密扣式拉森鋼板樁fsp型圍堰支護(hù)設(shè)計(jì)與仿真

密扣式拉森鋼板樁fsp型圍堰支護(hù)設(shè)計(jì)與仿真

0維結(jié)構(gòu)模型建立樁超載是深基建筑中常見(jiàn)的臨時(shí)施工設(shè)備。同時(shí)，它也是深水基礎(chǔ)施工中最常用的一種圍護(hù)裝置。目前,雙排鋼板樁型圍堰結(jié)構(gòu)由于其整體性強(qiáng)、施工手段方便成熟、監(jiān)測(cè)手段較多,在國(guó)內(nèi)外橋梁和港口工程中被廣泛采用。對(duì)于大型圍堰,需要對(duì)圍堰的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),從而保證圍堰的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性,滿足施工要求。迄今為止,國(guó)內(nèi)外圍繞雙排鋼板樁圍堰體系研究取得了許多研究成果和經(jīng)驗(yàn),如計(jì)算時(shí)將鋼板樁視為一端固定的連續(xù)梁,每道支撐為鉸支座,由力矩分配法計(jì)算;按多跨連續(xù)梁用力矩分配法計(jì)算各支點(diǎn)的支反力及各點(diǎn)和跨中的彎矩并找出最大彎矩以驗(yàn)算鋼板樁的截面。本文采用MidasCivil三維結(jié)構(gòu)軟件建立空間整體模型,對(duì)鋼板樁施工過(guò)程中的6種工況進(jìn)行分析計(jì)算,計(jì)算精度高,計(jì)算結(jié)果更接近于鋼板樁圍堰的實(shí)際受力情況。因篇幅有限,只選取最不利的3種工況,從結(jié)構(gòu)的變形、鋼板樁的彎矩、支撐內(nèi)力3個(gè)方面進(jìn)行分析研究,并通過(guò)數(shù)值模擬與施工位移監(jiān)控,預(yù)測(cè)了支護(hù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì),達(dá)到了及時(shí)反饋進(jìn)而完善支護(hù)體系的目的,為進(jìn)一步完善同類大橋基礎(chǔ)施工中圍堰設(shè)計(jì)提供良好的經(jīng)驗(yàn)。1施工水位及施工設(shè)計(jì)某大橋起止里程為:K74+858.77—K84+155.55,橋全長(zhǎng)9296.78m,線路法線與水流方向夾角為12°,匯水面積F=1099km2,流量Q1%=2102km3/s,水位H1%=17.85m,流速V1%=3.0m/s,施工水位H=14.2m,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘調(diào)查,測(cè)時(shí)水位11.5m,漲水季節(jié)洪水水位為13.0m。大橋186#—192#橋墩位于江中,設(shè)計(jì)采用鉆孔樁基礎(chǔ),密扣式拉森鋼板樁FSPⅣ型圍堰支護(hù),穿過(guò)地層依次為粉土、細(xì)圓礫土、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖、強(qiáng)風(fēng)化含礫砂巖。承臺(tái)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與地質(zhì)情況、地下水位、土質(zhì)參數(shù)及周圍環(huán)境等都有密切的關(guān)系,主要包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)、支撐體系、挖土方案、換撐措施、降水方案和地基加固等。鋼板樁圍堰具有強(qiáng)度高、接合緊密不易漏水、施工簡(jiǎn)便、速度快、可減少基坑土方開(kāi)挖量、可多次重復(fù)使用等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于水中承臺(tái)的施工中。經(jīng)對(duì)方案的安全性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、實(shí)施性、工期等方面分析比較,決定選用鋼板樁圍堰方案。2土壓力系數(shù)(1)鋼板樁設(shè)計(jì)參數(shù)和施工條件根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)與水文評(píng)價(jià)報(bào)告,鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)與施工條件見(jiàn)表1。(2)河床底土層性能指標(biāo)河床底從上至下土層的指標(biāo)如下。細(xì)圓礪土(標(biāo)高2.4—7.0m),中密,III級(jí),容量γ1=20.5kN/m3,內(nèi)摩擦角ψ1=30°,黏聚力c1=2kN/m2,土層厚度h1=4.6m,彈性模量E1=100MPa;風(fēng)化巖層(巖層頂面標(biāo)高2.4m),γ2=23kN/m3,ψ2=35°,c2=100kN/m2,彈性模量E2=300MPa。(3)土壓力系數(shù)根據(jù)庫(kù)倫定律,土壓力系數(shù)見(jiàn)表2。(4)水流壓力考慮河流水流壓力,經(jīng)計(jì)算,取FW=1.5kN/m2,計(jì)算水位取標(biāo)高+11.5m。3設(shè)計(jì)和計(jì)算基于鋼的單元的負(fù)荷3.1鋼板樁剛度計(jì)算鋼板樁選用主要考慮其支護(hù)深度、土質(zhì)及周圍水的情況。經(jīng)綜合考慮,采用16m長(zhǎng)密扣式拉森鋼板樁FSPIV型,其技術(shù)參數(shù)如下。(1)鋼板樁:寬度B=400mm,高度h=170mm,厚度t=15.5mm,截面積A=96.99cm2,重量W=76.1kg/m,慣性矩Ix=4670cm4,截面模量Wx=362cm3。(2)每延米鋼板樁技術(shù)參數(shù):重量W=190kg/m,慣性矩Ix=38600cm4,截面模量Wx=2270cm3,半截面面積矩Sx=1564cm3。3.2鋼板樁支護(hù)基本結(jié)構(gòu)圍堰尺寸為1455cm×1198cm,圍堰的支護(hù)方案為鋼板樁+2道內(nèi)支撐,鋼板樁采用密扣式拉森FSPIV型鋼板,長(zhǎng)度為16m,鋼圍檁、角斜撐均采用2I36a的工字鋼組合梁,橫撐為529鋼筒支撐梁,同時(shí)采用角撐和橫撐確保圍堰的整體剛度和整體穩(wěn)定性,鋼板樁支護(hù)基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。結(jié)合工程實(shí)際情況,參考其他類似工程確定計(jì)算模型,在模型最下方壁板單元節(jié)點(diǎn)上添加固定鉸約束。3.3計(jì)算結(jié)果和模型材料Q235鋼材的彈性模量E=2.06×105MPa,容重76.98kN/m3,泊松比為0.3;C30混凝土的彈性模量E=3×104MPa,容重為25kN/m3,泊松比為0.2;細(xì)圓礪土(標(biāo)高2.4—7.0m),中密,III級(jí),γ1=20.5kN/m3,ψ1=30°,c1=2kN/m2,h1=4.6m,彈性模量E1=100MPa,泊松比為0.3;風(fēng)化巖層(巖層頂面標(biāo)高2.4m),γ2=23kN/m3,ψ2=35°,c2=100kN/m2,彈性模量E2=300MPa,泊松比為0.25。(2)計(jì)算荷載采用Midas-Civil中的自重自動(dòng)加載。重力加速度值為9.806m/s2。(3)靜水壓力計(jì)算得到模型最底端的靜水壓力為150kPa;流水壓力數(shù)值相對(duì)于靜水壓力而言比較小,本工程中不予考慮;波浪力按P=15kPa,浪高3m計(jì)算。4鋼板圍堰模型及計(jì)算工況(1)建模思路Midas是專門針對(duì)巖土工程開(kāi)發(fā)的有限元計(jì)算軟件,該軟件界面簡(jiǎn)潔,前處理功能強(qiáng)大。雙排鋼圍堰采用MidasCivil三維結(jié)構(gòu)軟件建立空間整體模型,利用Midas有限元分析軟件對(duì)鋼圍堰進(jìn)行空間和平面分析。計(jì)算模型中,鋼板樁按照每延米的慣性矩等效為矩形截面的鋼板,用4節(jié)點(diǎn)板單元模擬,鋼圍檁、水平斜桿和橫撐梁按桿單元模擬,而圍堰內(nèi)河床底的土層、封底混凝土采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。鋼板樁圍堰的整體模型見(jiàn)圖2,圍堰內(nèi)支撐體系模型見(jiàn)圖3。(2)計(jì)算工況的確定為了詳細(xì)考慮圍堰各施工階段不同受力狀態(tài)下,結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度以及穩(wěn)定性是否滿足施工要求,對(duì)圍堰進(jìn)行以下工況的分析。工況1:用抽水泵將圍堰內(nèi)積水抽到標(biāo)高+10.5m處,安裝第二道內(nèi)支撐(標(biāo)高+11.0m)。工況2:當(dāng)?shù)谝坏纼?nèi)支撐安裝調(diào)試完畢后,用抽水泵將圍堰內(nèi)積水抽到標(biāo)高+7.0m處,安裝第二道內(nèi)支撐(標(biāo)高+7.5m)。工況3:當(dāng)?shù)诙纼?nèi)支撐安裝調(diào)試完畢后,讓河水回流到圍堰內(nèi),當(dāng)圍堰內(nèi)外水位持平后,開(kāi)始帶水開(kāi)挖圍堰內(nèi)土方至+0.692m,并用C35混凝土封底。5鋼板樁墻的剛度依據(jù)建立的雙壁鋼圍堰空間整體模型,采用Midas-Civil三維結(jié)構(gòu)軟件對(duì)6種工況進(jìn)行分析計(jì)算。選取最不利的3種工況(工況4,5,6),工況4,5,6結(jié)構(gòu)的變形、鋼板樁的彎矩、支撐內(nèi)力見(jiàn)圖4—圖6。按照設(shè)計(jì)的構(gòu)件尺寸和鋼材的力學(xué)性能,鋼板樁每延米的極限彎矩為600kN·m,鋼板樁彎矩最大值為422kN·m(工況5);支撐的極限軸力為2876kN,支撐的最大軸壓力為1446kN(工況4),則鋼板樁的抗彎安全系數(shù)為600/422=1.42,鋼支撐的安全系數(shù)為2876/1446=1.99。由計(jì)算云圖可以看出,鋼圍檁只是在與支撐的節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力才出現(xiàn)局部增大的現(xiàn)象,其他部位鋼圍檁的應(yīng)力基本在10—100MPa之間,由于節(jié)點(diǎn)都有加強(qiáng)措施,故允許應(yīng)力可以增大為原來(lái)的1.2倍,鋼圍檁允許應(yīng)力為188.5MPa,鋼圍檁最大應(yīng)力為218MPa,則218MPa<1.2×188.5=226MPa。因此,鋼圍檁的應(yīng)力滿足要求。鋼板樁變形符合要求。設(shè)計(jì)方案與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比表明,鋼板樁墻的剛度隨鋼板樁的變形而變化,當(dāng)剛板樁的變形較小時(shí),其剛度也較小,抗彎能力較差,當(dāng)變形增加時(shí),剛度和抗彎能力隨之增加。通過(guò)對(duì)鋼板樁圍堰施工過(guò)程的監(jiān)控監(jiān)測(cè),鋼板樁圍堰的各種受力工況良好,鋼板樁變形及內(nèi)支撐軸力均符合設(shè)計(jì)要求,且具有較大的安全儲(chǔ)備,圍堰結(jié)構(gòu)始終處于安全狀態(tài)。6深基坑支護(hù)中板樁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用利用Midas-Civil三維結(jié)構(gòu)軟件對(duì)鋼板樁圍堰進(jìn)行三維仿真分析,解決了深水支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和檢算問(wèn)題,取得了預(yù)期的效果,得到如下結(jié)論。(1)用Midas-Civil三維結(jié)構(gòu)軟件可以方便地計(jì)算出不同施工階段的受力情況,確保在施工過(guò)程中不同工況下的鋼板樁安全可靠。(2)結(jié)合鋼板樁結(jié)構(gòu)在深基坑支護(hù)中的應(yīng)用,通過(guò)圍堰結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析可知,采用FSPⅣ型密扣式拉森鋼板樁及內(nèi)支撐的平面形式、層數(shù),既可滿足鋼板樁的內(nèi)力、變形及內(nèi)支撐的內(nèi)力、穩(wěn)定性要求,又可通過(guò)采用角撐減少對(duì)撐數(shù)量的方式提供較大的施工工作面,方便施工,大大減少內(nèi)支撐的工程量,在縮短工期的同時(shí)降低工程造價(jià)。(3)利用Midas-Civil三維結(jié)構(gòu)軟件對(duì)鋼板樁支護(hù)進(jìn)行模擬分析,通過(guò)數(shù)值模擬與施工過(guò)程中的位移監(jiān)控,較好地預(yù)測(cè)了支護(hù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì),達(dá)到了及時(shí)反饋進(jìn)而完善支護(hù)體系