深水基础双壁钢套箱围揠结构力学性能分析

研究I R esearch and D esign
与设计
深水基础双壁钢套箱围揠结构力学性能分析
苗涛
(中铁十一局集团第四工程有限公司，湖北武汉430000)
摘要：双壁钢套箱围堰因其刚度大、整体稳定性能强以及适应深水环境等优点被广泛应用于大型桥梁深水基础施工，但是由于双壁钢套箱围堰自身结构的复杂性以及所处位置具有水位深、地质不良等特点致使其受力情况更加复杂，因此，为了确保结构的设计合理并考虑施工的不安全因素，有必要对双壁钢套箱围堰进行整 体结构受力分析。

以一座双塔双索面五跨钢桁梁斜拉桥P7墩深水基础双壁钢套箱围堰为研究对象，运用 MIDAS软件对其结构的力学性能进行有限元分析，根据双壁钢套箱围堰在不同工况下结构应力、变形以及稳 定性的分析结果提出合理的施工要求及建议，进而保证施工安全顺利进行。

关键词：双壁钢套箱围堰r深水基础；斜拉桥;有限元分析
DOI：10. 13219/j. gjgyat. 2018. 01. 006
中图分类号：U443. 162 文献标识码：B文章编号=1672-3953(2018)01-0023-05
目前，大跨度桥梁深水基础施工技术不断成熟，其基础多处于水深、急流、土质不良等环境，多采用 水中钢围堰进行施工，其中双壁钢套箱围堰因其刚 度大、结构稳定、能承受更大的荷载等优点被广泛应 用于桥梁深水基础施工中[1]。

然而深水基础双壁钢 套箱围堰自身结构及施工环境的复杂性导致其结构 受力相当复杂，给施工的安全带来很大挑战，因此，判断双壁钢围堰结构设计合理性以及在施工中的受 力情况，需结合实际地质、水文条件并综合考虑各种 荷载工况对钢围堰进行结构受力分析[2]。

本文以一 座双塔双索面五跨钢桁梁斜拉桥P7墩双壁钢套箱 围堰为例，利用M IDAS有限元软件对钢围堰结构 在不同工况下进行受力性能分析，据此提出合理的 施工建议，确保施工安全顺利进行。

1 工程概况
某大桥为公铁两用大桥，主桥结构形式为（107十255 +660 +255 +107)m双塔双索面五跨钢桁梁斜拉 桥，主梁采用板一桁结合钢桁梁，正交异性钢板被用 作上、下桥面板，主桁采用间距18 m的三角桁架，共 计两片。

P7、P8为主塔，结构形式及材料相同，分别 由上下塔柱构成，在塔柱上中下分别布置一道横梁，形 成水滴形结构，上下塔柱及上中横梁材料采用C55混 凝土，其中上塔柱包括有索区和无索区，下横梁材料采
收稿日期：2017-10-30
作者简介：苗涛（1984—），男，工程师，主要从事土木工程结构 施工技术研究和结构力学行为分析工作。

用C40混凝土，主塔高度为236 m(下塔柱高度为54.5 m，上塔柱高度为181. 5 m)，主桥立面如图1所示。

图1主桥立面图（单位：cm)
P7、P8主墩均位于深水中，根据收集的水文资料 知，平均水位标高在十175 m左右，其水位随季节波 动。

主墩承台采用C35混凝土，总长73. 8 m，高6.0 m，采用直径25. 4 m的圆形截面与17.0 m宽系梁相 接。

承台下基础采用34根03. 0 m钻孔灌注粧，材料 为C30混凝土。

P7索塔基础粧顶标高为165. 248 m，桩底标高为123. 248 m，桩长42 m;P8索塔基础桩顶标 高为165. 248 m，粧底标高为130. 248 m，粧长35 m。

其 中P7墩承台及基础结构平面图、承台及粧基础结构立 面图、承台及粧基础结构侧面图分别见图2所示。

2 双壁钢围堰设计
2.1 钢围堰结构形式及尺寸
以P7墩为例，该大桥基础工程钢围堰设计为 与承台形状相同的哑铃型双壁钢围堰，围堰底标高 为十162. 748 m，顶标高为十188. 400 m，钢围堰总 高25. 652 m，均为钢结构。

钢围堰沿高度分为4个 节段，首节段高9.〇〇〇m，第2节段高6.000 m，第3节段高6.000 m，第4节段高4. 652 m，每节围堰在 平面上分为24块，分30个隔舱。

本文只给出首节
表1
材料设计参数
规格
截面积
A/
cm2质量
/ (kg/m)重心距
W cm 惯性矩
L / cm4z^8〇X80X8 mm 角钢
12.3039. 658 2. 2773.49Z100X63X8 mn.i 角钢12.5849. 878 3. 32127. 37Z100X100X8 mm 角钢15.63812.276 2. 76148.24Z100X100X12 mr n 角钢22. 817.898 2. 91208. 901 200 mmXlO mr n 钢管
373.8
293.472
0661 807.112
3
结构受力性能分析
3.1 整体模型
根据钢围堰设计建立双壁钢套箱围堰首节段及
第2节段有限元计算模型，围堰底部施加固定约束， 内、外壁板以及隔舱板采用板单元，竖向加劲肋、水平 环板、内支撑等构件采用梁单元，水平桁架及侧向衍 架采用桁架单元，隔舱混凝土采用实体单元。

模型节 点总计23 741个，单元总计76 758个，钢材采用 Q 235,其容许应力为170 MPa ;混凝土采用C 30,其容许 压应力为8.0 MPa 。

钢套箱围堰计算模型如图4所示。

3.2 计算工况及荷载
3.2.1 计算工况
为满足墩身承台施工需求，围堰内需进行抽水
图2 承台及粧基础结构（单位：cm )
段和第2节段钢围堰设计图，设计图如图3所示。

2.2 材料设计参数
钢围堰主要由内外壁板、水平及竖向桁架、内支 撑组成，内外壁板间设置水平环板及隔舱板，壁板内 侧有竖向加劲肋环绕。

内外壁板采用厚度6 mm 的 钢板焊接而成；围堰第4节水平桁架采用Z 80 X 80 X 8 mm 角钢，其余节段均采用Z l 〇〇 X 100 X 12 mm 角钢；首节段侧向桁架采用Z 100X 100X 12 mm 角 钢，其余节段均采用Z 80X 80X 8 mm ;角钢第4节 段水平环板采用厚度10 mm 、宽度150 mm 钢板，其 余节段采用厚度10 mm 、宽度250 mm 钢板；隔舱板 均采用厚度10 m m 的钢板，舱内烧筑7 m 高度的 C 30隔舱混凝土；竖向加劲肋均采用Z 100 X 63 X 8 mm 的角钢；围堰设置两道内支撑，间距5 m ，内支 撑采用01 200 mmX 10 mm 钢管。

具体材料设计 参数如表1所示。

道路中心线
f5(?
.\60(\ ,^B 00^00,t 800^800,^ ^
550
6'280■ 550."2 213.6 u
2 952.822 13.6 '
(a )平面图
o l o s t o s t b S J i e
图4 有限元计算模型
并安装内支撑。

为确保钢围堰在施工中结构的强 度、刚度及整体稳定性均满足设计规范要求，根据围
堰结构施工方案，综合考虑静水压力、土压力等荷 载，选取以下三种不利工况进行结构受力分析：工况一，围堰内抽水至第1道内支撑标高以下 0.5 m处，准备第1道内支撑的安装。

工况二，待第1道内支撑安装完成，继续抽水至第 2道内支撑以下〇.5 m处，准备安装第2道内支撑。

工况三，待第2道内支撑安装完成，抽水至封底 混凝土底标高处，准备承台施工。

3.2.2 计算荷载
本文采用容许应力法进行计算，采用荷载标准值 组合，即荷载分项系数和组合系数都取1.〇,其中计算 荷载考虑包括静水压力、流水压力、土压力、结构的自 重等。

标高168〜171m为泥质砂岩，土体参数为:重度 y= 24 kN/m3，内摩擦角 p=29°，粘聚力 c = 80 kPa;标高171 m以下为砂卵石，土体参数为:重度y= 20 kN/m3，内摩擦角p=30°，粘聚力c=30 kPa。

计算水 位标高按177. 0 m控制，河床标高为171. 0 m。

静水压力A=冰。

式中：y为水的重度，取10 kN/m3。

土压力采用朗肯土压力理论计算，主动土压 力 g2 =yKa—2cfC/2,其中 =1^(45° —93/2);被动土压力 ％ =yKa+2c K f，其中 =tg2(45。

+p/2)。

3.3 结果分析
3.3.1 应力及变形分析
以工况二为例，双壁钢套箱围堰在工况二荷载 组合下的整体结构应力最大值为168. 7 MPa，其中，内外壁板、水平环板、侧向桁架及隔舱板的应力云图 如图5所示。

由应力云图可知，钢围堰内外壁板最大应力为 101. 4 MPa，水平环板最大应力为168. 7 MPa，侧向桁 架应力为168. 7 MPa，隔舱板应力最大值为101. 4 MPa，其应力最大值出现在壁板、环板等构件与钢管 内支撑连接处。

双壁钢套箱围堰结构在工况二荷载组合下的变
(c)侧向析架（d)隔舱板
图5 应力云图（单位：MPa)
形最大值为5.83 mm，其中内外壁板、水平环板、侧 向桁架及隔舱板的变形图如图6所示，其计算结果 见表2。

(c)侧向桁架（d)隔舱板
图6 变形图（单位：mm)
表2 钢围堰构件应力及变形值
最大应力/MPa 最大变形/mm
工况一工况二工况三工况一工况二工况三内外壁板65. 6101. 492. 5 2.85 5.83 3. 51
水平环板105. 3168. 7153. 2 2.85 5.83 4. 32水平及侧向桁架101. 7168. 7148. 9 1.84 4.27 3. 98竖向加劲肋
94. 5150. 9137. 1 2.85 5.83 4. 32
隔舱板60. 6101.489.70.67 1.88 1.03
内支撑10.521. 216.30.220.620. 39
侧向桁架最大变形为4. 29 m m，隔舱板最大变 形为 1.88 m m。

其余构件的应力云图及变形图本文未给出，钢 围堰结构构件在不同工况下的应力和变形情况详见 表2所示。

根据不同工况下计算的钢围堰结构应力和变形 值可知，最大应力出现在壁板、环板等构件与内支撑 连接处，最大应力为168. 7 许应力[tr]=
170 MPa ,隔舱混凝土最大压应力为2. 4 MPa <容 许压应力[d = 8. 0 MPa ;竖向加劲肋及水平桁架 变形较大，其中桁架最大变形值为4. 29 mm <3 000 mm /400 = 7. 5 mm ，钢围堰结构整体强度、刚度均满 足设计要求。

3.3.2内支撑及桁架稳定性分析
由表2中数据可知，工况二为最不利工况，图7 为工况二荷载组合下内支撑、侧向桁架最大轴力图。

由图7(a )可知，钢管内支撑最大轴力为642. 16 kN ，0 1 200X 10 mm 钢管截面参数为:截面面积A = 37 385 m m 2，回转半径^ = 420. 7 mm ，长细比A = 40. 4,查表得况下的抗浮稳定性均满足要求，此处不再详细说明。

3.3.4 施工建议
通过对钢围堰在不同工况下强度、刚度和稳定 性进行分析，其应力、变形及稳定性均满足设计规范 要求，但是结构存在局部应力集中现象，主要出现在 壁板、环板等构件与内支撑连接处;另外竖向加劲肋 及水平桁架变形较大。

虽然其受力和变形均满足要 求，但考虑施工的安全性，建议现场施工时对其应力 集中及变形较大部位进行局部加强处理[4]。

此外， 钢围堰所用构件型号、尺寸、材料及力学性能指标必 须满足国家现行规范和标准要求[5]，并严格按照施
稳定系数p = 〇. 940,
JV
cp A .
642 160 N
0. 940X 37 385 m m 2
18.27 MPa <[〇] = 170 MPa ，稳定性满足要求；由图 7(b )可知，桁架最大轴力为76. 7 kN ，Z 80X 80X 8 mm 角钢截面参数为：截面面积A = 1 230 mm 2，回 转半径/ =24.4 mm ，长细比^ =90. 89,查表得稳定系数 P = 〇. 616, ff =
N_
(pA .
76 700 N
0. 616X 1 230 mm 2
101.23 MP a<[a] = 170 MPa ,稳定性满足要求。

图7 轴力图（单位：kN )
3.3.3 围堰下沉抗浮稳定性检算
钢围堰下沉时在水中受较大浮力作用，有必要 对其下沉时抗浮稳定性进行检算[3]，本文未考虑混 凝土与桩基钢护筒壁间的摩阻力作用，仅在围堰自 重作用下分析其抗浮稳定性。

Midas Civil 有限元软件程序计算得首节钢围 堰自重为G = 40 543 kN ,水浮力大小为f = y …, (1 823. 93 —1 439. 27)m 2 X 6 m =23 079. 6 kN ，钢 围堰抗浮安全系数为K = G /_F = 1. 76,故钢围堰下 沉时抗浮稳定性满足要求。

经检算钢围堰在不同工
4
结束语
本文通过运用M IDAS 有限元软件对双壁钢套
箱围堰的三种不同工况进行结构受力分析，钢围堰 结构在施工过程中的强度、刚度和稳定性均满足设 计规范要求，结构设计及施工方案合理。

钢围堰结构壁板等构件与内支撑连接处存在应 力集中现象，竖向加劲肋及水平桁架变形值较大，虽 然其应力和变形值满足设计要求，但为了确保施工 安全，仍需米取相应加强措施。

运用有限元软件对双壁钢套箱围堰进行结构受 力分析，根据分析结果对构件应力及变形较大部位 进行加强处理，可以有效避免施工中结构的破坏，对
结构设计和施工安全具有重要指导意义。

参考文献
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发展趋势[J ].四川建材，2011(01) :144-U6
[2] 周小亮.深水承台双壁钢套箱围堰结构的力学特性数值
分析[D ].武汉：湖北工业大学，2012[3] 王秀丽，舒丽红.韩江特大桥双壁钢围堰结构有限元分析
[J ].铁道建筑，2011(07) :14-16[4] 杨美良，陈丹，夏桂云，等.湘江特大桥双壁钢套箱围堰
受力分析及优化处理[■!].桥梁建设，2012(04) :39-44[5] 铁道部第四勘测设计院.铁路工程设计手册：桥梁墩台
[M ].北京：中国铁道出版社，1999
An Analysis of the Mechanical Performances of the Structure of a Double-Walled Steel Cofferdam for the Deep-Water Foundation
MIAO Tao
(The 4th Engineering Co. Ltd. of the 11th Bureau Group of China Railway,Wuhan 430000,China)
Abstract ：
Having the advantages of being great in rigidity, powerful in overall stability, and suitable for deep-water environ-
•研究与设计•____________深水基础双壁钢套箱围堰结构力学性能分析苗涛_____________________ merit?the double-walled steel cofferdam is widely applied to the construction of deep-water foundation of large-type bridges. However, owing to the complexity of the structure of the double-walled steel cofferdam and its characteristics of being located in deep water and unfavorable geological strata，the load-bearing circumstances of the double-walled steel cofferdam are even more complex. Therefore»in order to ensure the rationality of the design of the structure and the security of construction, a stress analysis has to be made of the whole structure of the double-walled steel cofferdam. With the double-walled steel coffer­dam for the deep-water foundation of the P7 Pier of a double-tower, twin-cable-face»five-span-steel-truss girder cable-stayed bridge as the object of our studies，a finite element analysis is made of the mechanical behavior of the structure with the MIDAS software in the paper? upon the basis of which the reasonable construction requirements and suggestions are put forward in the light of the analysis results of the structural stress»deformation and stability of the double-walled steel cofferdam under differ­ent working conditions. As a result?the safety of the construction is thus ensured.
Key words：double-walled steel cofferdam；deep-water foundation；cable-stayed bridge；finite element analysis
(下接第38页）
On the Design Characteristics and the Engineering Test
of the TBM for Subway Line 2 in Qingdao
HU Weixing
(The Tunnel Engineering Co. Ltd. of the 18th Bureau Group of China Railway, Qingdao 266033 ,China)
Abstract ：For the sake of meeting the various requirements of Subway Line 2 in Qingdao in geological conditions»the routes the buried depth，the originating point，passing-by，lifting out，turning about，the construction site，economic consideration and the like, the DSUC-type double-protective-shield TBM is chosen for the construction of Subway Line 2 in Qngdao. The TBM has a cutterhead in the front which is shaped with whole 300 mm-deep forged and stamped steel plate. Both the cutterhead and the shield body are step-reduced,and designed block by block. The hind matching device of the shield is a portal framed structure»made up of integral modules. Through our exploration and study,the instability of the orienting system?the irrational arrange­ment of the auxiliary cylinders»the difficulty in consolidating the internal surrounding rock of the tunnel and many other prob­lems existing in the course of construction are solved. Construction practice shows that the application of the DSUC-type double- protective-shield TBM to the subway in Qingdao is successful.
Key words：double-protective-shield TBM；subways in Qingdao;ground slip-casting；auxiliary cylinder；orienting system
(下接第41页）
On the Design of the Temporary Consolidation Combination
of a Large-Span Continuous Girder Bridge
CHEN Qian
(The 7th Co. Ltd. of the 12th Bureau Group of China Railway,Changsha 410004,China)
Abstract：With the 100m+200m+100m continuous pre-stressed reinforced concrete girder bridge of the newly-built Xuzhou-Shuqian- Huaian-Yancheng Railway as a practical example^ introduced in the paper is the design method for the temporary consolidation of the large-span continuous girder bridge. Owing to the fact that the bridge has the characteristics of being large in spanning distance and great in deck width, the temporary consolidation of the box girder is both the important point and difficult point of the cantilever symmetrical construction of this type of bridges. The temporary consolidation system of the bridge consists of two parts ：the pier top consolidation composed of temporary support and the pier^side consolidation consisting of No. 0 block and concrete-filled steel tube supporting sys­tem. Through the calculations and analyses»it is found that the proposed scheme meets the requirements in anti-overturning for long- span continuous pre-stressed concrete girder bridges?and as the temporary consolidation system makes full use of the cast-in-place sup- port of No. 0 block as the concrete-filled steel tube support system,it is of comparatively great economic value. The paper may serve as a useful reference for working out schemes of the temporary consolidation for other bridges of the same type.
Key words：large span；continuous girder bridge；cantilever construction；temporary consolidation；temporary pier；anti-overtuming。