大型圓形鋼板樁圍堰施工監控分析

殷國棟

摘要：安徽某跨越淮河斜拉橋主橋20#墩承臺施工采用圓形鋼板樁圍堰，圍堰直徑達31.333m，施工難度較大。結合有限元仿真計算的施工監控，成功保證了鋼板樁圍堰的安全施工。

關鍵詞：圓形；圍堰；施工監控；有限元。

The analysis of construction monitoring of big circular cofferdam

Liu wei Yin guodong Liu kaizhi Tang xingxu Liang siyi

(The thirteenth of project department of Zhong Jiao third inning Xu ming highway)

Abstract：one cable-stayed bridge across huaihe river in anhui province,circular cofferdam was used toconstruct the 20th pier bearing platform.The diameter of the cofferdam reaches 31.333m,which makes the prosses of construction of cofferdam to be difficult.Combined with finite element simulation, ,the constructionmonitoring ensures the safety of the steel sheet pile cofferdam construction.

Key words:circular;cofferdam;construction monitoring;finite element.

中圖分類號：TU473文獻標識碼： A

一、工程概況

安徽某跨越淮河斜拉橋，主橋20#墩承臺位于淮河主河道中，為水下承臺，承臺為直徑26.0m的圓形承臺，承臺為三階梯形狀，自上而上高度分為1m，2m，3m，承臺總高度為6m。承臺形式如圖1所示。

圖1 承臺結構形式

經過承臺圍堰方案比較，圓形圍堰方案與方形圍堰比雖然施工技術難度較大，但具有節約材料和內支撐較少、對承臺施工影響較小等優點，因此選擇圓形鋼板樁圍堰方案。圍堰選用拉森鋼板樁，其寬度適中，抗彎性能好、施工安全。圍堰采用直徑31.333m的圓形，總高度為24m，其頂面控制標高為+17.0m，樁底標高為-7.0m。圓形鋼板樁圍堰形式如圖2所示。從上而下共布置五道環形鋼圍檁，第一道圍檁采用兩根H型鋼（360×140×14×15.8）雙拼，支撐連桿采用H型鋼（300×150×6.5×9）；第二道圍檁采用單根H型鋼（700×300×13×24），支撐連桿采用H型鋼（300×150×6.5×9）第三、四、五道圍檁采用兩根H型鋼（700×300×13×24）雙拼，支撐連桿采用單根H型鋼（300×150×6.5×9），內側環形支撐采用H型鋼（300×150×6.5×9）。

圖2圓形鋼板樁圍堰

二、監控目的

由于圓形鋼板樁圍堰施工難度較大，因此通過監控鋼板樁圍堰的施工過程，及時對施工中出現的危險情況進行預警，來保證施工的安全。為更準確的進行施工監控，對圍堰進行了有限元的仿真計算。

三、監控方案

在圍檁的邊上粘貼表面應變計，通過測試圍檁在施工過程的應力，來達到對圍堰施工進行監控的目的。由于第一道和第二道圍檁受力較小，因此只對第三道至第五道圍檁的應力進行監控。每一道圍檁有36個邊，選擇50%的邊進行監控。待測圍檁每邊的內側和外側均粘貼表面應變計。應變計的粘貼方式如圖3所示。

圖3應變測點布置位置示意圖

四、有限元仿真計算

圍檁采用beam44單元模擬，圍堰采用shell93單元來模擬。材料類型都是鋼材，其中E取20×105Mpa，泊松比取0.3，密度取7800kg/m3;水的密度取1000kg/m3.利用單元的生死功能，模擬鋼板樁圍堰的施工過程，從上至下按照施工順序依次激活各道圍檁。為簡化模型，計算模型中假定河床面為平面，同一高度的處的水壓力相同，相同高度的土壓力為水壓力的1.5倍。圍堰在河床以上圍堰承受均勻水壓力，在河床以下承受均勻的土壓力與水壓力的合力。將圍堰的施工劃分為4個荷載步，第一荷載步激活第一至第二道圍檁，以后每1荷載步多激活1道圍檁，直至第四荷載步將所有五道圍檁全部激活。各道圍檁激活時承受與實際施工過程承受的荷載相同。圍堰的有限元模型如圖4所示。

圖4鋼板樁圍堰的有限元模型

經計算，各荷載步圍檁應力分布如圖5~圖12。

圖5荷載步1圍檁最大拉應力圖 圖6荷載步1圍檁最大壓應力圖

圖7荷載步2圍檁最大拉應力圖 圖8荷載步2圍檁最大壓應力圖

圖9荷載步3圍檁最大拉應力圖 圖10荷載步3圍檁最大壓應力圖

圖11荷載步4圍檁最大拉應力圖 圖12荷載步4圍檁最大壓應力圖

在施工過程有限元仿真計算中各道圍檁承受的最大拉應力和最大壓應力見表1。

表1有限元仿真計算中各道圍檁承受的最大拉應力與最大壓應力

道數 1 2 3 4 5

最大拉應力（Mpa） 15.70 39.80 47.24 64.10 106.00

最大壓應力（Mpa） 16.80 37.70 49.50 70.50 117.00

五、監控過程

將圍堰的應力值設置預警值、報警值、控制值進行分級控制。有限元模型數值模擬時，假設的邊界條件較理想，計算得圍檁最大應力為117Mpa；設計單位提供圍檁在最不利荷載組合下最大應力為184Mpa。因此控制值設置為最不利荷載組合下最大應力的80%，即147.2Mpa，是在保證結構不產生破壞的前提下所允許達到的最大應力值；報警值是指當變形過大或過快接近控制值時，采取必要措施、手段進行預防或防護的應力值，取有限元模型計算值，即117.0Mpa； 預警值是指施工順利進行時的控制應力限值，按計算值的80%取用，即93.6Mpa。預警值之前，正常施工；預警值到報警值之間增加觀測頻率；超過報警值時，參建各方應密切關注圍堰狀況，對發現的問題及時處理；當接近或超過控制值時，應停止施工，查明原因，采取措施排除影響因素后才能繼續施工。

六、監控結果

在施工過程中，實測各道圍檁的最大拉應力和最大壓應力見表2。

表2施工中各道圍檁承受的最大拉應力與最大壓應力

道數 3 4 5

最大拉應力（Mpa） 56.3 73.6 118.4

最大壓應力（Mpa） 57.0 72.8 122.2

施工過程中各道圍檁受力變化趨勢如圖13所示。

圖13各道圍檁受力最大的圍檁應變隨時間變化的趨勢圖

七、結論

第三道圍檁至第五道圍檁的受力最大值均小于各道圍檁的設計值（第三道為158Mpa，第四、五道為184Mpa），也小于圍檁的極限抗拉抗壓強度（210Mpa），因此施工過程是安全的。有限元仿真分析的結果隨然由于受力模型簡化、邊界條件較理想，算出的結果略小于實測值。但將計算值與設計值結合，合理劃分監控過程中圍檁應力的預警值、報警值、控制值，可以保證圍檁的安全施工，達到了預期的目的。

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