钢板桩围堰及支撑系统的稳定安全性分析

摘 要 :某大桥主墩钢板桩围堰施工中 ,由于钢板桩置入河床的深度大 ,在抽水过程中围堰内外侧的水压力差大 ,各层内支撑、板桩承受很大的水压力 ,故保证钢板桩及各层内支撑的结构安全、定性在施工中至关重要。笔者采用大型有限元 Ansys软件对围堰结构进行建模 ,分析和计算了各种工况下钢板桩及各层内支撑的强度、度和稳定性。结果表明 ,围堰结构的设计满足强度、度和稳定性要求 ,可以按设计安全施工。

1 工程概况

广州新化快速路上某大桥 17 #墩由 18根桩和承台构成 ,承台尺寸为 32. 5 m (横桥向)×15. 7 m (纵桥向)×5. 0 m (高度) ,承台顶面设计高程为 – 3. 0 m ,基坑底标高为 – 10. 5 m ,封底混凝土厚度为 2. 5 m ,承台范围河床标高为 – 8. 0 m。主墩承台为大型超深低桩承台 ,承台范围河床从上往下依次为淤泥层、粗砂层、强风化泥质粉砂岩 ,采用钢板桩围堰施工。按满足施工操作空间的需要和已经设计好的并开始施工的主墩钻孔平台尺寸 ,钢板桩沿着主墩周围的导梁插打 ,单个墩钢板桩围堰内壁尺寸为 34. 8 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 ,底高程为 – 13. 0 m。围堰材料采用德国拉森Ⅳ形钢板桩。

工程中各种设计值都需要进行计算校核 ,该文主要针对钢板桩及支撑系统在施工中的安全稳定性进行计算和校核。关于钢板桩围堰施工和力学计算的研究已有文献报导 ,文献[ 1 ]介绍了广东水利史上规模最大的钢板桩围堰并对它的结构设计进行了初步分析 ,但在钢板桩受力计算时采用经验的简化计算 ,计算过程不详细 ,其结果也不够精确。文献 [ 2 ] – [ 4 ]介绍了钢板桩围堰施工中一些具体问题的解决方法 ,虽有提到稳定安全性 ,但未对钢板桩进行受力计算。为了保证钢板桩围堰施工过程能顺利进行 ,在施工前必须进行安全稳定性校核。该文对钢板桩及支撑系统的稳定安全性采用有别于传统方法的 A nsys有限元建模分析 ,得到了更加准确的结果。

2 有限元分析

 2 . 1 结构概述

钢板桩顶标高为 + 8. 0 m ,底标高为 – 13. 0 m ,单块通长为 21. 0 m。为了防止局部应力集力 ,需在围囹与支撑钢管连接处以及围囹转角处设置三角形加劲2 I63a、I56a型钢。为了加强内支撑的整体稳定性 ,在竖向连接。由于支撑系统是对称结构 ,可以取其中的一半进行说明。图 1为支撑系统的半平面结构图。自底向上为第 1至第 5层围囹支撑系统。在施工过程中外侧钢板桩通过内侧支撑系统来支撑。

支撑系统结构示意图

支撑系统结构示意图

2 . 2 有限元建模概述

钢板桩及支撑系统的力学分析采用大型通用软件Ansys10. 0进行空间有限元计算 ,钢材按《公路工程桥涵钢结构及木结构设计规范》(J TJ 025 – 86)取弹性模量 210 GPa ,泊松系数 0. 3。钢板桩围堰内壁尺寸为34. 8 m (横桥向)×18 m (纵桥向) ,因研究受力时底端已铺好封底混凝土 ,故钢板桩底端可按受固定端约束来建模计算。根据已知条件建立钢板桩总模型见图 2。

钢板桩总模型图

钢板桩总模型图

 

类似于钢板桩总模型图可以得到内支撑的模型图 ,从而为进一步分析计算打好基础。考虑到钢板桩及支撑系统具有双轴对称性质 ,根据结构力学知识 ,可取 1/ 4模型进行计算 ,这样可以减少单元划分 ,简化计算。切口处的约束按结构力学的规定施加 ,钢板桩插入端按固定端处理。

要对钢板桩围堰及支撑系统进行安全稳定性分析 ,首先要知道施工过程有哪些最不利情况。钢板桩围堰采用先开挖浇注封底混凝土 ,再抽水焊接内支撑的形式施工。内支撑提前下放 ,并临时固定在主墩钢护筒上 ,待围堰内抽水时再与钢板桩焊接 ,施工过程中不利工况有 9个 ,笔者针对这 9种不利工况进行分析。外荷载主要是静水压力和流水压力 ,通过受力分析和计算可得出各工况下的合荷载。利用 Ansys有限元软件建立实体模型 ,定义实常数和材料属性 ,取四节点壳单元 Shell Elastic 4Node63对模型进行单元划分 ,对模型在 9种工况下分别进行加载计算求解 ,通过后处理过程得出各工况下的挠度、力、矩。在各工况计算结果的比较中 ,最不利的工况是工况 3 ,下文以此工况为例说明计算过程和结果。

2 . 3 计算过程和结果分析

在工况 3中钢板桩全部插打完毕 ,第 1、2层围囹支撑与钢板之间均进行焊接固定 ,空隙处加垫用短型钢特制的钢楔。水下顶紧第 3层支撑 ,然后围堰内抽水至 0. 0 m ,在此条件下验算围堰系统的强度、度和稳定性。工况 3围堰所受的分荷载和合荷载见图 3。

(1)流水压力 :

工况 3分荷载图

工况 3分荷载图

结合加载条件 ,通过有限元计算得出钢板桩的等效应力图如图 4所示 ,并可由后处理数据显示知钢板桩受到的最大应力σmax = 175 M Pa ,考虑旧钢板桩应力折减系数为 0. 7 ,临时结构的应力扩大系数为 1. 3 ,钢板桩采用 Q345 (16Mn) :[σ ] = 210 M Pa。

 钢板桩等效应力图 (单位 : Pa)

钢板桩实际的容许应力为 :

[σ] = [σ ]×0. 7×1. 3 = 210 M Pa×0. 7×1. 3 =191 M Pa

可见 :σmax < [σ]

图 5为通过计算得到的钢板桩在 X Y方向的挠度图 ,由图 5可以直观地知道钢板桩在此工况下受力后的最大挠度发生在钢板桩的 Y方向中部偏下处 ,f max = 15. 485 mm。钢板桩的允许挠度[ f ] = L/ 400 =16 000/ 400 = 40 mm ,可见 : f max < [ f ]

由前述校核可知 ,所选用的钢板桩的强度和刚度在此工况下均满足设计要求。

图 6为通过计算得到的各支撑在 X Y方向的位移图。由图 6可知围囹及支撑的最大位移发生在第3支撑 ,围囹的最大挠度为 f max = 9. 952 mm。围囹的允许挠度为[ f ] = L 1 / 400 = 17 800/ 400 = 44. 5 mm ,因此 f max < [ f ]

钢板桩 X和 Y方向挠度图 (单位 :μm)

钢板桩 X和 Y方向挠度图 (单位 :μm)

各支撑 X和 Y方向位移图 (单位 :μm)

图 6 各支撑 X和 Y方向位移图 (单位 :μm)

 图 7和 8分别为各支撑的弯矩图和轴力图。由图可知 ,第 3围囹及支撑系统中的最大弯矩Mmax为38. 118 kN・m ,最大轴力 Fmax为 2 490 kN。围囹采用 3 I63a工钢 ,W = 8 895 cm3 , A = 460. 86为 156 cm2 ,稳定系数φ为 0. 973 ,采用 Q235的围囹及内支撑允许应力[σ拉 ]为 140 M Pa ,临时结构的应力扩大系数为 1. 3。

围囹的最大应力为 :

σmax = M max / W + N max / A = 58. 31 M Pa

围囹的允许应力为 :

[σ] = [σ ]×1. 3 = 182 M Pa

可见 :σmax < [σ]。

钢管内支撑压杆稳定性临界力为 :

N =φA 1 [σ]×1. 3 = 0. 973×156 cm×140 M Pa×1. 3 = 2 762. 5 kN

钢管内支撑的最大轴力为 :

Fmax = 2 490 kN

可见 : N > Fmax

由上述计算可知 ,围囹及支撑的强度、度和稳定性均满足设计要求。

利用同样的方法可以计算出另外 8种不利工况下的结果 ,并进行校核。为了更直观地显示各工况的计算结果 ,表 1是钢板、撑的内力 (应力)及变形汇总。

从表 1可以看出 :支撑的最大轴力出现在第 3工况 ,在此工况下支撑的稳定性最差 ;最大挠度出现在第9工况 ,因钢板桩内部只剩下 1层支撑故各处变形较大。从表 1中也可以得出钢板桩及各支撑的应力值及变形均未超过允许值。

各种工况下钢板桩与支撑的内力、形汇总

各种工况下钢板桩与支撑的内力、形汇总

 3 结语 

对围堰系统的力学计算 ,该文摒弃由试验数据来推断的方法和简化模型的计算法 ,而是采用一种更加科学的方法 ,即通过大型有限元软件 Ansys来建模分析 ,计算各工况下钢板桩围堰的受力变形情况 ,得出了直观的受力变形图 ,并由图中的最大值得到了对钢板桩围堰及支撑系统的安全性和稳定性分析所需的关键结果 ,由此也得到了对钢板桩及围囹等的刚度和强度的有效分析。经过计算 ,各工况均满足强度、度和稳定性要求。其中稳定性最不利情况出现在第 3工况 ,但经过校核 ,此工况仍满足稳定性要求 ;挠度最大值出现在第 9工况 ,也未超出允许值。但为了防止意外发生 ,建议对此两工况进行一定的加固处理。

参考文献 :

[ 1 ] 李涌泉 .大型钢板桩围堰的结构设计与分析 [J ] .西部探矿工程 ,2007 (6) .

[ 2 ] 沈平欢 ,祝 强 .江中围堰及钢平台施工技术 [J ] .四川建材 ,2008 (4) .

[3 ] 李丹平 ,姜显峰 ,杨谦贤 .仙蠡桥水利枢纽钢板桩围堰设计与施工 [J ] .葛洲坝集团科技 ,2008 (2) .

[ 4 ] 任 亮 .广州新光大桥深水承台钢板桩围堰施工 [J ] .中外公路 ,2006 (4) .

[ 5 ] 段 进 ,倪 栋 ,王国业 . ANS YS10. 0结构分析 ,从入门到精通 [ M ].北京 :兵器工业出版社 ,2006.

[ 6 ] J TJ 041 – 2000 ,公路桥涵施工技术规范 [ S]. 

此条目发表在 钢板桩围堰 分类目录。将固定链接加入收藏夹。

发表评论

电子邮件地址不会被公开。

您可以使用这些 HTML 标签和属性: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>