本文格式為Word版，下載可任意編輯——龍門大橋鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計分析鄭健蔣贛猷楊茗欽李莘哲陳松松

鋼板樁圍堰水下施工風(fēng)險較大，為確保鋼板樁圍堰施工的安全性，文章以龍門大橋東引橋84#承臺鋼板樁圍堰施工為工程背景，結(jié)合規(guī)范初步確定鋼板樁圍堰幾何尺寸、入巖深度、封底混凝土厚度等參數(shù)，并采用平面有限元法對鋼板樁圍堰施工過程中結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力、最大變形進行計算分析。計算結(jié)果說明，圍堰結(jié)構(gòu)強度、剛度均滿足要求，可依照設(shè)計安全施工。

龍門大橋;鋼板樁;設(shè)計;平面有限元法

U445.55+6A240833

0引言

鋼板樁圍堰具有結(jié)構(gòu)簡單、施工便捷、防水效果好、經(jīng)濟性好等諸多優(yōu)點，自1957年首次應(yīng)用在跨海跨江大橋工程以來，在工程中應(yīng)用的越來越廣泛[1]。然而，隨著鋼板樁圍堰應(yīng)用環(huán)境越來越繁雜、施工規(guī)模越來越大以及計算理論的相對滯后，鋼板樁圍堰施工仍面臨著較大的施工風(fēng)險。

現(xiàn)有的鋼板樁圍堰計算方法主要有空間有限元、平面有限元和等值梁法[2]?？臻g有限元法根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和材料參數(shù)進行結(jié)構(gòu)整體建模，分析不同荷載工況下結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力等狀況，該方法具有較好的計算精度，然而計算過程繁雜、耗時久。等值梁法以極限平衡法為理論基礎(chǔ)，無法考慮鋼板樁變形的影響，也較難得出施工過程中周邊環(huán)境的影響，因此，僅用于鋼板樁圍堰內(nèi)力校核狀況[3]。平面有限元法取單根鋼板樁作為分析對象，鋼板樁采用梁單元模擬，內(nèi)支撐和封底混凝土對鋼板樁的約束采用鉸支座模擬，以此計算結(jié)構(gòu)的受力變形狀況，具有計算簡單、高效的優(yōu)點?；诖?，本文以龍門大橋84#承臺為工程背景，將鋼板樁和圍檁分開計算，先對圍檁施加單位均布荷載，確定圍檁的剛度，然后取一根鋼板樁作為研究分析對象，以梁單元建模，并根據(jù)計算得到的圍檁剛度以彈簧單元反向施加在鋼板樁上，土體對鋼板樁圍堰的約束采用“m值法〞土彈簧模擬，再根據(jù)實際施工過程中的工況施加相應(yīng)荷載，以此開展結(jié)構(gòu)的計算分析，最終再根據(jù)鋼板樁與圍檁的連接處彈簧荷載反向施加在圍檁上的狀況計算分析圍檁的安全性。

1工程概況

龍門大橋工程路線起點位于欽州市龍門港鎮(zhèn)西村淡水龍水庫附近，接濱海馬路龍門大

橋西引道工程，跨越茅尾海，終點接益民街與揚帆大道交匯處，是國道G228丹東至東興廣西濱海馬路建設(shè)的操縱性工程。

工程由東西岸引橋、主橋和揚帆立交組成，主橋為雙塔單跨懸索橋，主纜布置為251m+1098m+251m。引橋承臺尺寸包括8.2m×8.2m×3.5m和8.2m×8.2m×3.0m兩種類型，東引橋84#承臺尺寸為8.2m×8.2m×3.5m。

根據(jù)地質(zhì)勘察報告并結(jié)合現(xiàn)場樁基鉆孔取樣的數(shù)據(jù)，東引橋84#墩承臺地質(zhì)狀況如表1所示。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1總體尺寸設(shè)計

根據(jù)《鋼圍堰工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GBT51295-2022）第4.2.5條規(guī)定：“鋼圍堰頂部設(shè)計高程比設(shè)計最高水位應(yīng)高出0.5～1.0m，海疆施工的圍堰頂部高程尚應(yīng)計入相應(yīng)等級波浪重現(xiàn)期最大波浪高度一半的影響。〞這里取鋼板樁圍堰頂面標(biāo)高4.98m。

龍門大橋東引橋84#承臺尺寸為8.2m×8.2m×8m，根據(jù)《鋼圍堰工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GBT51295-2022）第4.7中第7.9條規(guī)定“鋼板樁圍堰內(nèi)壁宜比基礎(chǔ)承臺寬1.0～1.5m〞，結(jié)合實際施工狀況以及拉森鋼板樁型號模數(shù)要求，對于8.2m×8.2m承臺，其圍堰采用11.22m×11.218m尺寸。

2.2荷載取值

根據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（JGJ5120-2022）第3.4條的計算方法進行計算，采用水土分算方法。朗肯主動土壓力公式為：

Pa=Kaγh-2cKa（1）

Pak=（σak-μa）Ka，i-2ciKa，i+μa（2）

2.3鋼板長度的確定

根據(jù)龍門大橋跨海水域水位狀況，龍門大橋歷史最高水位為+3.98m，浪高為0.5m，從經(jīng)濟、安全的角度考慮，選擇樁頂標(biāo)高比最高水位高0.5～1m，所以取鋼板樁頂標(biāo)高為+4.98m。結(jié)合以往工程經(jīng)驗，鋼板樁長度取12m。內(nèi)圍檁設(shè)置兩層，分別布置于+3.48m和-1.7m標(biāo)高位置，當(dāng)開挖至承臺底時，鋼板樁內(nèi)外側(cè)荷載分布如圖1所示。

根據(jù)《鋼圍堰工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GBT51295-2022）第4.5.7條“對單撐（單錨）圍堰，尚不宜小于圍堰深度的30%;對多撐（多錨）圍堰，尚不宜小于圍堰深度的20%〞以及第4.5.3條第3點“支撐式或錨拉式鋼板（管）樁、鋼套箱結(jié)構(gòu)局部抗傾覆應(yīng)以最下道支撐（或錨拉點）為轉(zhuǎn)動軸依照下式進行驗算〞，對鋼板樁圍堰進行設(shè)計，防止“踢腳〞現(xiàn)象。

EpapE′aaa+F′wlawl+∑F′idaid≥K（3）

式中：K——抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)，一、二、三級安全等級圍堰分布取1.35、1.3和1.25;

E′a——圍堰最下道支點以下的主動土壓力合力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）;

Ep——被動土壓力合力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）;

F′wl——圍堰最下道支點以下的靜水壓力合力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）;

∑F′id——圍堰最下道支點以下的動水壓力等可變荷載合力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）;

ap、aa——圍堰外側(cè)主動土壓力、內(nèi)側(cè)被動土壓力合力作用點至支點的距離（m）。

經(jīng)過式（3）局部抗傾覆計算說明，計算結(jié)果為7.55大于規(guī)范限值[K]=1.35，故結(jié)構(gòu)安全。

2.4封底混凝土厚度

根據(jù)《鋼圍堰工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GBT51295-2022）第4.6.1條計算公式，封底混凝土厚度計算如下：

Kf=Gc+F1+F2Fw+Puc（4）

Fw=γw·hw·An（5）

Gc=γc·Vc（6）

F1=min（Gz，τ1S1）（7）

F2=min（τ2S2，Gg+τ3S3）（8）

式中：Kf——抗浮安全系數(shù)，宜取為1.15;

Fw——水的浮力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）;

Puc——波峰時的波浪浮托力（kN）;

γw——海水的容重;

hw——圍堰內(nèi)外水頭差;

An——扣除鋼護筒面積后基底凈面積;

Gc——封底混凝土自重;

Gz——所有樁基鋼護筒及樁基自重（kN）;

Gg——所有樁基鋼護筒及樁基自重（kN）;

Vc——基底凈體積，應(yīng)扣除鋼護筒部分（m3）;

τ1、τ2、τ3——樁基鋼護筒與封底混凝土的粘結(jié)力、鋼圍堰與封底混凝土的粘結(jié)力、鋼板樁及鋼管樁與入土深度范圍內(nèi)土層的摩阻力（kPa），應(yīng)分別按表下表取值，鋼套箱圍堰不計側(cè)摩阻力;

S1、S2、S3——所有樁基鋼護筒與封底混凝土接觸面積、鋼圍堰與封底混凝土接觸面積、鋼板樁及鋼管樁圍堰入土深度范圍外側(cè)接觸面積之和（m2）;

F1——取G樁基鋼護筒與封底混凝土粘結(jié)力最小值（kN）;

F2——取Gg+τ3S3、鋼圍堰與封底混凝土粘結(jié)力τ2S2的最小值（kN）。

經(jīng)過式（4）～（8）計算封底混凝土厚度應(yīng)≥0.78m，這里出于安全考慮，封底混凝土厚度取1.0m。

進一步對結(jié)構(gòu)的抗浮進行計算，根據(jù)《鋼圍堰工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GBT51295-2022）第4.6.2條計算公式，計算封底混凝土厚度：

Fw+F1+F2Gc+Puc+Fs≥Kc（9）

式中：Kc——抗浮安全系數(shù)，宜取1.10;

Fs——施工期作用在封底混凝土上的承臺自重及施工期最大活荷載（kN）;

Put——波谷時方向向下的波浪力（kN）。

在不考慮波浪力作用下，F(xiàn)s取承臺自重，計算得到抗浮安全系數(shù)為4.14，大于限值1.1，且有較大安全富裕，能確保施工過程中結(jié)構(gòu)的安全性。

采用分層設(shè)計圍檁，第一層圍檁采用雙拼HN500×200×10/16，其余圍檁采用三拼HN500×200×10/16。圍堰四個角均與對應(yīng)的圍檁型號一致，牛腿采用Ⅰ32b。

3鋼圍堰結(jié)構(gòu)計算分析

采用MidasCivil建立鋼板樁圍堰有限元計算模型，選取單根鋼板樁作為分析對象，鋼板樁采用梁單元模擬，內(nèi)支撐采用結(jié)點彈性連接，剛度通過在內(nèi)圍檁施加1kN/m均布荷載單位荷載，計算結(jié)果為：在1kN/m均布荷載作用下，最大變形為0.06mm，外圍檁與鋼板樁連接點結(jié)點剛度為（1kN/m×0.6m）/0.06mm=1.0×104kN/m。

同理，對雙拼HN500和三拼HN500內(nèi)圍檁剛度開展結(jié)構(gòu)計算與分析。結(jié)果為：在1kN/m均布荷載作用下，最大變形為0.0068mm，因此，第一層內(nèi)圍檁（頂上一層內(nèi)圍檁，雙拼HN500）與鋼板樁連接點結(jié)點剛度為8.8kN/0.0068mm=1.294×106kN/m。

在1kN/m均布荷載作用下，最大變形為0.0048mm，因此，外圍檁與鋼板樁連接點結(jié)點剛度為8.8kN/0.0048mm=1.833×106kN/m。

由于各層圍檁與鋼板樁之間連接剛度很大，可近似鉸接模擬。封底混凝土對板樁的約束作用均采用活動鉸支座模擬，鋼板樁底部約束豎向位移，河床面至封底混凝土間的周邊土對板樁的約束作用以及封底混凝土至樁底間周邊土對板樁的約束作用采用土彈簧模擬?；诖耍瑢Π惭b其次道內(nèi)圍檁前的結(jié)構(gòu)進行安全性分析。

3.1最高水位施工

由表2計算結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)變形較大，且超出1/400=15000/400=37.5mm，施工風(fēng)險較大，故向下開挖土體不應(yīng)在高水位時進行施工。

3.2落潮時施工

進一步對落潮期進行施工計算，經(jīng)過現(xiàn)場數(shù)據(jù)總結(jié)，在落潮狀況下，最高水位是低于標(biāo)高+1m，基于此，為安全考慮，取水位為標(biāo)高+1m時，開展結(jié)構(gòu)計算分析。

由表3可知，計算結(jié)果滿足規(guī)范要求，且具有較大的安全富裕。

計算的反力為9.3kN，由于拉森鋼板樁板寬0.6m，所以反作用于內(nèi)圍檁上均布荷載為9.3kN/0.6m=15.5kN/m，計算結(jié)果如表4所示。

由表4可知，計算結(jié)果滿足規(guī)范要求，且具有較大的安全富裕。同理，對鋼板樁在施工封底混凝土前等施工階段的安全性進行分析，計算結(jié)果說明結(jié)構(gòu)均

為安全，且具有較大安全富裕。

4結(jié)語

本文首先結(jié)合規(guī)范初步設(shè)計結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，然后采用平面有限元法的基本理論，并結(jié)合MidasCivil建立有限元模型，同時將鋼板樁承受的最大荷載反作用于內(nèi)圍檁上，計算結(jié)構(gòu)的安全性。計算結(jié)果說明，該鋼板樁圍堰設(shè)計選用的鋼板