深水基础环境下钢围堰拼装平台的稳定性分析

廖一天，陈佳文，秦乙洪，李悠然，吕林鹏

(三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002)

深水基础环境下钢围堰拼装平台的稳定性分析

廖一天，陈佳文，秦乙洪，李悠然，吕林鹏

(三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002)

作业平台作为临时支撑，安全是深水钢管桩支撑平台最重要的控制点。本文联系蚌埠市长淮卫淮河大桥深水基础工程，应用有限元软件对钢围堰拼装平台进行三维建模；对首节钢围堰拼装平台、中层吊装平台，以及悬吊平台的结构稳定性实行了计算。计算结果为各结构应力及位移均满足设计要求，验证了钢围堰拼装平台的安全与合理性。同时建立了与钢围堰相连的下部分配梁、与精轧螺纹钢相连的上部分配梁有限元模型；计算得出上、下部分配梁的各结构应力及位移均满足设计要求，证明配梁结构的稳定符合要求。该研究成果积累了部分深水基础施工经验，对今后跨越大江大河、海湾湖区钢围堰拼装平台施工提供了重要的指导作用。

深水基础；施工平台；有限元；结构计算

双壁钢围堰拥有结构强度高，止水功能好的优点，同时它可以承受一定的水压力冲击，构造简易，作业轻便，在大桥深水基础当中采用率极大。国内自从1976年在九江长江大桥建造中，初次选用双壁钢围堰来进行深水基础施工[1]，解决了长江以及其余深水河流在汛期基础施工的难题之后，很多桥梁的建造都陆续选择这种基础方式。但是，钢围堰需要借助支撑平台来完成定位、拼装以及下放等程序，同时还要借用支撑平台来堆放基础施工机具，以及临时材料。因此，围堰拼装平台的施工安全性以及结构稳定性就显得极为重要。

钢管桩为长细壁薄的杆件结构，通常在钢管桩应力远小于屈服点时候，就产生极大的形变，因此丢失支撑能力，缺失稳定性，尤其在深水钢管桩穿越流水、土层且插入基岩时，三者之间的相互作用庞杂，增添了支撑平台稳定性研究的难度[2]。钢围堰拼装平台大都采用强度分析——将结构实行简化，对比结构应力能否符合应力容许值来确定结构的安全性能。为了保证钢围堰拼装和下放时支撑平台的稳定性，本文通过三维有限元对支撑平台进行三维建模，计算其结构应力以及位移变形量，并对钢围堰的下放进行分析。

1 有限元结构计算理论

在使用有限元法进行结构稳定性分析时，先进行结构的离散化，然后选择位移形式，推出用节点位移显示单元内任意点位移的关联式[3]，在此基础上，进行力学特性分析，建立整个结构的平衡方程：

[K]{U}=[KE]{U}+[KG]{U}={P}

(1)

式中：[K]为结构整体刚度矩阵；{U}为结构整体位移列阵；{P}为结构整体荷载列阵；[KE]为结构弹性刚度矩阵；[KG]为结构几何刚度矩阵。

几何刚度矩阵表现了构件在形变状况下的刚度改变情形，和增加的荷载有直接关联[4]。拉力使结构刚度增强，压力使刚度弱化。伴随压力的加大，弱化效应将超过构件固有刚度，导致位移不断增加，结构失稳[5]。

由于几何刚度矩阵和荷载大小相关，则荷载和结构位移的变化不再是线性关系，结构处于新的平衡状态，方程如下：

[K+λKG]{U}={P}

(2)

如若构件属于不稳定形态，方程必有特殊解，即等价刚度矩阵的行列式为0，产生失稳[6]。

[K+λKG]<0(λ>λc r)时为不稳定平衡状态；[K+λKG]=0(λ>λc r)为不稳定状态；[K+λKG]>0(λ>λc r)为稳定状态。

2 钢围堰支撑平台结构稳定性分析

2.1 工程概况

长淮卫淮河大桥工程为蚌埠市中环线东段的重要节点工程[7]。桥址处水位较深、桩基长，属于特大型桥梁工程。工艺繁杂，工期紧张，所以施工难度巨大。其中，主桥的14#～17#在河道汛期时全部处于河水之中，即便在枯水期同样会被水流浸到。

主桥选用80 m+200 m+80 m双桁钢桁架拱桥，宽度为42.5 m。主桥16#墩、17#墩位于淮河河道中，各选择2座分离式承台，承台平面尺寸为(14 m×14 m)，承台高4.0 m，左右幅净距19 m。水下承台、墩柱选择矩形双壁钢围堰作业方式。平面尺寸(17.1 m×17.1m)。16#墩承台底标高+3.551 m，17#墩承台底标高+0.851 m，施工水位13.2 m，最高抽水水头12.349 m。钢围堰顶标高控制为15.2 m。

2.2 参数及边界条件的设置

根据钢围堰设计图纸以及钢围堰下放专项施工方案，采用液压千斤顶控制系统仅对各钢围堰的第一节实施下放，16#钢围堰与17#钢围堰的首节与第二节围堰的尺寸完全相同，17#钢围堰第三节的高度高于16#钢围堰，且17#钢围堰的三节总重量要大于16#钢围堰，因此只需要计算17#钢围堰的首节拼装平台结构、中层吊装平台结构，以及顶部悬吊系统的结构即可。

据设计图纸得出，首节钢围堰的重量为109.186 t，考虑到施工的安全性，首节钢围堰的自重按135 t进行受力分析和计算。另外，考虑到直径630 mm临时钢管桩埋置的长度15 m，因此，钢管桩底部按固结处理。

钢材弹性模量E=2.1×105MPa,泊松比取值0.3，Q235钢材的抗拉、抗压以及抗弯强度设计值[F]=215 MPa，抗剪强度设计值[Fv]=125 MPa[8]。

2.3 首节钢围堰拼装平台的计算分析

首节钢围堰拼装平台由12根45a#工字钢、以及由45a#工字钢与直径630 mm的临时钢管桩组成的平台结构组成，其平面布置图和立面图如图1所示。首节钢围堰拼装平台除了受到围堰的自重载荷，再无其他外力作用[9]。根据钢围堰设计图纸标明的钢围堰每块的设计重量，并考虑到施工的安全性，由钢围堰自重传递到分配梁上的单点受力按6 t计算。

建立的首层拼装平台结构有限元模型如图1所示。

图1 首层拼装平台结构模型

考虑到施工的安全性、整体结构的稳定性以及在施工专项方案中提到的施工顺序，在建立此模型时，将中平台的连梁一并建立。

通过对三维有限元结构模型在相应位置加载对应载荷，得到的计算情况如图2所示。

分析结果可得，首层拼装平台的最大应力为167 MPa，最大位移量为18.8 mm。因此，首节钢围堰施工的各结构应力与位移全都符合设计规定。

2.4 中层吊装平台的计算分析

中层吊装平台作为拼装首节钢围堰时的吊装平台，不仅受到吊车的自重载荷，也会牵涉到整体结构的稳定性。在临界状态，首层钢围堰的自重载荷全部加载在首层拼装平台，此时，中层吊装平台的受力分析与首节拼装平台密不可分，且关系到整个结构。因此，对中层吊装平台的受力计算成为不可缺少的部分。

考虑到车上桥之后的自重载荷，以及分配梁、贝雷梁及桥面板的自重载荷，并考虑到施工过程中的安全性，加载在中层吊装平台上的作用力按50 t来计算。建立的有限元模型如图3所示。

图2 三维有限元计算结果

图3 中层吊装平台结构模型图

通过对三维有限元结构模型在相应位置加载对应载荷，得到的计算情况如图4所示。

图4 中层吊装平台结构计算结果

计算结果可得，中层吊装平台的最大应力为172 MPa，最大位移量为19.3 mm。因此，中层吊装平台钢围堰施工的各结构应力与位移全都符合设计规定。

2.5 悬吊平台的计算分析

悬吊平台由双HN900×300×16×28组成的扁担梁、双45a#工字钢组成的分配梁、直径40 mm的PSB785精轧螺纹钢及配套的螺母和垫片、液压控制系统等组成[10]。按最不利情况考虑，在油缸将首节钢围堰顶起、使首节围堰完全脱离首层拼装平台对其的支撑作用的时候，钢围堰的自重通过分配梁及精轧螺纹钢组成的传力系将其自重载荷全部加载在悬吊平台的扁担梁上面。扁担梁上面共设置有8台液压千斤顶，即8个吊点。考虑到施工的安全性，每个吊点的力按17 t来计算。建立的有限元模型如图5所示。

图5 悬吊平台结构模型图

通过对三维有限元结构模型在相应位置加载对应载荷，得到的计算情况如图6所示。

图6 悬吊平台构件计算情况

由结果可得，悬吊平台的最大应力为 25.8 MPa，最大位移2.07 mm。因此，悬吊平台钢围堰施工的各结构应力与位移全都符合设计规定。

3 配梁的结构稳定性分析

3.1 下部分配梁计算分析

与首节钢围堰相连的下部分配梁由2根45a#双拼工字钢及厚度20 mm的垫片组成，主要是受首节钢围堰自重载荷传递的力。整个悬吊系统共设置8个吊点，每个吊点设置2根精轧螺纹钢[11]，钢围堰的自重通过吊耳传递到下部分配梁，再通过与下部分配梁相连接的精轧螺纹钢将力传递到上部分配梁上面，从而形成了一个完整的传力体系。

根据钢围堰设计图纸标明的钢围堰每块的设计重量，并考虑到施工的安全性，由钢围堰自重传递到下部分配梁上的单点受力按17 t计算。通过建立有限元模型，其应力和位移结果如图7所示。

图7 下部分配梁计算结果

由计算结果可得，下部分配梁的最大应力68.8 MPa，最大位移量0.056 mm。因此，下部分配梁的各结构应力与位移全都符合设计规定。

3.2 上部分配梁计算分析

与精轧螺纹钢相连的上部分配梁由2根45a#双拼工字钢及厚度20 mm的垫片组成，主要是受首节钢围堰自重载荷传递的力。整个悬吊系统共设置8个吊点，每个吊点设置2根精轧螺纹钢，钢围堰的自重通过吊耳传递到下部分配梁，再通过与下部分配梁相连接的精轧螺纹钢将力传递到上部分配梁上面，从而形成了一个完整的传力体系。

根据钢围堰设计图纸标明的钢围堰每块的设计重量，并考虑到施工的安全性，由钢围堰自重传递到下部分配梁上的单点受力按17 t计算。通过建立有限元模型，其应力和位移结果如图8所示。

图8 下部分配梁计算结果

由计算结果可得，上部分配梁的最大应力83.8 MPa，最大位移量0.11 mm。因此，上部分配梁的各结构应力与位移全都符合设计规定。

3.3 精轧螺纹钢的选型及计算分析

精轧螺纹钢通过分配梁承受来自首节钢围堰的自重载荷。每根精轧螺纹钢的单点受力按17/2=8.5 t计算，选用的精轧螺纹钢等级为PSB785，其屈服强度值为785 MPa[12]。

由传统公式M=F/A计算可得，选用的精轧螺纹钢的直径应该不小于16.5 mm。而考虑到施工过程中的一些不确定性因素，以及施工过程中的安全问题，故选用直径为40 mm的PSB785精轧螺纹钢。

4 结 论

(1)通过有限元理论分析，建立了蚌埠市长淮卫淮河大桥17#墩钢围堰支撑平台的三维有限元模型，计算得出首层拼装平台、中层吊装平台、悬吊平台以及各配梁的最大应力和最大位移都在规定的数值内，各构件的应力与位移全都符合设计需求。

(2)从分析流程能够得出，本文对钢围堰支撑平台的结构分析简明且恰当；从分析的成果示意图能够快速地看到各部位的应力、应变情形，同时能迅速地找出最欠安的位置，以便有针对性地实施改进，不但能确保平台的稳定，还能减少施工投入，为相似的工程提供了参照，具有较好的推广价值。

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Stability analysis of steel cofferdam assembled platform under deepwater foundation condition

LIAO Yitian，CHEN Jiawen,QIN Yihong,LI Youran,LYU Linpeng

(CollegeofHydraulic&EnvironmentalEngineering,ThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China)

Construction platform acts as a temporary structure, its safety is the most important control point of the deepwater steel pipe pile support platform. In this paper a three-dimensional modeling of the steel cofferdam assembled platform is established by using the finite element software to solve the deepwater foundation engineering of Huaihe River Bridge in Bengbu Changhuaiwei；the stability of steel cofferdam assembled platform, medium lift platform and suspension platform are calculated. The results show that the stress and displacement of each structure meet the design requirements, and the safety and rationality of the steel cofferdam assembled platform is verified. At the same time, the finite element models of the lower distribution beam connected with the steel cofferdam and the upper distribution beam connected with the finish rolling steel are established；the structural stress and displacement of the upper and lower part of the beam are calculated to meet the design requirements, which proves that the stability of the beam structure meets the requirements.The research results have accumulated some experience in the construction of deepwater foundation, which will provide an important guiding role for the construction of deep water bridge across the river and the bay lake area.

deepwater foundation; construction platform; finite element; structure calculation

国家自然科学基金(51179095)

廖一天(1993-)，男，湖南娄底人，硕士研究生，主要研究方向为水利工程施工技术。E-mail:1373657397@qq.com。

TV553;U445.55+1

A

2096-0506(2017)06-0001-06