岷江大桥双壁钢围堰施工过程数值分析及优化

王兴波

中铁昆明投资公司重庆地铁建设指挥部

摘要：四川省宜宾市屏山县岷江大桥主桥为T型刚构连续梁，其4、5号桥墩基础均采用双壁钢围堰施工，为保证围堰的结构设计经济合理，故对该桥4号、5号主墩承台围堰通过MIDAS程序进行三维空间建模，并对各种杆件赋予各自材料特性，结合具体施工流程.通过分析套箱和内支撑的不同施工阶段的最不利工况，找出施工工程中的主要控制工况，根据计算结果对围堰结构进行优化处理。结果表明：在工况3，即围堰封底混凝土浇筑完毕并达到设计强度后，对套箱内进行抽水时，围堰的受力与变形明显增大，可通过增大环板厚度等手段可显著减小围堰受力；此外，不同工况下围堰的应力集中部位比较明显，可以加强该部分构造；封底混凝土的厚度也可以通过MATLAB求得同时满足强度和稳定性的最优解。

关键词：承台；双壁钢围堰；受力分析；设计计算；有限元法

Abstract：The main part of the Minjiang Bridge that locates in Pingshan County Yibin City Sichuan Province，is a continuous girder of T-Shaped steel structure. Its foundation of number 4 &5 bridge pier both adopts the double-wall steel boxed cofferdams construction methods. In order to make sure the structural design of cofferdam is economical and reasonable，the three-dimensional finite element soft-ware MIDAS was used to analyze the cofferdam structures and define various bar their material properties，combined with specific construction process，。Through the analysis of the different construction of box and inside support phase the most unfavorable conditions，we can find the main working condition of control in construction engineering and to optimize the cofferdams structure according to the calculating results. The results show that the stress and deformation of the cofferdam are increased when the base sealing concrete for the cofferdams reaches its designed strength and when water inside the cofferdams is pumped out. We can reduce the force of the cofferdams by increasing of thickness of surrounding plates. Besides，the cofferdams stress focusing parts may obvious and different under vary working conditions，which can strengthen the formation of these parts；the thickness data of the bottom sealing concrete can be also obtained by MATLAB as well as satisfying the intensity and stability of the optimal solution.

Key words：cushion cap；double-wall steel boxed cofferdam；force analysis；design calculation；finite element method

1 概述

屏山岷江大桥位于四川省宜宾市 屏山县新县城旁的岷江之上，南北方向纵跨岷江。大桥桥梁全长816.08m，桥面宽度为16.5m，主桥为T型刚构连续梁，桥跨布置为130.5m（边跨）+235m（主跨）+130.5m（边跨），梁体采用悬臂现浇，共29节段，引桥北岸为3×30m预制简支梁跨，南岸为7×30m预制简支梁跨。

4号、5号主墩基础采用φ2.8m 钻孔灌注桩群桩结构，每个墩布置8 根桩，承台采用倒角矩形形式，承台的平面尺寸为16.8m×16.8m，水中墩承台顶面设计高程为+2.0m，采用水下混凝土封底，封底厚度為250cm。水中墩均采用双壁钢围堰施工，钢围堰沿着护筒周围的导向架下放，单个墩钢围堰外壁尺寸为21m×21m，钢围堰高度分别为18m、20m。

通过对国内外[1-6]多座桥梁双壁钢围堰的设计过程的研究，本文将对对该桥4号、5号主墩承台围堰通过MIDAS程序进行三维空间建模，并对各种杆件赋予各自材料特性，结合具体施工流程，分析套箱和内支撑的不同施工阶段的最不利工况，找出施工过程中的主要控制工况，并根据计算结果对围堰进行优化处理。

2 围堰结构构成和施工工艺

2.1 围堰结构组成

水中4#、5#主墩基础均采用双壁钢围堰施工，钢围堰内壁尺寸18m*18m，壁厚1.5m，钢围堰高分别为18m、20m，总体分3节制造，刃脚部分高度为1.65m，底节标准节高度为2m，次节、顶级标准节高度为2m。

围堰主要结构由由壁体、刃脚、内撑三大部分组成。

壁体主要由面板结构、水平桁架结构、钢箱结构构成。面板结构包括面板和加劲肋，两者之间通过焊接连接。外面板采用6mm 厚钢板，内面板采用5mm 厚钢板，加劲肋采用L75×7mm 角钢，间距为35cm。水平桁架由环板、斜杆组成，底节套箱环板采用截面为15×1.2cm 的钢板带，顶节套箱环板采用截面为20×1.2cm 的钢板带，斜杆采用2L63×40×5mm 不等边角钢，环板与面板间断焊接，环板与斜杆满焊，焊缝厚度均按薄板母材厚度控制。钢箱结构作为壁板的主承力结构，由钢板焊接而成，截面尺寸为1.0m×1.0m，总高度17m，与壁板相同竖向分为两节。

为便于围堰顺利下沉，在围堰底部设置了刃脚，高度为1.5m，呈三角形布置，外面板采用6mm 厚钢板，内面板采用5mm 厚钢板，面板加劲肋采用L75×7mm 角钢，面板与加劲肋间断焊接。

本围堰共设置2 道内支撑，均采用φ630×6mm 钢管。顶层内支撑中心标高为5.2m，底层内支撑中心标高为2.7m，钢管支撑在四个钢箱上，两层内支撑之间焊接φ273×6mm 钢管立柱。各构件间均为满焊，焊缝厚度按薄板母材厚度控制。

2.2 施工工艺

双壁钢套箱围堰施工工艺为：钻孔桩施工→围堰设计与加工→围堰拼装、接高、下放→围堰清基、封底→围堰抽水后按常规方法施工承台及墩身。

由于承台埋置入河床的深度较大，套箱内外侧的压力差大，在保证套箱及各层内支撑的结构安全、稳定的基础上，选定合适的施工流程：先在拼装平台上组拼第一节钢套箱，然后浇筑3m 高的压仓混凝土，将第一节套箱下放着床，以第一節套箱为标准，在第一节套箱上拼装第二节套箱，完成所有焊接工作后浇筑剩余3m 的压仓混凝土，套箱下沉至设计标高，套箱内开挖至封底混凝土底面，水下浇筑封

3 围堰受力分析

3.1 计算模型确定

为分析围堰在施工过程中的变形与受力情况，本文通过软件MIDAS建立模型进行数值模拟分析。根据围堰不同阶段的施工与受荷特点，对围堰在各个工况下的情况作了适当的简化[7，8]。

模型中对于不同的构件采用不同的单元进行模拟：围堰的内壁板和外壁板用板壳单元模拟；钢套箱内外壁板之间的水平桁架弦板、内支撑、隔舱板用梁单元模拟；钢套箱底封底混凝土用实体单元模拟；水平桁架斜杆和横杆用桁架单元模拟。将双壁钢围堰视作理想弹性材料进行计算，得出应力分布，其中钢材采用Q235，其设计强度为215MPa，弹性模量取2.10GPa，泊松比取0.3；混凝土采用C20，弹性模量取25.5GPa，泊松比取0.17.

图1 钢套箱壁板单元模型

图2 内支撑单元模型

图3 封底混凝土模型

3.2 荷载计算

4、5号主墩承台尺寸一致，5号墩围堰较高，抽水后钢围堰承受的侧压力较大，故以受力最不利的5号墩钢围堰进行计算。

（1）钢围堰水、土侧压力计算

5号墩钢围堰总高20m，围堰顶标高为+4.0m，围堰刃脚底标高为-17.0m，封底厚度为3m，墩位河床顶标高为-7.0m，施工水位+2.638，计算水位+3.0m，计算水深10m，主动土压力计算高度为7m。

水压力：

封底混凝土以上作用在围堰侧壁上的最大侧压力：

（2）水流冲击力计算

根据《公路桥涵设计通用规范》：

矩形阻水结构物形状系数：本例取0.934

图纸提供流速为3.94m/s

钢围堰迎水面宽度：b=21m

河床以上钢围堰高度：h=4.834m

水容重：

水流速度：V=39.4m/s

重力加速度：g=10m/s2

水流冲击力：FW=1165.58KN

流水压力：

3.4 围堰受力与变形分析

（1）工况1：钢套箱拼装，施工下沉到设计标高。

图4 工况1模型剖面图

所受荷载：自重、水压力、风荷载、土压力、水流冲击力。

图5 钢套箱整体位移分布图

钢箱的最大变形值为1.42mm，位于钢箱迎水面顶部中心处附近。

图6 钢套箱外壁板应力分布图

图7 钢套箱内壁板应力分布图

外壁板最大应力值为 30.65MPa位于刃角与隔舱板相交处；内壁板最大应力值为 36.31MPa，位于围堰迎水面方向顶部中心处。

图8 水平斜杆应力分布图

图9 水平桁架应力分布图

水平斜杆所受最大应力为22.13MPa，水平横杆所受最大应力为142.54MPa，位于围堰迎水面方向刃角处；竖向斜杆所受最大应力为6.32MPa。

（2）工况2：封底混凝土浇筑施工过程。

所受荷载：自重、内壁和外壁静水压力、土压力、混凝土侧压力、水流冲击力、风荷载、施工荷载。

具体受力情况见表1。

（3）工况3：封底混凝土达到规定强度，围堰内进行抽水。

图10 工况2模型及封底混凝土侧压力示意图

图11 工况3模型剖面图

所受荷载：自重、内壁和外壁静水压力、土压力、混凝土侧压力、水流冲击力、风荷载。

具体受力情况见表1。

（4）工况4：拆除内部支撑，进行承台施工。

图12 工况4模型剖面图

所受荷载：静水压力、封底混凝土自重、混凝土侧压力、水流冲击力、风荷载、内壁和外壁静水压力。

具体受力情况见表1.

4 结论

通过对围堰在四种工况下的受力进行分析，得到围堰不同工况下整体和各构件的位移、应力，如下表所示。

表1 各工况计算结果汇总

项目 构件名称 工况1 工况2 工况3 工况4

位移（mm） 整体结构 1.42 1.42 4.85 6.52

外壁板 1.42 1.42 4.85 6.52

内壁板 1.31 1.30 4.73 6.51

应力

（MPa） 外壁板 31.97 27.97 144.59 33.86

内壁板 37.26 37.48 147.36 80.47

水平斜杆 -22.13 -23.06 -88.81 -95.63

水平横杆 -142.5 -151.6 -131.4 -131.1

竖向斜杆 -6.32 -5.45 -15.14 -18.18

竖向角钢 -12.99 14.76 29.84 10.07

封底混凝土 -- -- -4.25 0.54

通过上述计算结果，结合实际的施工过程特点，可以得出以下结论：

1. 不同的工况围堰的结构和所受的荷载有所不同，本文考虑了各种荷载的组合，得出了围堰在施工过程中所会承受的最大应力，由计算结果可知，围堰的受力和变形均是满足要求的。此外，可以看出围堰在不同工况下均只有围堰四角距围堰底部 8m～ 9m 处发生应力集中现象，故可以针对该部分进行加强。

2. 四种工况全面地分析了围堰施工过程中的不同阶段，并且均考虑了荷载组合得出不同阶段的最大应力变形情况，围堰均满足要求，并较为经济合理。

3. 可见工况3，即封底混凝土达到设计强度后，对围堰内进行抽水，此时围堰内的应力值达到最大，是施工过程中最应该注意的控制工况；可以通过增大环板厚度、增大横撑截面积等方式来减小围堰在此阶段的受力。

4. 通过工况3、4对封底混凝土的应力的计算可知，在该厚度下，封底混凝土应力值较小，还不是最经济的情况，可进行优化。

双壁钢围堰的设计施工受到水流、风速、河床条件等众多因素的影响，较为复杂。岷山大桥4号、5号主墩双壁钢围堰已顺利施工完毕，在施工期间经受了洪水期高水位水压，证明了围堰设计的合理性，本文的研究成果可为同类的围堰施工提供一定的参考意义。

参考文献（References）：

[1]王贵春，皇甫昱.桥梁深水基础双壁钢围堰施工技术分析[J].铁道建筑，2007，（8）：55—60.

[2]吴 锋，方炫强.闵浦二桥大型承台钢套箱施工过程受力分析[J].公路，2010，（5）：27—30.

[3]李陆平，尤继勤，王吉连.蔡家湾汉江特大桥深水基础钢套箱围堰施工技术[J].桥梁建设，2010，（1）：59—62.

[4]张庭华.杭州湾跨海大桥南滩涂区承台钢吊箱围堰设计与施工[J].铁道工程学报，2005，（4）：30—33.

[5]谢媛媛，张建辉.阿蓬江大桥4号墩双壁钢围堰的设计和施工[J].铁道标准设计，2003，（S1）：162—166.

[6]张胜民.基于有限元软件ANSYS7.0的结构分析[M].北京：清华大学出版社，2003.

[7]毛伟琦.钢吊箱围堰的结构设計与施工中的几种方法[J].公路交通技术，2002，19（1）：40—43.

[8]金书滨，黄生根，常仲昆.岩溶地区桩基承载性能试验研究[J].中国岩溶，2005，24（2）：147-151

作者简介：

张三（1960–），男，博士，1983年毕业于后勤工程学院建筑工程系工民建专业，现任教授，主要从事岩石力学试验研究方面的工作。E-mail：zhangmail@mail.com。

基金项目：重庆市科学基金重点资助项目（035679）；2002年高等学校博士学科点专项科研资助项目（20020183061）

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在桩周非注浆点位臵形成沿桩身的浆液壳或单独存在固化或与泥皮发生物理化学反应而固化，增加了桩侧摩阻力。

以上两点可理解为，桩侧压力注浆类似于桩直径被增大的形状复杂的“多节扩孔桩”，即在注浆点附近形成浆土结石“扩大头”，在非注浆点处的桩身表面形成浆土结石体的复合桩身。

8、结论

冲孔灌注桩基础在当今国内外土木建筑深基础工程中是主要的手段和形式。可是单一工艺的灌注桩常常存在着自身一些克服不了的问题，以泥浆护壁法冲孔灌注桩为例，因为成孔工艺的固有缺陷，桩底沉渣与桩侧泥膜的存在，明显造成桩端阻力和桩侧摩阻力降低，对持力层为土砂层、砾石层等存在着持力层被扰动、水泡松软的现象，灌注桩灌注混凝土的过程中无可避免会有时出现一下桩身加土、局部断桩、离析之类的问题导致桩承载能力不能满足设计要求，原桩报废重新冲孔灌注会严重影响工期，且很不经济。

可以考虑采用灌浆加固补使其符合设计要求。鉴于上述情况，结合本工程实际经验，可以得出一个结论。就是结合灌注桩的具体情况，采用冲孔灌注桩与成桩后桩侧压力注浆相结合的施工工艺，可以充分发挥冲孔灌注桩施工工艺的优势，通过压力灌浆弥补其缺点，显著的提高经济效益和保证施工质量。但是需要根据具体情况采用合理的施工机具、合适的施工参数控制、具体情况具体分析，达到充分发挥该工艺的理想效果。

参考文献：

[1]《建筑地基基础设计规范》（DBJ15-31-2003）。

[2]《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）。