钢板桩围堰应用与受力分析

张 凯

(西安沣东市政工程建设有限公司，陕西 西安 710000)

钢板桩围堰应用与受力分析

张 凯

(西安沣东市政工程建设有限公司，陕西 西安 710000)

结合某工程实例，从钢板桩围堰的整体强度及稳定性出发，应用有限元程序MIDAS Civil2010对此工程中钢板桩围堰最不利状况进行了结构分析，并对其强度以及稳定性进行了检算，通过检算结果证明了钢板桩围堰强度和稳定性均满足相应要求，说明了钢板桩围堰在该工程应用中的可行性。

钢板桩围堰，结构计算，强度，稳定性

0 引言

钢板桩围堰适用于深水或深基坑、水流速度较大的粘质土、砂类土、碎石土等坚硬的河床，是水下承台、水下墩(台)身施工时最常见的防水围堰形式，主要由钢板桩和封底混凝土共同形成，既能够作为封底混凝土的模板，也能和封底混凝土共同起到防水作用。钢板桩围堰以其良好的强度性、防漏水性、紧密性以及相对施工的简便性、快速性、材料本身的易回收性等特点被广泛应用。本文针对某实际工程，从组成钢板桩围堰各构件的强度和整体稳定性出发，利用大型计算程序对其进行空间建模计算，检算钢板桩围堰在不利情况下的强度以及稳定性。

1 工程概况

2 钢板桩围堰受力分析

2.1 参数取值

钢板桩围堰各构件相关计算参数取值，内围囹：截面面积A=86.07 cm2，重量M=73.808 kg/m，惯性矩I=21 714 cm4，截面抵抗矩W=1 085.7 cm3；SP-Ⅳ钢板桩：截面面积A=96.9 cm2，重量M=76.1 kg/m，惯性矩I=38 600 cm4，截面抵抗矩W=2 270 cm3；φ529钢管(δ=8 mm)：截面面积A=130.88 cm2，重量M=102 kg/m，惯性矩I=37 424.843 cm4。

2.2 采用的计算工况

根据钢板桩围堰所在土层特点，在进行受力分析时对钢板桩围堰的各组成构件强度及其整体稳定性进行检算。考虑钢板桩施工中对土层产生的扰动，故将其所在土体容重均按浮容重考虑。由于该钢板桩围堰采用“先支撑后挖泥，分层支撑分层挖泥”的原则进行施工，分析表明围堰内抽干水状态为最不利工况，因此按以下两种工况进行检算。

工况一：按挖深至79.6 m，河床覆盖层，钢板桩计算长度为10 m，此时钢板桩围堰外侧承受主要荷载为：静水压力。

工况二：按挖深至78.733 m，河床岩面，钢板桩计算长度为10.87 m，此时钢板桩围堰外侧承受主要荷载为：静水压力，静止土压力。

检算时主要考虑以下荷载：

静水压力p=γh，钢板桩围堰四周均施加静水压力。

静止土压力：p0=k0γz，其中,k0为静止土压力系数，对粘土k0取0.55。

2.3 钢板桩围堰检算

对钢板桩围堰采用MIDAS Civil2010软件建立空间有限元计算模型，钢板桩采用板单元模拟，内支撑、围囹均采用梁单元模拟，钢板桩围堰下插于河床面并且有封底混凝土，因此将钢板桩底部采用固定约束的边界条件。钢板桩围堰的MIDAS空间有限元检算模型如图2所示。

2.3.1 围囹和内撑的检算

由空间模型计算得到在工况一和工况二下围囹和内撑的受力状况，具体如表1所示。

表1 围囹和内撑所受最大应力和轴力

由建模所得计算结果可知在工况一和工况二下，围囹受到最大应力值分别为54.8 MPa和34.1 MPa，均发生在最下层围囹与内撑相交处，小于其构件容许应力140 MPa，围囹应力满足要求。

内撑所用钢管截面面积A=13 088 mm2，惯性半径i=184 mm，λ=12 913/184=70,φ=0.751。

内撑考虑稳定自身所能承受最大轴力：N=φ×A×[f]=0.751×13 088×140=1 376 kN。

由建模所得计算结果可知在工况一和工况二下，内撑受到最大应力值分别为98.7 MPa和74.5 MPa，小于构件容许应力140 MPa，内撑应力满足要求；内撑受到最大轴力值分别为1 078.8 kN和903.9 kN，均位于最下层斜撑，小于构件容许轴力1 376 kN，内撑稳定性满足要求。

2.3.2 钢板桩检算

由模型分析计算得到在工况一和工况二下，钢板桩围堰每延米的绕水平轴的最大弯矩分别为248.2 kN·m/m和275.8 kN·m/m(如图3，图4所示)。取一片钢板桩进行验算，钢板桩的宽度为0.4 m，钢板桩边缘断面的模量为：W=814.8 cm3，计算得到钢板桩外缘应力为：

工况一时，钢板桩应力最大值发生在顺桥向南侧河床覆盖层钢板桩的相交处，钢板桩容许应力为140 MPa，其应力满足要求。

工况二时，钢板桩应力最大值发生在顺桥向南侧底部混凝土支护与钢板桩的相交处，钢板桩容许应力为140 MPa，其应力满足要求。

2.3.3 整体稳定性检算

钢板桩围堰的整体稳定性可以通过模型分析计算中的屈曲模态数据得到，在工况一和工况二下钢板桩围堰整体屈曲模态如图5和图6所示。

工况一时，钢板桩围堰的屈曲模态最小特征值即临界荷载为97.8>1，结构整体稳定性能满足要求。

工况二时，钢板桩围堰的屈曲模态最小特征值即临界荷载为109>1，结构整体稳定性能满足要求。

2.3.4 检算结论

由模型计算得到的结果分析得出：

1)在工况一和工况二下，钢板桩围堰的围囹、内撑和钢板桩强度及内力均满足要求。

2)在工况一和工况二下，钢板桩围堰结构整体稳定性能均满足要求。

3)最下层围囹与内撑是受力薄弱处，河床覆盖层和岩床层与钢板桩交界处是钢板桩受力薄弱处，施工中应注意薄弱位置的变形和受力变化。

3 结语

通过对钢板桩围堰最不利受力状况进行结构分析，对其强度以及稳定性进行详细检算，检算结果证明钢板桩围堰强度和稳定性均满足相应要求，说明钢板桩围堰在本工程应用中的可行性；检算结果同时给出最大受力处，在进行钢板桩围堰施工时应留意相应部位的变形及受力变化，为保障工程开挖安全顺利进行提供了可参考依据。

[1] 陈长明.强涌潮地区拉森Ⅵ型钢板桩围堰施工计算[J].桥梁建设，2009，19(5)：49-52.

[2] 张 骏.桥梁深水基础钢板桩围堰受力分析与应用[J].桥梁建设，2012，42(5)：74-81.

Application and stress analysis of steel sheet pile cofferdam

Zhang Kai

(Xi’anFengdongMunicipalEngineeringConstructionCo.,Ltd,Xi’an710000，China)

Combined with an engineering example, starting from the integral strength and stability of steel sheet pile cofferdam, application of the finite element program MIDAS Civil2010 of this project in the most unfavorable situation of steel sheet pile cofferdam structure analysis, on the strength and stability calculation, through the inspection results prove the steel sheet pile cofferdam strength and stability all meet the corresponding requirements, indicate the feasibility of steel sheet pile cofferdam in the engineering application.

steel sheet pile cofferdam, structure calculation, strength, stability

2014-11-29

张 凯(1984- )，男，工程师

1009-6825(2015)04-0180-02

U445.4

A