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【摘 要】以北江特大桥主墩围堰为工程背景，建立了双壁钢围堰三维有限元模型，对围堰结构施工吊装及在役阶段的局部力学性能进行了分析。结果表明：围堰结构在役阶段，内壁板与水平支撑梁局部连接位置在水压力、土侧压力作用下应力集中明显。在围堰节段施工吊装中，吊装位置局部受力较大。在实际工程中，应对上述两个部位通过加厚钢板、填充混凝土的方法进行局部加强。
【关键词】双壁钢围堰；局部受力分析；设计荷载；计算工况
1、引言
对于跨越江河的桥梁建设，水下墩台结构的施工是整个桥梁建设中的关键技术环节。双壁钢围堰结构具有施工速度快、防水性能好等优点，被广泛应用于水下墩台结构工程中[1-2]。双壁钢围堰结构的内外壁板、水平支撑梁等构件主要采用焊接方式连接，连接区域应力集中问题突出。在深水墩台施工、围堰吊装过程中，钢围堰的局部连接位置首先屈服破坏。因此，有必要对双壁钢围堰在施工及在役过程的局部受力问题进行分析，为采用合理的局部加强措施提供依据。
文献[3]建立了圆形双壁钢围堰结构模型，并分析了水深对围堰外壁板应力的影响。文献[4]对圆形双壁钢围堰节段吊装过程中的受力性能进行了分析，并讨论了不同吊点对围堰结构局部受力的影响。目前，国内文献中对圆形双壁钢围堰的研究较多，对矩形双壁钢围堰涉及相对较少。同时，对双壁钢围堰进行有限元分析时，加劲肋等构件采用beam梁单元进行模拟，较难反应结构的真实受力。
本文以新建贵阳至广州段高速铁路北江特大桥主墩矩形双壁钢围堰为工程背景，建立了围堰结构的三维有限元模型，对其施工吊装阶段与在役阶段的力学性能进行了讨论。
2、双壁钢围堰结构设计
北江特大桥围堰为矩形双壁自浮式结构，双壁间距为1.5m，围堰平面尺寸38.3m×20.3m，总高18.269m。整个钢围堰结构竖向分为3节，由下至上围堰结构的尺寸分别为6.8m，5.45m及6.019m.，每节控制起吊重量小于220t。围堰在承台顶面标高以下2.05m以下段的夹壁内填充C20素混凝土。双壁钢围堰结构的平面、剖面示意图1所示。
钢围堰壁由内外两层钢板组成，钢板厚度为6mm。沿内外两层钢板设置178对角钢竖向加劲肋，防止钢板的局部屈曲，加劲肋尺寸为70mm×45mm×6mm，加劲肋间距为493.8mm与468.7mm。内外层钢板之间沿竖向设置水平环板，环板厚度为16mm，竖向间距见图1（b）。同一水平面上的内外水平环板采用90mm×6mm的等边角钢相连，形成水平桁架体系，使内外壁钢板共同受力。为保证钢围堰在水中悬浮阶段井壁内灌水下沉时的稳定，便于调整围堰的倾斜度，在围堰内外壁间设置竖向隔仓板，将整个围堰划分成12个互不相同的仓，隔仓板上设置70mm×45mm×6mm加劲肋，间距为500mm。钢围堰在下沉过程中，刃脚受力复杂，在围堰下沉就位后，在各种工况下可能出现向内的挠曲变形，应予以加强。在钢围堰中设置三层水平内撑梁，加强结构的整体受力性能，采用600mm×8mm的圆形钢管。
围堰的钢材均采用Q235。其容许弯曲应力为215MPa，容许剪切应力125MPa。钢材与混凝土的泊松比分别取0.3与0.2，密度分别为7850kg/m3与2300kg/m3。
2、设计荷载及计算工况
2.1 设计荷载
2.1.1 静水压力
静水压力是钢围堰结构主要的设计荷载，按式（1）计算：
（1）
钢围堰最高水位为+3.0m，围堰底面标高为-14.269m，河床顶面标高为-7.23m，围堰封底混凝土标高为-10.169m。钢围堰的最大外侧静水压力为，在河床顶面标高处。最大内侧静水压力为，在围堰封底混凝土标高处。围堰最高水位处静水压力为0，呈三角形分布。
2.1.2 外侧土压力
钢围堰外侧土压力可以按主动土压力式（2）计算：
（2）
河床顶面标高为-7.23m，围堰底标高为-14.269m，土层厚度为7.039m。土层类型主要为粉质黏性土，粉质黏性土的浮重度8kN/m3，内摩擦角取23°。土侧压力呈三角形分布，钢围堰底部的最大土侧压力为，河床顶面标高处的土侧压力为0。
2.1.3 动水压力
根据《公路桥涵设计通用规范》，动水压力可以按式（3）计算：
（3）
流水压力系数可取为0.8，施工区域设计流速为1.89m/s。动水压力呈倒三角形分布，钢围堰最高水位处最大，河床顶面标高处的动水压力为0。
钢围堰结构分析中，将静水、动水压力与土侧压力作为面荷载施加在围堰结构外面板，通过围堰外面板传递作用于外侧竖向加劲肋，水平环板及围堰内面板，加载简图如图2所示。
2.2 计算工况
为考虑围堰各阶段不同受力状态下，结构的强度、刚度及稳定性是否满足施工要求，对几种不利荷载工况下的结构受力进行计算。本文中考虑以下三种荷载工况条件。
工况一：钢围堰的刃脚下沉到设计标高、围堰底土层已被开挖至封底混凝土底面处，荷载组合为结构自重+静水压力（外侧）+静水压力（内侧）+动水压力+外侧土压力。
工况二：围堰封底后抽水施工。双壁钢围堰在完成桩基施工，并浇筑封底后，进行抽水、施工承台时，结构承受的外侧荷载最大。荷载组合为结构自重+静水压力（外侧）+动水压力+外侧土压力。
工况三：底节钢围堰整体吊装，按照钢围堰整体吊装的情况进行受力分析，计算吊点为6个，均匀分布在钢围堰底节顶口。
3、钢围堰结构局部受力分析
3.1 钢围堰有限元模型建立
采用有限元软件ANSYS建立整体结构及局部构件的三维有限元模型。与传统围堰的计算方式不同，三维有限元模型可以考虑结构的空间效应，有利于了解钢围堰结构的真实受力情况。三维有限元模型中，钢材采用shell63模拟，填充混凝土采用solid45模拟。对围堰结构局部连接位置进行网格细化，其中，板壳shell63单元数量为81092个，实体solid45单位数量为20520个。钢围堰结构的整体模型、部分局部模型见图3。
钢围堰结构的有限元分析应满足以下两个计算假定：1、不考虑钢围堰与土之间的黏着力及摩阻力；2、钢围堰的刚度与土之间的刚度比为无限大。钢围堰模量的约束条件为约束围堰底面的空间线位移，即Ux=Uy=Uz=0。
3.2 在役阶段局部受力计算
图4为工况二钢围堰主要受力构件的第一主应力云图。工况一、工况二下的钢围堰各构件的最大变形及主应力见表1所示。钢材的屈服及破坏主要沿着主应力方向，提取主应力作为受力分析的依据。为节约计算空间，采用1/4模型进行计算。
由表1可知，钢围堰结构的最大变形为7.0mm，最大主应力为414MPa，均有工况一控制，工况一下的钢围堰结构受力更为不利。钢围堰结构其挠度与跨度的比值约为7.0/18000=1/2571<[f]=1/500，结构的变形满足要求。由图6可知，围堰结构的最大主应力出现在内壁钢板与水平支撑梁的局部连接处，为414MPa，应力集中明显。该连接位置的主应力超过了Q235钢材的设计强度，需要采用加厚钢板、增加加劲肋的方法进行局部加强。其余构件的最大主应力都可以满足强度要求。
3.3 施工阶段局部受力计算
本文中讨论的钢围堰结构分为3节，底节围堰的尺寸较大，作为施工吊装分析的对象。假定设计吊点为6个，均匀分布于围堰底节顶口，并与围堰壁板竖向加劲对应。在结构吊装的过程中应考虑相应的动力系数，取为1.3。在ANSYS分析中通过ACEL调整重力加速度,考虑动力系数。图5为双壁钢围堰结构整体吊装分析有限元模型，在模型中约束吊点处的空间线位移。
图6为钢围堰结构在吊装施工时的主应力云图，图7为设计吊点1、2处的局部主应力云图。由下图所示，钢围堰结构底节在吊装施工时，最大主应力值为104MPa，出现在吊点周围。该节钢围堰整体吊装时，局部应力不会超过Q235的设计强度。在设计吊点1处，在水平支撑梁与内壁钢板连接处的主应力最大。在设计吊点2处，两个隔仓板的连接处主应力最大。对于尺寸较大的钢围堰施工吊装，在吊点处应进行局部加强。
3.4 水深、淤泥深度对围堰局部受力影响
墩台结构施工过程中，围堰结构作为临时支护设施，其受力条件是一个不断变化的。同时，不同环境下的墩台围堰结构，其工程环境并不一致。双壁钢围堰中，内、外壁板直接承受水压力、土侧压力的作用。因此，水深、淤泥深度对内、外壁板受力影响进行讨论。
在3.2节中分析得到工况一对钢围堰结构的受力较为不利，本节中讨论在工况一下水深变化引起的钢围堰各构件受力的变化。水深分别取为5m，10m，15m，20m及25m，并建立不同高度尺寸的钢围堰有限元模型，围堰进入土体深度不变，为7.039m。图8为钢围堰各构件主应力随水深变化的情况。
由图8可知，随着水深的增加，围堰内、外壁的第一、三主应力呈线性增加。出现在内壁钢板与水平支撑梁连接处的局部应力在水深为5m时，主应力值已超过了Q235钢材的设计强度，建议在该局部连接处通过填充混凝土进行加强。外壁钢板在水深超过20m后，局部主应力有超过Q235钢材设计强度的情况。因此，在水深较大的情况下，应适当加大应力较大部位的钢材厚度，保证钢围堰结构不出现局部屈服或破坏。
不同的工程条件下，钢围堰的入土深度并不一致，本节中讨论了工况一下淤泥深度变化引起的钢围堰各构件受力变化。取水深10.23m，淤泥深度分别为2.5m，5m，7.5m，10m及12.5m，建立不同高度尺寸的钢围堰有限元模型进行分析。图9为钢围堰各构件主应力随淤泥深度变化的情况。
由图9所示，随着淤泥深度的增加，钢围堰结构各构件的主应力值变化不大。由于在有限元模型中考虑了钢围堰入土段的填充混凝土，土侧压力对钢围堰结构各构件的受力影响不大。因此，在实际工程中，对于双壁钢围堰结构入土范围部分宜填充混凝土，对双壁钢围堰进行加强。
4、结论
（1）建立了双壁钢围堰的三维有限元模型，对水压力、土侧压力作用下围堰各构件的受力性能进行了分析。结果表明：除了钢围堰内壁板与水平支撑梁连接处出现应力集中外，其余构件的主应力均能满足Q235钢材设计强度要求，建议在内壁板与水平支撑梁连接处通过设置局部加劲肋或填充混凝土的方法进行补强。
（2）以底节钢围堰结构为研究对象，对吊装施工中的受力性能进行了分析，并考虑了吊装过程中的动力系数。在吊装施工中，应力集中均出现在吊点附近，均能满足钢材强度设计要求。对于大型钢围堰吊装，建议在吊点附近进行局部补强。
（3）讨论了水深、淤泥深度对围堰内、外壁局部受力影响。随着水深的增加，围堰内、外壁的第一、三主应力呈线性增加。同时，淤泥深度的变化对围堰内、外壁局部受力影响并不明显。
参考文献
[1]方诗圣,丁仕洪.钢围堰封底混凝土与桩基钢护筒间的粘结力研究 [J].合肥工业大学学报(自然科学版),2009
[2]洪苏科,张敏,张牧,刘德清.嘉绍跨江大桥桥塔墩承台钢围堰结构设计与施工 [J].桥梁建设,2010
[3]林宝龙,贾方方.陶乐黄河公路特大桥双壁钢围堰三维仿真分析[J].路基工程,2010
[4]李德钦,颜军等.新造珠江大桥双壁钢围堰的设计与分析[J].公路与汽运,2009
[5]中华人民共和国建设部.钢结构设计规范(GBJ50017-2003)[S].北京:中国建筑工业出版社,2003
[6]中华人民共和国建设部.建筑地基基础设计规范(GBJ50007-2002)[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.
[7]中交公路规划设计院.公路桥涵通用设计规范(JTG D60-2004)[S].北京:人民交通出版社,2004.
[8]丁仕洪,方诗圣等.淮河特大桥深水基础钢围堰的结构分析[J].铁道建设,2007.
【关键词】双壁钢围堰；局部受力分析；设计荷载；计算工况
1、引言
对于跨越江河的桥梁建设，水下墩台结构的施工是整个桥梁建设中的关键技术环节。双壁钢围堰结构具有施工速度快、防水性能好等优点，被广泛应用于水下墩台结构工程中[1-2]。双壁钢围堰结构的内外壁板、水平支撑梁等构件主要采用焊接方式连接，连接区域应力集中问题突出。在深水墩台施工、围堰吊装过程中，钢围堰的局部连接位置首先屈服破坏。因此，有必要对双壁钢围堰在施工及在役过程的局部受力问题进行分析，为采用合理的局部加强措施提供依据。
文献[3]建立了圆形双壁钢围堰结构模型，并分析了水深对围堰外壁板应力的影响。文献[4]对圆形双壁钢围堰节段吊装过程中的受力性能进行了分析，并讨论了不同吊点对围堰结构局部受力的影响。目前，国内文献中对圆形双壁钢围堰的研究较多，对矩形双壁钢围堰涉及相对较少。同时，对双壁钢围堰进行有限元分析时，加劲肋等构件采用beam梁单元进行模拟，较难反应结构的真实受力。
本文以新建贵阳至广州段高速铁路北江特大桥主墩矩形双壁钢围堰为工程背景，建立了围堰结构的三维有限元模型，对其施工吊装阶段与在役阶段的力学性能进行了讨论。
2、双壁钢围堰结构设计
北江特大桥围堰为矩形双壁自浮式结构，双壁间距为1.5m，围堰平面尺寸38.3m×20.3m，总高18.269m。整个钢围堰结构竖向分为3节，由下至上围堰结构的尺寸分别为6.8m，5.45m及6.019m.，每节控制起吊重量小于220t。围堰在承台顶面标高以下2.05m以下段的夹壁内填充C20素混凝土。双壁钢围堰结构的平面、剖面示意图1所示。
钢围堰壁由内外两层钢板组成，钢板厚度为6mm。沿内外两层钢板设置178对角钢竖向加劲肋，防止钢板的局部屈曲，加劲肋尺寸为70mm×45mm×6mm，加劲肋间距为493.8mm与468.7mm。内外层钢板之间沿竖向设置水平环板，环板厚度为16mm，竖向间距见图1（b）。同一水平面上的内外水平环板采用90mm×6mm的等边角钢相连，形成水平桁架体系，使内外壁钢板共同受力。为保证钢围堰在水中悬浮阶段井壁内灌水下沉时的稳定，便于调整围堰的倾斜度，在围堰内外壁间设置竖向隔仓板，将整个围堰划分成12个互不相同的仓，隔仓板上设置70mm×45mm×6mm加劲肋，间距为500mm。钢围堰在下沉过程中，刃脚受力复杂，在围堰下沉就位后，在各种工况下可能出现向内的挠曲变形，应予以加强。在钢围堰中设置三层水平内撑梁，加强结构的整体受力性能，采用600mm×8mm的圆形钢管。
围堰的钢材均采用Q235。其容许弯曲应力为215MPa，容许剪切应力125MPa。钢材与混凝土的泊松比分别取0.3与0.2，密度分别为7850kg/m3与2300kg/m3。
2、设计荷载及计算工况
2.1 设计荷载
2.1.1 静水压力
静水压力是钢围堰结构主要的设计荷载，按式（1）计算：
（1）
钢围堰最高水位为+3.0m，围堰底面标高为-14.269m，河床顶面标高为-7.23m，围堰封底混凝土标高为-10.169m。钢围堰的最大外侧静水压力为，在河床顶面标高处。最大内侧静水压力为，在围堰封底混凝土标高处。围堰最高水位处静水压力为0，呈三角形分布。
2.1.2 外侧土压力
钢围堰外侧土压力可以按主动土压力式（2）计算：
（2）
河床顶面标高为-7.23m，围堰底标高为-14.269m，土层厚度为7.039m。土层类型主要为粉质黏性土，粉质黏性土的浮重度8kN/m3，内摩擦角取23°。土侧压力呈三角形分布，钢围堰底部的最大土侧压力为，河床顶面标高处的土侧压力为0。
2.1.3 动水压力
根据《公路桥涵设计通用规范》，动水压力可以按式（3）计算：
（3）
流水压力系数可取为0.8，施工区域设计流速为1.89m/s。动水压力呈倒三角形分布，钢围堰最高水位处最大，河床顶面标高处的动水压力为0。
钢围堰结构分析中，将静水、动水压力与土侧压力作为面荷载施加在围堰结构外面板，通过围堰外面板传递作用于外侧竖向加劲肋，水平环板及围堰内面板，加载简图如图2所示。
2.2 计算工况
为考虑围堰各阶段不同受力状态下，结构的强度、刚度及稳定性是否满足施工要求，对几种不利荷载工况下的结构受力进行计算。本文中考虑以下三种荷载工况条件。
工况一：钢围堰的刃脚下沉到设计标高、围堰底土层已被开挖至封底混凝土底面处，荷载组合为结构自重+静水压力（外侧）+静水压力（内侧）+动水压力+外侧土压力。
工况二：围堰封底后抽水施工。双壁钢围堰在完成桩基施工，并浇筑封底后，进行抽水、施工承台时，结构承受的外侧荷载最大。荷载组合为结构自重+静水压力（外侧）+动水压力+外侧土压力。
工况三：底节钢围堰整体吊装，按照钢围堰整体吊装的情况进行受力分析，计算吊点为6个，均匀分布在钢围堰底节顶口。
3、钢围堰结构局部受力分析
3.1 钢围堰有限元模型建立
采用有限元软件ANSYS建立整体结构及局部构件的三维有限元模型。与传统围堰的计算方式不同，三维有限元模型可以考虑结构的空间效应，有利于了解钢围堰结构的真实受力情况。三维有限元模型中，钢材采用shell63模拟，填充混凝土采用solid45模拟。对围堰结构局部连接位置进行网格细化，其中，板壳shell63单元数量为81092个，实体solid45单位数量为20520个。钢围堰结构的整体模型、部分局部模型见图3。
钢围堰结构的有限元分析应满足以下两个计算假定：1、不考虑钢围堰与土之间的黏着力及摩阻力；2、钢围堰的刚度与土之间的刚度比为无限大。钢围堰模量的约束条件为约束围堰底面的空间线位移，即Ux=Uy=Uz=0。
3.2 在役阶段局部受力计算
图4为工况二钢围堰主要受力构件的第一主应力云图。工况一、工况二下的钢围堰各构件的最大变形及主应力见表1所示。钢材的屈服及破坏主要沿着主应力方向，提取主应力作为受力分析的依据。为节约计算空间，采用1/4模型进行计算。
由表1可知，钢围堰结构的最大变形为7.0mm，最大主应力为414MPa，均有工况一控制，工况一下的钢围堰结构受力更为不利。钢围堰结构其挠度与跨度的比值约为7.0/18000=1/2571<[f]=1/500，结构的变形满足要求。由图6可知，围堰结构的最大主应力出现在内壁钢板与水平支撑梁的局部连接处，为414MPa，应力集中明显。该连接位置的主应力超过了Q235钢材的设计强度，需要采用加厚钢板、增加加劲肋的方法进行局部加强。其余构件的最大主应力都可以满足强度要求。
3.3 施工阶段局部受力计算
本文中讨论的钢围堰结构分为3节，底节围堰的尺寸较大，作为施工吊装分析的对象。假定设计吊点为6个，均匀分布于围堰底节顶口，并与围堰壁板竖向加劲对应。在结构吊装的过程中应考虑相应的动力系数，取为1.3。在ANSYS分析中通过ACEL调整重力加速度,考虑动力系数。图5为双壁钢围堰结构整体吊装分析有限元模型，在模型中约束吊点处的空间线位移。
图6为钢围堰结构在吊装施工时的主应力云图，图7为设计吊点1、2处的局部主应力云图。由下图所示，钢围堰结构底节在吊装施工时，最大主应力值为104MPa，出现在吊点周围。该节钢围堰整体吊装时，局部应力不会超过Q235的设计强度。在设计吊点1处，在水平支撑梁与内壁钢板连接处的主应力最大。在设计吊点2处，两个隔仓板的连接处主应力最大。对于尺寸较大的钢围堰施工吊装，在吊点处应进行局部加强。
3.4 水深、淤泥深度对围堰局部受力影响
墩台结构施工过程中，围堰结构作为临时支护设施，其受力条件是一个不断变化的。同时，不同环境下的墩台围堰结构，其工程环境并不一致。双壁钢围堰中，内、外壁板直接承受水压力、土侧压力的作用。因此，水深、淤泥深度对内、外壁板受力影响进行讨论。
在3.2节中分析得到工况一对钢围堰结构的受力较为不利，本节中讨论在工况一下水深变化引起的钢围堰各构件受力的变化。水深分别取为5m，10m，15m，20m及25m，并建立不同高度尺寸的钢围堰有限元模型，围堰进入土体深度不变，为7.039m。图8为钢围堰各构件主应力随水深变化的情况。
由图8可知，随着水深的增加，围堰内、外壁的第一、三主应力呈线性增加。出现在内壁钢板与水平支撑梁连接处的局部应力在水深为5m时，主应力值已超过了Q235钢材的设计强度，建议在该局部连接处通过填充混凝土进行加强。外壁钢板在水深超过20m后，局部主应力有超过Q235钢材设计强度的情况。因此，在水深较大的情况下，应适当加大应力较大部位的钢材厚度，保证钢围堰结构不出现局部屈服或破坏。
不同的工程条件下，钢围堰的入土深度并不一致，本节中讨论了工况一下淤泥深度变化引起的钢围堰各构件受力变化。取水深10.23m，淤泥深度分别为2.5m，5m，7.5m，10m及12.5m，建立不同高度尺寸的钢围堰有限元模型进行分析。图9为钢围堰各构件主应力随淤泥深度变化的情况。
由图9所示，随着淤泥深度的增加，钢围堰结构各构件的主应力值变化不大。由于在有限元模型中考虑了钢围堰入土段的填充混凝土，土侧压力对钢围堰结构各构件的受力影响不大。因此，在实际工程中，对于双壁钢围堰结构入土范围部分宜填充混凝土，对双壁钢围堰进行加强。
4、结论
（1）建立了双壁钢围堰的三维有限元模型，对水压力、土侧压力作用下围堰各构件的受力性能进行了分析。结果表明：除了钢围堰内壁板与水平支撑梁连接处出现应力集中外，其余构件的主应力均能满足Q235钢材设计强度要求，建议在内壁板与水平支撑梁连接处通过设置局部加劲肋或填充混凝土的方法进行补强。
（2）以底节钢围堰结构为研究对象，对吊装施工中的受力性能进行了分析，并考虑了吊装过程中的动力系数。在吊装施工中，应力集中均出现在吊点附近，均能满足钢材强度设计要求。对于大型钢围堰吊装，建议在吊点附近进行局部补强。
（3）讨论了水深、淤泥深度对围堰内、外壁局部受力影响。随着水深的增加，围堰内、外壁的第一、三主应力呈线性增加。同时，淤泥深度的变化对围堰内、外壁局部受力影响并不明显。
参考文献
[1]方诗圣,丁仕洪.钢围堰封底混凝土与桩基钢护筒间的粘结力研究 [J].合肥工业大学学报(自然科学版),2009
[2]洪苏科,张敏,张牧,刘德清.嘉绍跨江大桥桥塔墩承台钢围堰结构设计与施工 [J].桥梁建设,2010
[3]林宝龙,贾方方.陶乐黄河公路特大桥双壁钢围堰三维仿真分析[J].路基工程,2010
[4]李德钦,颜军等.新造珠江大桥双壁钢围堰的设计与分析[J].公路与汽运,2009
[5]中华人民共和国建设部.钢结构设计规范(GBJ50017-2003)[S].北京:中国建筑工业出版社,2003
[6]中华人民共和国建设部.建筑地基基础设计规范(GBJ50007-2002)[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.
[7]中交公路规划设计院.公路桥涵通用设计规范(JTG D60-2004)[S].北京:人民交通出版社,2004.
[8]丁仕洪,方诗圣等.淮河特大桥深水基础钢围堰的结构分析[J].铁道建设,2007.