Civil三維結(jié)構(gòu)軟件對鋼板樁圍堰進行三維仿真分析,解決了深水支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計和檢算問題,取得了預(yù)期的效果,得到如下結(jié)論。(1)用Midas-Civil三維結(jié)構(gòu)軟件可以方便地計算出不同施工階段的受力情況,確保在施工過程中不同工況下的鋼板樁安全可靠。(2)結(jié)合鋼板樁結(jié)構(gòu)在深基坑支護中的應(yīng)用,通過圍堰結(jié)構(gòu)的設(shè)計分析可知,采用FSPⅣ型密扣式拉森鋼板樁及內(nèi)支撐的平面形式、層數(shù),既可滿足鋼板樁的內(nèi)力、變形及內(nèi)支撐的內(nèi)力、穩(wěn)定性要求,又可通過采用角撐減少對撐數(shù)量的方式提供較大的施工工作面,方便施工,大大減少內(nèi)支撐的工程量,在縮短工期的同時降低工程造價。(3)利用Midas-Civil三維結(jié)構(gòu)軟件對鋼板樁支護進行模擬分析,通過數(shù)值模擬與施工過程中的位移監(jiān)控,較好地預(yù)測了支護系統(tǒng)的動態(tài)變化趨勢,達到了及時反饋進而完善支護體系