模拟施工过程的官洲河特大桥钢板桩围堰分析计算

时间：2024-07-28

吴清，尹浩辉

(广州交通投资集团有限公司，广州 510288)

0 引言

钢板桩围堰具有结构简单、受地质情况制约较小、钢板桩插打比较容易、施工工期较短和施工成本较低等优点，已经成为大桥水中墩承台施工时较为常见的围堰形式。与此同时，钢板桩围堰的使用也会带来一些安全隐患:如结构计算分析较为复杂、侧壁易出现漏水、封底混凝土施工前易出现管涌和钢板桩易发生卷曲等，需要在计算和施工中采取措施加以避免。在对钢板桩围堰的安全性进行计算时，主要包括钢板桩入土深度计算、封底混凝土强度和抗浮稳定性计算、钢板桩及其支撑系统的计算等，其中以钢板桩及其支撑系统的计算最为复杂。

由于钢板桩和内支撑系统的安装属于水下作业，安装精度往往难以保证，使得整个体系的受力状态异常复杂。对于钢板桩围堰系统，传统的计算方法往往采用一次成型的平面静力计算方法。该方法具有建模较为简单，计算较为快捷的特点。但是在围堰施工过程中，由于结构和荷载都在不断发生变化，“路径”效应对建造过程中以及最终的结构内力和变形的影响较大，与一次成型下的分析结果存在较大差别，需在结构设计中加以考虑。同时需采取合理的施工方法和措施，以保证施工过程中任意时刻结构的安全性。本文以官洲河特大桥水中17#墩钢板桩围堰为实例，介绍考虑施工过程的钢板桩及其支撑系统的计算。

1 工程概况

广州新洲至化龙快速路D2标段官洲河特大桥位于广州市珠江官洲河水道，主桥为跨径布置(99+180+99)m的连续刚构。17#主墩基础采用钻孔灌注桩和整体式承台，承台尺寸为32.5 m(横桥向)×15.7 m(纵桥向)×5.0 m(高度)，承台底面设计高程为-8.0 m(主墩形状及尺寸详见图1)。承台施工采用钢板桩围堰，单个墩钢板桩围堰内壁尺寸为35.6 m(横桥向)×18 m(纵桥向)。钢板桩沿着周围的导梁插打，插打深度为-16.0 m，施工期间最高水位为7.5 m，采用长24 m的钢板桩。

图1 17#主墩一般构造(单位:cm)

2 围堰设计和施工流程

2.1 围堰设计

钢板桩围堰平面内壁尺寸采用35.6 m(横桥向)×18 m(纵桥向)，根据实际施工情况需要，钢板桩围堰顶面高程采用+8.0 m，底面高程为-16.0 m(具体布置如图2)。围堰材料采用德国拉森Ⅳ型钢板桩。围堰支撑系统布置在钢板桩内侧，围囹采用工字型钢环向布设，内支撑采用钢管间断设置。围堰支撑系统共分五层，在承台完成后施工墩身时，将对内支撑系统进行调整改造。

图2 钢板桩围堰布置

2.2 原计划施工流程

①承台范围河床顶面清淤至-8.0 m→②下放五层内支撑系统→③插打钢板桩→④围堰内开挖至-10.5 m→⑤水中浇注2.5 m厚封底混凝土→⑥依次使用垫块将第i层内支撑与钢板桩顶紧后，抽水至第i层内支撑下50 cm处，再将第i层内支撑与钢板桩焊接(i=1～5)→⑦抽水至-8.0 m，割除钢护筒，围堰内清底→⑧拆除第五层支撑系统，第一次承台施工→⑨拆除四层内支撑系统，改造第一、二、三层内支撑系统，第二次承台施工→⑩拆除第三层内支撑系统、第一次墩身施工→[11]拔出钢板桩和第一、二层内支撑系统。

3 钢板桩及其支撑系统的计算分析

本文采用大型通用软件Ansys对钢板桩及支撑系统进行空间有限元计算。

3.1 单元选择

钢板桩采用 shell 63单元进行模拟，围囹所用工字钢和槽钢采用beam 4单元进行模拟，钢管采用pipe 16单元进行模拟。钢材的弹性模量取210 GPa，泊松系数取0.3。

3.2 模型建立

钢板桩围堰实测内壁尺寸为34.8 m(横桥向)×18 m(纵桥向)，考虑到钢板桩及支撑系统具有双轴对称性质，可取1/4模型进行计算，切口处的约束按结构力学的原理施加，钢板桩插入端按固支处理。令沿钢板桩方向为坐标Z向，承台短边方向为Y，承台长边方向为X，结构1/4整体模型见图3。

3.3 计算假定

1)围囹和内支撑之间的连接按刚接处理。

2)钢板桩与围囹的接触，在将各层围囹与内支撑焊接前按脱空处理(即不参与受力)，顶紧焊接后按全固结处理。由于钢板桩的插打和围囹的吊装属于水下作业，施工难度较大，受施工误差的影响，钢板桩和围囹之间无法做到完全紧贴，它们之间一般会有几个厘米的距离，有时甚至会达到10 cm以上。因此，在将钢板桩与围囹焊接之前，只能假定钢板桩与围囹是脱空的。

图3 钢板桩和内支撑1/4模型

3.4 施工工况

工况(1)～工况(5)围堰开始抽水后，当内水位降低至第i层支撑下0.5 m，钢板桩和第 i层内支撑处于顶紧状态(i=1～5)，i层以上的钢板桩和内支撑焊接。

工况(6)将5层内支撑均和钢板桩焊接，围堰内水位抽至-8.0 m。

工况(7)拆除第五层支撑，施工第一层承台。

工况(8)拆除第四层支撑，并更改上三层支撑体系，施工第二层承台。

工况(9)拆除第三层内支撑系统，施工第一节墩身。

3.5 不考虑施工过程的计算分析

该方法对结构在不同使用阶段及其荷载工况下的强度和刚度进行计算分析，不考虑结构变形和应力的累积效应。

对于3.4节所示的每一种工况，其结构体系为钢板桩和与其焊接或顶紧的内支撑，不包括尚未进行焊接、顶紧或已经拆除的内支撑。钢板桩系统所受外力主要有流水压力、外侧静水压力和内侧静水压力，以施工工况(4)为例，其结构体系和所受外力如图4所示:

1)流水压力P1

流速0.39 m/s时，计算得 P1=0.99 kN/m2;

2)外侧静水压力P2

考虑水深15.5 m，P2=155 kN/m2;

(3)内侧静水压力P3

考虑水深 6 m，P3=60 kN/m2。

对于3.4节所示的9种工况，计算结果见表1。

图4 工况(4)荷载

表1 不考虑施工过程计算分析结果

从表1的数据可知:钢板桩最大应力 σmax=190 MPa＜［σ］=210 MPa，钢板桩的最大挠度为 fmax=24.44 mm＜L/400=16 000/400=40 mm，内支撑的最大应力 σ=62.18 MPa＜1.3［σ］=182 MPa。均满足规范要求。

3.6 考虑施工过程的计算分析

对于本项目的钢板桩系统，随着各施工步骤的实施，水压等荷载逐渐施加到结构上。而结构体系、钢板桩与支撑系统的连接方式也在发生相应的变化。因此，要想精确地分析钢板桩系统在施工过程中的内力和变形，确保结构安全，必须考虑围堰施工过程中结构变形和应力的累积效应(“路径”效应)。

在Ansys软件中，使用“杀死”和“激活”单元的办法来实现施工过程分析。所谓“杀死”单元，并非将单元从模型中删除，而是将其刚度［或其他传导特性］矩阵乘以一个很小的比例因子(程序默认值为1.0×10-6，用户也可以将其赋予其他值)，死单元的单元荷载将为0，从而不对荷载向量生效。具体做法如下:先建立整个结构体系，在每一个施工阶段，“激活”新参与结构受力的构件，“杀死”被拆除或退出结构受力的构件，并施加新增加的荷载，然后进行计算。前一阶段的计算结果(结构变形和应力等)将作为下一施工阶段的结构初始条件。计算结果如表2所示。

比较表1和表2，可以得出如下结论:

1)工况(1)，两种不同计算方法的结果相同，这是因为此时两种计算方法的模型从结构、边界条件到荷载都完全一致。

表2 考虑施工过程计算分析结果

2)工况(2)，考虑“路径”效应与不考虑“路径”效应相比，钢板桩的最大应力和最大变形增大，其中钢板桩的应力和变形接近规范要求的容许值;而支撑系统的最大应力反而减小。这是因为考虑“路径”效应时，第2层内支撑在本工况下才开始参与受力，因而其应力减小，而钢板桩由于在加载的第1阶段缺少第2层内支撑的支撑，其计算长度增加，因而应力和变形都显著增大。

3)工况(3)，考虑“路径”效应时，由于最大应力和变形超出限值，结构计算无法收敛，结构被压溃。

从上述计算结果可知，是否考虑围堰施工过程中的“路径”效应，会得出截然不同的计算结果。对于本项目，如果采用上述钢围堰结构和施工流程，最终将会造成钢围堰在水压力作用下发生结构性破坏，并可能导致重大安全事故。因此，有必要对结构或者是施工流程进行调整，使之能够满足结构受力的需求。

4 改进后的施工流程及计算分析

通过分析，可知是否考虑围堰施工过程中的“路径”效应，计算结果会有很大的差异。而产生这种差异的原因在于围囹下放时，钢板桩和内支撑之间无法做到完全紧贴，他们之间往往会有几厘米(有时甚至在10 cm以上)的距离。因此，在钢围堰和各层内支撑贴紧之前，他们之间无法协同受力，如第5层内支撑要到施工工况(5)才能参与受力。这样，会使下边几层内支撑的强度无法得到充分的利用;而由于下边几层内支撑的无法及时参与结构受力，又导致钢板桩变形和应力过大，导致结构失效。

改进的思路在于如何使下边几层内支撑尽快参与结构受力，为此，将2.2节的施工流程⑥改为:使用垫块将所有5层内支撑与钢板桩顶紧后，依次抽水至第i层内支撑下50 cm处，再将第i层内支撑与钢板桩焊接(i=1～5)。这样，从工况(1)开始，所有的内支撑均能够承受从钢板桩传递过来的水压力。各施工工况示意图如图5所示，计算结果如表3所示(由于工况(1)～工况(4)的结构体系与工况(5)类似，而受力要小于工况(5)，因此没有必要对其进行计算)。

表3 各阶段计算结果汇总表

图5 各施工工况示意

从计算结果可知，改变结构体系后，钢板桩系统的变形和应力都能够满足要求。