深水基础承台施工过程中钢套箱受力模拟分析

器基础与结构工程　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ交ｓ｛　嚣　棼妻　霪；秘黪黪嬲　深水基础承台施工过程中钢套箱受力模拟分析　高志升　，亓路宽　，丁前岩ｓ　（１．北京市市政专业设计院有限责任公司，北京　１０００３７；２．北京Ｔ．：ｌｋ大学，北京　１００１２４　３．江苏省交通科学研究院股份有限公司，江苏南京　２１００３７）　摘　要：通过对某大桥深水基础施Ｔ过程中钢套箱受力的　维整体数值模拟，确认了钢套箱结构的安全性并对在其内　，设置支撑的必要性进行了计算对比验证。通过模拟说明，通＿｝Ｈ有限元软件能够较真实地模拟承台施Ｔ过程中钢套箱的受　力情况，这种方法是深水基础结构科研、设计和施ｒ的有力助手。　关键词：深水基础；钢套箱；施Ｔ；波浪力；ＡＢＡＱＵＳ；数值模拟　中图分类号：ＴＵ　７５３．６２　文献标志码：Ｂ　文章编号：１００９—７７６７（２０１０）０５—０１２４—０３　Ｓｔｒｅｓｓ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｓｔｅｅｌ　Ｂｏｘｅｄ　ｆｏｒ　Ｄｅｅｐｗａｔｅｒ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　Ｐｌａｔｆｏｒｍ　Ｃ０ｎｓｔｒｕｃｔｉ０ｎ　Ｇａｏ　Ｚｈｉｓｈｅｎｇ，Ｑｉ　Ｌｕｋｕａｎ，Ｄｉｎｇ　Ｑｉａｎｙａｎ　深水大跨桥梁的基础施ｒ，越来越多地采州钢套　１　５ｏｏ　丁　箱同堰的形式．这种形式简化了深水基础的施Ｔ丁岂，　缩短了Ｔ期…。但是，在有水流和波浪条件下进行承台　一　—————————一　和钢套箱的施Ｔ，必须经过理论上的分析和计算才能　保证其施下过程的安全可靠。过去常采用的分析方法　是简化为平面的分析方法或者将结构拆分为单独的　构件进行计算分析，为了保证结构的安全性一般采用　较大的安全系数，因此常造成结构形式的笨重和材料　的浪费。　现代计算技术的发展和有限元理论的完善，使整　体钢套箱施Ｔ过程模拟成为可能。笔者结合某深水特　０　广０８Ｎ　．　．．．．　—．．．．．．．．．．一．　．—．．．．．．．ｎ＿．．．【．．—．　．．．，０吕　　．　Ｌ一　０Ｎ　０Ｎ一　０　一　一　＝　ｎ冀一一　０９：　ｌ０　大桥＿丁程，利用大型通用有限元软件ＡＢＡＱＵＳ／ＣＡＥ对承　台施Ｔ过程中钢套箱围堰的受力进行　维数值模拟。　１钢套箱构造及有限元模型　冈１　钢套箱立削而　计算的精度和效率有着巨大的影响。ＡＢＡＱＵＳ中通过　钢套箱为双轴对称结构，其长×宽Ｘ高尺寸为：　模型集移除／±曾加命令（＊Ｍｏｄｅｌ　ｃｈａｎｇｅ，ｒｅｍｏｖｅ／ａｄｄ）可以　从而灵活实现对施Ｔ过程中结　７０．６　ｍｘ　１８．６　１３１Ｘ６．６　ＩＴＩ，材料为Ｑ２３５钢板　套箱分仓，　方便地增减结构部件．两仓问密封不连通，同一仓【人ｊ设水平及竖向人孑Ｌ；套箱　构从兀到有的持续性模拟。　内外表面钢壁上设Ｔ型钢及角钢加劲肋。防撞套箱上　顶部辅助段挡水。其结构立面见图ｌ。　整个结构的有限元模型可分为：防撞套箱主结构，　台混凝土等部分　根据钢套箱构造特点，用板壳单元　下与施Ｔ辅助段连接，底部施丁辅助段用于承台封底，　封底套箱及上部施Ｔ辅助段，基桩、封底混凝土及承　ＡＢＡＱＵＳ中有各种各样的单元，其庞大的单元库　Ｓ４Ｒ模拟内壁板、外壁板、隔舱板、封底套箱、施Ｔ辅　提供了一套强大的Ｔ具来解决许多不同类型的问题。　助段等主体结构：用梁单元Ｂ３１模拟Ｔ型加劲、角钢加　每一个单元都南以下几个特征来表征：单元族，自由　劲和内部支撑：用实体单元Ｃ３Ｄ８Ｒ模拟基桩节段及封　　度．节点数，标准列式，积分Ｉ　。单元类型的选择对模拟　底混凝土　ｊ维有限元模型内部结构见图２。１２４　荭故东ｑ∈．ｒ　２０１０　Ｎｏ．５（Ｓｅｐ．）Ｖｏ１．２８　２模型内部构造图　２荷载工况　作用于结构上的荷载主要有：钢套箱自重、外部　静水压力、内部静水压力、舱内静水压力、外部波浪　力、外部流水力等。在不同的Ｔ况下，作用在结构上的　荷载有所不同，其ｒｆ，：　Ｔ况１为钢套箱下沉阶段。钢套箱组装完毕，沉　入水中．混凝土未浇筑，内部有支撑杆支撑。结构上作　用的荷载有钢套箱自重、外部静水压力、内部静水压　力、舱内静水　力、外部波浪力、外部流水力等。　ｌ髓ａ—ＨＨＨⅡ＝Ｔ况２为封底混凝土浇筑阶段。封底混凝土浇筑　ｌｌ，　完毕并凝同，套箱内水抽ｆｆＪ，结构上作用的荷载有钢　套箱自重、外部静水压力、舱内静水压力、外部波浪　力、外部流水力等。　Ｔ况３为底层支撑拆除，承台混凝土浇筑完成～　半并凝同。结构上作用的荷载有钢套箱自重、外部静　水压力、舱内静水压力、外部波浪力、外部流水力等。　１　况４为上层支撑拆除，承台混凝土浇筑全部完　成并凝同。结构上作用的荷载有钢套箱自重、外部静　水压力、外部波浪力、外部流水力等。　为了分析内部支撑对结构所起的作用，我们还　做了无内部支撑时下沉阶段的验算作为附加Ｔ况。　除内部无桁架支撑外，结构模型及所受荷载与丁况１　相同。　主要荷载参数为：设计水位采用最高潮位１．７１　１　ＩＴＩ，　用水流流速１．２３　ｍ／ｓ计算得ｍ水流压力：波浪荷载按　３００年１遇倚载取值，波浪周期５．５　Ｓ，波高３．２４　ｍ。根　据ＪＴＪ　２１５—１９９８￣港口Ｔ程荷载规范》计算得　流水压　力，再根据Ｊ．ｒＪ　２１３—１９９８《海港水义规范》计算其波浪　力。经计算，其各项荷载作用情况见图３。　３数值计算结果　按施丁顺序依次模拟各阶段施Ｔ时荷载的结构　体系，并进行计算。结构在Ｔ况１与附加工况时的变　形见图４、５　基础与结构工程器　移　辑　蠡　：袅黪　％　＝　搴鬟弛　ｌ　转黪　誊　波浪力　／　１／　外部静水压　力　流水压力　／ｃｃｑ　ａ　３２　堡　［＝］ｊ　匕　日　口＿Ｊ　［曰　＝ｊ　曰　日　日　３６７５０Ｐａ　３６　７５０Ｐａ　６６　７４８　Ｐａ　图３钢套箱荷载作用立面示意图（ｎ１）　图４　］＝＿＝＝况１结构变形冈（ｍ）　匮　三　ｊ　ｉ　图５　附加Ｔ况结构变形图（ｎ１）　从计算结果中可以知道，Ｆｈ于合理设置　内部支　撑，在承台混凝土浇筑过程中随着结构体系的转换，钢　套箱的变形不大　在承台顶位置．在多种外荷载共同　作用下，钢套箱大约缩１０　Ｆｉｌｌｎ，上部施丁辅助段变形量　最大达到２６．４　ｏｔｎｉ。附加丁况条件下，承台顶位置大约　内缩３０　Ｆｉｌｍ，施工辅助段顶变形达到４０　ｍＩｉｌ。　为了更清楚地反应各部分构件的应力状况，将丁　况１条件下各部分构件的应力图分别提取，见图６～９　所示（各部件的应力冈均为Ｖｏｎ　Ｍｉｓｅｓ应力图）。　其余工况下各部件的应力分布情况类似，各部分　的应力极大值见表１。其中，板单元的应力极值为Ｖｏｎ　Ｍｉｓｅｓ应力，加劲梁的应力极值为正应力。　从表１可知，在各Ｔ况下外壁板应力极值均大于　内壁板，竖向隔舱板极值大于横向隔舱板．Ｔ型加劲肋　２０１０　第５期（９一）第２８卷　啼荭投木一∈．ｒ　１２５　Ｈ　Ｉ　ｔ　。　器基础与结构工程　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ＆Ｓｔｒｕｃｔｕｔ８篓貔　ｉ辨姆静　ｌ如露　竖向隔舱板下部的一小部分　域内。总体来说，整个施　矗＝¨ｌ　蠲目■　一　　譬　¨　Ｈ爵目　■一．　．　　Ｔ过程中结构安全，钢材处在弹性范围之内。　爵Ｈ一基　目ＩＩ　附加丁况条件下，钢套箱内、外壁板应力最值达　Ｌ　，７　｛　Ⅲ¨誓　　¨ｍ　ｌ三　Ｈ３　　到工况１条件下的１．９倍以上，应力储备较小；竖向隔　舱板应力极值超过钢材的应力设计值，结构不再安全　萍髻　～　饔一０　　网６钢套箱外壁板应力图（Ｐａ）　７钢套箱内壁板应力图（Ｐａ）　图８钢套箱水平向隔仓板应力图（Ｐａ）　图９钢套箱竖向隔仓板应力图（Ｐａ）　表１　各工况作用下钢套箱部件的应力极大值ＭＰａ　应力大于角钢加劲肋。其中，竖向隔舱板的应力极值　最大，几乎达到Ｑ２３５钢板的设计强度值，但仅发生在　１２６　瘩荭故东　盯２０１０　Ｎｏ．５（Ｓｅｐ．）Ｖｏ１．２８　４计算结果分析　经过以上对施工过程各阶段的模拟计算。我们得　知钢套箱数模结构在施工过程中有以下特点：　１）整个施＿Ｔ过程中，钢套箱最不利位置为竖向隔　舱板底部，其最大应力　现在钢套箱下沉阶段．工况２　条件下应力有所减小，但随着内部支撑杆的拆除及承　台混凝土的施工，应力又略有增加。钢套箱最大变形　｝Ｈ现在钢套箱受波浪力一侧中部，但在整个施　过程　中应力水平一直较稳定　２）通过对钢套箱内部有、无支撑模型的比较可以　看　，无支撑条件下钢套箱竖向隔舱板应力值超过钢　材的没计标准值，结构局部出现塑性变形，结构变形较　大。会影响承台的成型形状：有支撑条件下，结构的受　力条件大为改善．构件应力也处在设计值范同之内，结　构变形较小。在内部设置支撑是非常有必要的，且支撑　的形式和结构尺寸有必要经过计算验证。　５　结语　通过数值模拟的方法对承台施Ｔ过程中钢套箱　的受力进行了计算分析，得｝｛｛以下结论：　１）经计算．此钢套箱在正常施工条件下各部件稳　定安全，应力值均没有超过材料设计强度值。　２）模拟计算验证了施Ｔ过程中内支撑的重要性，　在不设内支撑的条件下进行承台施Ｔ，钢套箱的安全　性难以得到保证。　３）通用有限元软件可以实现对施Ｔ过程中大型钢　套箱嗣堰结构的仿真模拟，能够较真实地模拟承台施　工过程中钢套箱的受力情况。这种方法系统、科学，是　深水基础结构科研、设计和施Ｔ的有力助手。　＿　参考文献：　［１］刘自明，王邦楣，陈开利．桥梁深水基础【Ｍ］．北京：人民交通　出版社．２００３：３０４—３２０．　［２］庄茁．ＡＢＡＱｕＳ／Ｓｔａｎｄａｒｄ有限元软件入门指南［Ｍ】．北京：清　华大学出版社，１９９８：５２．　收稿日期：２０１０—０４—１２　作者简介：Ｎ￣－（１９８１一），男，山东潍坊人，助理工程师，硕士，主要　从事桥梁结构等设计研究工作。