琅岐特大桥2 号桥工字型钢套箱结构受力性能分析

■张小聪

（福州沈海复线高速公路有限公司，福州 350005）

琅岐特大桥2 号桥承台采用钢套箱施工，该施工方法整体性强、稳定性好、能承受较大的竖向荷载和水平荷载[1]，但耗时较久，工序复杂，并随着时间的推移，荷载和边界条件也会随之改变，因此需要对其进行钢套箱力学分析。 分析最不利条件下钢套箱的受力情况， 确定合理的施工工况是钢套箱力学分析的重中之重。 根据经验，钢套箱的计算工况一般分为钢套箱起吊下放工况、 钢套箱下沉到位工况、钢套箱浇筑混凝土工况、钢套箱内抽水阶段工况和承台混凝土浇筑工况[2]。结合相关文献[3-5]中钢套箱的施工技术与受力分析，本文重点分析了不同工况下钢套箱的刚度、强度、稳定性是否满足设计要求， 和不同工况下钢套箱受力最不利位置。

1 工程概述

琅岐特大桥桥型布置为：2 （3×30 m）T 梁+11（4×40）T 梁+（55+2×100+55）连续箱梁+3×35 m T 梁桥。 琅岐特大桥2#桥主桥位于长乐市潭头镇附近，桥梁上跨闽江梅花水道，梅花水道是闽江分洪入海主要汊道之一。 桥址河道狭窄，略弯曲，宽约1 km；北岸为凸岸，南岸为凹岸，附近河床稳定。 实测最高潮位+3.52 m、 实测最低潮位－2.1 m、 平均高潮位+2.6 m、平均低潮位－1.6 m、最大潮差5.3 m、平均潮差1.7 m。 琅岐特大桥2 号桥22#～54# 墩位于闽江水中， 涉及的水中承台尺寸有3 种， 其中22#～46#墩承台为长12.5 m，宽7.5 m，厚度2.5 m 的哑铃型结构。 承台钢套箱围堰结构采用如下设计：砼底板结构采用6 根双拼I40b 工字钢做分配梁，上铺混凝土（标号C25、C30）预制板，预制板钢筋上下两层布置，上层为φ12 螺纹钢，间距150 mm×150 mm；下层为φ16 螺纹钢，间距150 mm×150 mm。 底板共分为3 块，底板与钢护筒孔洞周围空隙通过环形钢盖板（10 mm 厚）封堵。

侧模采用6 mm 厚钢板为面板，I16 工字钢做竖肋（间距350 mm），采用2-I40 主梁（上下两层）焊接于模板外侧作为主要支撑梁系， 内侧采用交叉的Φ377×8 mm 钢管作为内支撑。钢套箱结构如图1所示。

图1 钢套箱结构图

2 有限元模型

2.1 模型建立

为计算钢套箱在不同施工工况下的刚度、强度及整体稳定性能否满足要求， 本文采用ABAQUS/CAE 有限元软件建立钢套箱模型进行分析。钢套箱面板、底板和型钢、支撑钢管采用壳单元模拟，封底混凝土采用实体单元模拟，支撑对拉杆采用梁单元模拟，钢套箱有限元整体模型见图2。

图2 钢套箱有限元模型

2.2 荷载及工况

钢套箱在施工时承受的荷载主要有模板自重、封底混凝土重、浮力、静水压力、涨落潮压力、新筑混凝土对侧模的压力、水流荷载和风荷载等，一般将最不利荷载进行组合来进行不同工况下钢套箱的受力分析。

在进行有限元分析时，根据钢套箱的施工流程分别考虑整体起吊下放、下沉到位、浇筑封底混凝土、钢套箱抽水、承台混凝土浇筑共5 个工况下钢套箱的受力性能。 5 个工况下的荷载组合如图3 所示。 钢套箱下沉到位后，限制工字钢分配梁底部的转角和位移；浇筑封底混凝土时，考虑最不利条件，将混凝土预制板底模搭接在分配梁上。 钢套箱抽水后，不能维持内外水压力平衡，外部收到静水压力的影响，为最不利工况。 因此，限于篇幅，本文有限元分析时主要介绍浇筑封底混凝土、钢套箱抽水和承台混凝土浇筑3 个工况下钢套箱受力性能及稳定性验算结果。

图3 不同工况下的荷载组合

其中，浇筑封底混凝土工况作用在钢套箱上的荷载主要有风荷载、水流力和封底混凝土的压力和自重。 该工况计算简图如图4 所示。 水流力和风荷载作用在长边所处的一个壁板上（x 方向），封底混凝土的压力作用于内壁板。

图4 浇筑封底混凝土工况计算简图

钢套箱内抽水工况与浇筑封底混凝土工况相比减少了封底混凝土的压力和自重，增加了抽水后产生的静水压力， 静水压力作用在四周外壁板上，计算简图如图5 所示。

图5 钢套箱内抽水工况计算简图

承台混凝土浇筑工况除增加了承台混凝土重量和混凝土对内壁板的压力外，其他荷载均与钢套箱内抽水工况相同，其计算简图如图6 所示。

图6 承台混凝土浇筑工况计算简图

3 有限元结果分析

3.1 浇筑封底混凝土工况

3.1.1 刚度

在浇筑封底混凝土工况荷载作用下，钢套箱壁板在x 向最大位移为1.7 mm（图7），沿水流力和风荷载加载方向，y 向最大位移为0.31 mm， 沿壁板外法向。 因此，最大位移为1.7 mm，小于容许值L/500=26 mm，刚度满足要求。

图7 钢套箱内浇筑封底混凝土工况x 方向变形情况

3.1.2 应力

在浇筑封底混凝土工况荷载作用下，钢套箱预制混凝土底板最大应力为拉应力0.9 MPa， 小于混凝土容许应力； 壁板最大应力为压应力16.3 MPa，圈梁最大应力为压应力10.9 MPa，均小于钢材的容许应力。 由此可见，在钢套箱内浇筑封底混凝土工况荷载作用下，钢套箱的强度设计满足要求。

3.1.3 稳定性

运用ABAQUS 对钢套箱整体结构进行特征值屈曲分析，采用Lanczos 法进行特征值求解，求解结果如图8 所示。 在钢套箱内浇筑封底混凝土工况荷载作用下， 较长的钢管内支撑会先发生屈曲失稳，屈曲荷载为屈曲特征值与所加荷载的乘积，第一模态对应的特征值即最小的稳定安全系数为257.4，满足规范大于4 的要求，钢套箱不会发生屈曲失稳。

图8 钢套箱整体屈曲模态

3.2 钢套箱内抽水工况

3.2.1 刚度

在钢套箱内抽水工况荷载作用下，钢套箱壁板在x 向最大位移为3.6 mm，沿水流力和风荷载加载方向，y 向最大位移为4.2 mm （图9）， 沿壁板外法向；钢管内支撑位移基本为0。钢套箱壁板最大位移也为4.2 mm，小于容许值L/500=26 mm，刚度满足要求。

图9 钢套箱内抽水工况y 方向变形

3.2.2 应力

在钢套箱内抽水工况荷载作用下，钢套箱预制混凝土底板最大应力为拉应力2.0 MPa， 封底混凝土最大应力为拉应力0.3 MPa， 均小于各自的混凝土容许应力； 壁板最大应力为压应力67.7 MPa，圈梁最大应力为压应力28.2 MPa，钢管内支撑最大应力为压应力61.4 MPa（图10），均小于钢材的容许应力。 由此可见，在钢套箱内抽水工况荷载作用下，钢套箱的强度设计满足要求。 从以上各部件的应力可以看出，钢管内支撑的应力较大，说明钢管内支撑为钢套箱整体受力较薄弱的部件，在施工时应加强对钢管内支撑的受力监测。

图10 钢管内支撑应力云图

3.2.3 稳定性

运用ABAQUS 对钢套箱整体结构进行特征值屈曲分析，采用Lanczos 法进行特征值求解，求解结果如图11 所示。 在钢套箱内抽水工况荷载作用下，较长的钢管内支撑会先发生屈曲失稳，屈曲荷载为屈曲特征值与所加荷载的乘积，第一模态对应的特征值即最小的稳定安全系数为110.1， 满足规范大于4 的要求，钢套箱不会发生屈曲失稳。

图11 钢套箱整体屈曲模态

3.2.4 抗浮

在钢套箱抽水阶段，需要对钢套箱的抗浮稳定性进行验算，应满足钢套箱自重+封底混凝土自重+握裹力>浮力。

钢套箱自重为875 kN， 封底混凝土自重为1655 kN，封底混凝土与钢护筒之间的粘结力参照美国石油协会编写的《海上固定平台的规划、设计和建设—应力设计手册》[6]给出的计算方法，有剪力键时，计算钢管与封底混凝土的粘结强度采用如下公式：

式（1）中，fcu为混凝土抗压强度设计值（MPa）；h 为剪力键突出尺寸（mm）；s 为剪力键竖向间距（mm）。由于该工程中钢护筒上的剪力键仅设置一层，现简化计算公式，钢护筒与封底混凝土的粘结力只取式（1）的第一项0.184 MPa，该取值仍比较保守。 封底混凝土与钢护筒的接触总面积为S=4×π×2.1×1.5=40 m2， 因此封底混凝土与钢护筒之间的握裹力为0.184×40×1000=7360 kN。 当处于设计高水位时，钢套箱受的浮力最大， 为抗浮稳定性的最不利工况，浮力为：10×12.5×7.5×5.5=5156 kN。

由于， 钢套箱自重+封底混凝土自重+握裹力=875+1655+7360=9890 kN>5156kN， 抗浮安全系数K=9890/5156=1.9，因此抗浮稳定性满足要求。

3.3 承台混凝土浇筑工况

3.3.1 刚度

在承台混凝土浇筑工况荷载作用下，钢套箱壁板在x 向最大位移为0.6 mm，沿水流力和风荷载加载方向（图12），y 向最大位移为0.3 mm，沿壁板外法向；钢管内支撑位移基本为0。与钢套箱内抽水工况相比，承台混凝土的浇筑对钢套箱内壁板产生压力，可以平衡一部分静水压力，因此，本工况各部件的位移相对较小，钢套箱的刚度满足要求。

图12 承台混凝土浇筑工况x 方向变形

3.3.2 应力

在承台混凝土浇筑工况荷载作用下，钢套箱预制混凝土底板最大应力为拉应力0.9 MPa， 封底混凝土最大应力为拉应力0.4 MPa， 均小于各自的混凝土容许应力； 壁板最大应力为压应力16.3 MPa，圈梁最大应力为压应力6.1 MPa， 钢管内支撑最大应力为压应力17.9 MPa（图13），均小于钢材的容许应力，可知钢套箱的强度设计满足要求。 与钢套箱内抽水工况相比，承台混凝土的浇筑对钢套箱内壁板产生压力，可以平衡一部分静水压力，因此，该工况下各部件的应力相对较小。

图13 钢管内支撑应力云图

3.3.3 稳定性

在承台混凝土浇筑工况荷载作用下， 运用ABAQUS 对钢套箱整体结构进行特征值屈曲分析，采用Lanczos 法进行特征值求解，求解结果如图14所示。 结果表明较长的钢管内支撑会先发生屈曲失稳， 屈曲荷载为屈曲特征值与所加荷载的乘积，第一模态对应的特征值即最小的稳定安全系数为372.9，满足规范大于4 的要求。

图14 钢套箱整体屈曲模态

3.3.4 抗浮

承台混凝土浇筑工况的抗浮稳定性应满足：自重（钢套箱+承台混凝土+封底混凝土）<浮力+握裹力。

钢套箱自重为875 kN， 封底混凝土自重为1655 kN，承台混凝土重为2758 kN，封底混凝土与钢护筒之间的粘结力为0.184 MPa[6]。封底混凝土与钢护筒的接触总面积为S=4×π×2.1×1.5=40 m2，因此封底混凝土与钢护筒之间的握裹力为0.184×40×1000=7360 kN。 当处于设计低水位时，钢套箱受的浮力为0，为抗浮稳定性的最不利工况。

自重（钢套箱+承台混凝土+封底混凝土）=875+1655+2758=5388 kN<7360 kN， 抗浮安全系数K=7360/5388=1.4，因此抗浮稳定性满足要求。

4 结论

本文采用有限元分析方法，对琅岐特大桥2 号桥22#～46# 钢套箱进行计算分析，可以得出如下结论：（1）琅岐特大桥2 号桥22#～46# 钢套箱结构在整体起吊下放、下沉到位、浇筑封底混凝土、钢套箱抽水、承台混凝土浇筑共5 个工况下，钢套箱刚度、强度、整体稳定性和抗浮稳定性均满足要求。 （2）钢套箱抽水工况对壁板与钢管内支撑的受力最不利。（3）钢管内支撑为钢套箱整体受力较薄弱的部件，在施工时应加强对钢管内支撑的受力进行监测。