新型组合结构围堰钢-混连接段关键技术

时间：2024-07-28

张凯张程然，张振谭映梁

（1.四川公路桥梁建设集团有限公司，成都 610015；2.西南交通大学土木工程学院，成都 610031）

在深水中建造大型水利或交通工程，基础开挖受水的制约而难度很大，必须修建一种临时围封并创造干作业空间的结构——围堰［1］。目前，桥梁基础施工中围堰类型主要包括：钢板桩围堰、锁扣钢管桩围堰、钢吊箱围堰、钢套箱围堰、土石围堰等［2-5］。近年来，从降低施工成本，优化作业效率的角度出发，各种结构形式的组合围堰也不断涌现出来。蒙西至华中铁路洞庭湖特大桥［6］施工中，采用了下部钢筋混凝土+上部钢板桩围堰。潮漳高速公路韩江特大桥2#主墩［7］施工中，采用混凝土墙及钢板桩组合围堰，取得了理想的经济以及施工成本控制效果。青岛海湾大桥第五合同段［7］承台施工采用了混凝土-钢套箱组合围堰完成了海上施工任务。瓯江特大桥7 号主墩［8］利用钢板桩+混凝土墙组合围堰解决桥区作业环境复杂，施工难度大的问题，取得了良好的止水效果，各项力学指标均满足要求。南京内环绕城高速路［9］桥梁扩建工程中，采用钢-混组合双壁钢围堰，克服了复杂的现场作业条件，缩短了项目建设周期。组合围堰施工中，其组合结构的连接构造是决定围堰施工质量、防渗止水效果的重要控制点，其构造设计的好坏往往决定桥梁基础施工建设的成败。

本文以建设中的宜宾临港长江公铁两用大桥（以下简称临港桥）3#主墩基础施工为依托，对国内首次采用的混凝土咬合桩+双壁钢围堰进行了介绍。针对组合结构围堰设计重点控制环节，采用ABAQUS 建立钢-混连接段有限元元模型并进行现场监控，验证结合段设计的合理性。

1 工程概况

1.1 项目简介

建设项目位于四川省宜宾市内，该桥为川南城际铁路与蓉昆高铁、渝昆高铁，及连接宜宾北岸临港区、南岸翠屏区市政交通的共同过江通道。临港桥跨布置为9×40.7 m+（72.5+203+522+203+72.5）m 主桥+7×40.7 m；桥梁全长1 724.2 m，主桥长1 073 m，主桥立面见图1。

图1 主桥立面（单位：cm）

1.2 组合围堰设计概况

临港桥3#主墩位于江心，采用矩形承台设计，承台顶面标高253.3 m，尺寸为67.00 m×35.75 m×7.00 m。

由于桥梁所处区域水位变化剧烈，在实际施工中结合现场施工条件，采用一种新型的钢-混组合型围堰设计。即在长江水位枯水期，施工下部混凝土咬合桩作为组合围堰结构下部基础。在长江洪水期来临前，接长上部双壁钢围堰，组合围堰立面如图2所示。

图2 组合围堰立面（单位：m）

为充分发挥混凝土材料的抗压承载能力，临港桥组合围堰采用“双拱形哑铃”构造［10］。组合围堰沿环向共分为22 个块段，在中部块段之间设置3 层横向钢管支撑，组合围堰整体平面尺寸84.5 m×50.0 m，如图3所示。

图3 组合围堰平面布置（单位：cm）

1.3 组合围堰钢-混连接段设计构造

组合围堰钢-混连接段为结构设计控制重点，是保证围堰防渗止水效果、结构安全的前提。最为常见的钢-混连接段设计有内槽镶嵌、预埋螺栓连接等方式［11-12］，但上述连接方式施工工序较为繁琐，结构强度难以保证，故在本项目中采用“预埋板+剪力筋”连接方式。即在组合围堰冠梁施工期间，提前预埋中部定位剪力筋以及两侧预埋板连接件。当组合结构围堰上部接长通过咬合桩上部冠梁接长时，将两侧预埋板与上部钢围堰底部进行焊接连接，并浇筑C30 夹仓混凝土提高连接段整体止水性以及结构强度。组合围堰钢-混连接段设计如图4所示。

图4 组合围堰钢混连接段设计（单位：cm）

2 有限元模型分析

2.1 计算模型

组合围堰钢-混连接段结构复杂，是围堰结构设计控制重点部位，为验证结构设计的合理性，利用有限元软件ABAQUS 建立了组合围堰结构3D 模型。采用4 节点线性实体单元（C3D4）模拟组合围堰计算模型中咬合桩、冠梁及夹仓混凝土。采用三维桁架单元T3D2 模拟围堰内部剪力筋；4 节点曲面薄壳模拟上部双壁钢围堰部分。将双壁钢围堰表面与夹仓混凝土绑定，从而实现钢和混凝土的共同作用。结构总共划分331 357个单元，98 884个节点。

2.2 材料参数

计算模型中混凝土采用Willam⁃Warnke 五参数破坏准则进行模拟，相应参数取值可参见文献［13］，具体表达式为

式中：y=σ∕fc，x=ε∕εc，fc为混凝土轴心抗压强度，fc= 0.4f7∕6cu；εc为混凝土受压峰值应变，εc= 383f7∕18cu×10-6；fcu为混凝土立方体抗压强度；A1为混凝土单轴受压上升段参数，A1= 9.1f-4∕9cu；B1= 1.6(A1- 1)2；对于钢筋混凝土α1= 2.5f3cu× 10-5。

钢材本构关系采用弹塑性模型，符合Von Mises屈服准则和各向同性应变硬化。对应的应力-应变关系如下：

式中：σi为钢材等效应力；fs为钢材屈服强度；fu为钢材极限强度，取1.5fs；Es为钢材弹性模量，取2.06 ×105MPa；Est为硬化模量，取0.46%Es；εi，εy，εst与εu分别为钢材的等效应变、钢材屈服应变、钢材强化时应变与钢材的极限应变，εu=εst+ 0.5fs∕(0.46%Es)，其中εu= 120εy。

2.3 钢材与混凝土粘结

由于夹仓混凝土在组合围堰钢板中浇筑，围堰钢壁板与混凝土间发生相互滑移前，存在水泥凝胶体与壁板间接触面的化学黏结力以及粗糙不平的钢板表面和混凝土的机械咬合力，计算模型中通过定义基于面的黏结行为（Surface⁃based cohesive behavior）进行模拟，其本构模型方程如式（3）所示。

式中：τ为黏结应力，MPa；s为滑移，mm；k1为线性段斜率，k1=τcr∕scr；k2为劈裂段斜率，k2=(lu-τcr)∕(su-scr)；k3为下降段斜率，k3=(τr-τu)∕(sr-su)。τan为卸载点的黏结应力，MPa；sun为卸载点的相对滑移，mm；ft，r为钢材的极限强度。

2.4 设计荷载

1）结构自重

组合围堰结构自重系数取1.0。

2）桩身土压力

桩身主动土压力为

式中：q为咬合桩每延米受到荷载，kN∕m；μ为主动土压力系数，取0.301 4；D为为咬合桩桩身直径，取1.25 m；γ为土体重度，取9 kN∕m3（依据水土分算原则）；h为桩在土内的深度。

3）静水压力

静水压按三角形分布，取桥区不同水深进行计算，静水压最大计算深度19.2 m。

4）动水压力

组合围堰结构复杂，为了准确获得施工期间其受到的流水压力，依据组合围堰尺寸制作了1∶100 相似模型，并将其放置于试验水槽中，以测定组合围堰结构各块段在不同流速以及不同水深作用下的动水压力，组合围堰数值计算模型荷载如图5所示。

图5 计算模型荷载分布

2.5 计算结果

依据施工期间桥区可能出现的水位情况，建立ABAQUS 局部模型对组合围堰钢-混连接段受力状况进行了模拟，最高计算水位269.0 m，计算结果见图6，构件最大变形及应力见表1。

图6 ABAQUS数值模型计算结果（单位：MPa）

表1 构件最大变形及应力

由表1 可知，在预期出现的最不利工况条件下，组合围堰内、外壁板最大等效应力分别为83.4，78.2 MPa小于组合结构围堰材料Q345钢材fsd=295 MPa。组合围堰夹仓混凝土的最大变形、最大主应力、最小主应力分别0.87 mm，0.87 MPa，5.33 MPa。除在部分节点，混凝土最大主拉应力达到1.98 MPa 外，其余均小于C30 混凝土设计抗拉强度fsd= 1.41 MPa，部分最大主拉应力最大值为1.18 MPa。组合结构围堰钢-混连接段在预计最高施工水位269.0 m工况下，结构强度设计满足需求，组合结构围堰钢-混连接段设计合理。