钢围堰不同设计计算方法安全性分析

重庆 400013； 3.重庆交通大学，重庆400074； 4.中铁大桥局集团第八工程有限公司，重庆400020)摘要：钢围堰是桥梁深水基础施工中一种重要的临时设施，可作为桥梁基础施工时的拦水结构，供施T.人员在围堰内无

水环境下进行水位以下桥梁结构的施工。钢围堰由于设计原因在施T.过程中一旦发生安全事故，将造成巨大的经济损失和 人员伤亡\"现在流行的几种钢围堰设计方法，其在计算模式、设计参数、安全系数取值、与钢围堰施工的吻合度等方面差异

很大。通过对目前流行的几种钢围堰设计方法进行差异性、安全性分析，为钢围堰的规范化设计、制造、施工管理提供参考。 关键词：钢围堰；设计计算方法；安全性；分析中图分类号：TV 551.3

文献标志码：B

文章编号:1009-7767(2019)02-0056-04Safety Analysis of Steel Cofferdam Design with Different Computation SchemesHuang Meng, Yang Shouzhong, Xiang Zhongfu, Li Dekun钢围堰是桥梁深水基础施工中一种重要的临时 设施，可作为桥梁基础、承台和墩柱施工时的挡水结

管桩围堰、单壁钢围堰、双壁钢围堰等；依据在水中的

位置，可分为着床钢围堰和钢吊箱围堰；从外形尺寸 上，有圆形、矩形、异形等多种形式(瓷构，供施工人员在围堰内无水环境下进行水位以下桥

梁结构的施工。钢围堰受力一般较大，在20〜30 m水 深时，钢围堰底节最大水压力可达到200-300 kN/m2,

双壁钢围堰是深水基础施工中较常见的一种.钢 围堰一般由围堰壁板、围堰内支撑、封底混凝土、隔舱

水浮力可能超过万t,加上水流、风浪作用，其荷载作 用远超过一般的施工临时设施。钢围堰根据基础形式、水深不同，其造价从几百万

混凝土等结构组成⑷。双壁钢围堰主要用于抵抗较大

的水压力而设计，壁板结构主要包括外层钢板、内层钢

板、横向加劲肋、竖向加劲肋以及内外壁板之间的水 平钢支撑同。双壁钢围堰壁厚大多为1〜2m不等，壁 板钢板厚6〜12 mm,壁板上焊有横向和竖向加劲肋，

到几千万不等，由于在围堰内操作的施工人员较多，钢

围堰在施工过程中一旦发生安全事故，将造成巨大的 经济损失和人员伤亡。资料显示，钢围堰施工中发生过

加劲肋多为钢板、角钢、槽钢等结构。加劲肋与壁板焊 接多数采用间断焊接。加劲肋有的水平连通，竖肋在水 平肋处断开并与水平肋焊接;有的在水平肋处开孔.将

整体上浮事故川和壁板整体破坏坍塌事故，类似事故 发生的次数虽然较少，但事故影响与损失却非常大。通

过事故原因分析，暴露出钢围堰在设计和施工管理方 面缺乏标准和规范，现在流行的钢围堰，有多种不同的 设计方法和计算模式，设计参数、安全系数取值也各有

竖肋穿过水平肋同。2钢围堰设计方法和安全性分析钢围堰受力最大的工况多为围堰内水被抽干时 工况，该工况围堰内外水的压差最大。水对围堰壁板的 压力反映为壁板结构的应力和稳定性，对围堰封底混 凝土的压力反映为围堰的上浮力，这2个方向的水压

不同，这将导致施工现场的钢围堰安全度各不相同，有 的钢围堰安全系数较大，有的钢围堰安全系数很小，存 在较大的安全隐患。笔者通过对目前流行的几种钢围堰设计方法及 其安全性进行分析，为钢围堰的规范化设计、制造、施 工管理提供参考。力一般是导致围堰整体破坏的根本性原因。围堰上浮计算，可根据围堰底部透水情况计算上 浮力。嵌岩桩计算时，桩底可认为不透水，相应面积内

1钢围堰结构设计钢围堰结构复杂,从结构上可分为钢板桩围堰、钢

的浮力可不计;封底混凝土嵌岩且岩层完好、裂隙不发

育，施工封底时，能有效隔断基岩面渗水通道时(如采

56 彳衣技索 2019No.2(Mar.) Vol.37桥梁工程::Bridge Engineering用深槽隔水或干封底混凝土时），可视为基岩不透水， 按无浮力考虑；如封底混凝土底面基岩较破碎，渗水严

2.1梁板法梁板法是将壁板作为板单元，水平加劲肋和竖向 加劲肋均作为梁单元，加劲肋（梁）与壁板单元共用节

重或不能判断基岩面是否有渗水层时，可以按基岩全 透水计算浮力。而摩擦桩计算时，则应考虑桩底浮力。

点（有的将水平加劲肋也作为板单元）。计算桩基对封底混凝土的锚固力时，可按照JTS 167-

4—2012（港口工程桩基规范》同计算。桩基为群桩时，

通过计算，竖向加劲肋应力为6.010 MPa（见图2）,

水平加劲肋应力为1.419 MPa（见图3）o应注意群桩效应，群桩整体抗拔力小于各单桩抗拔力

之合时，应采用群桩受力控制。钢围堰钢结构部分的总体设计要求，遵循GB

50017—2017（钢结构设计标准》I\但对于钢围堰壁板

的设计计算，目前有多种方法，可以计算出多种结果，

并且计算结果相差非常大。采用不同的设计计算方法， 对围堰安全性的评价可能截然不同。钢围堰壁板计算

方法的主要差别在壁板、横向加劲肋和竖向加劲肋的 分析处理上，目前主要有梁板法、有效宽度法等计算

方法。采用不同软件也会有一些不同的计算方法，这里 不再介绍。下面以北京迈达斯技术有限公司提供的

《钢围堰分析》①示例文件中的单壁钢围堰为例，采用

Midas Civil 10.0软件进行分析。钢围堰设计资料:半径为2m的小型单壁钢围堰，壁 体为带肋钢板，壁板为8mm厚钢板，水平肋为150mmx

14 mm钢板,竖肋为L75 mmx50 mmx6 mm角钢,所有材

图2竖向加劲肋应力图质均为A3钢。竖肋沿壁体圆周分20等分间距（628 mm） 布置，水平肋间距500 mm,水平肋、竖肋均布置在外

侧，荷载为1.5 m水压力，具体计算见图1。图3水平加劲肋应力图计算结果分析：壁板与肋梁共用节点，往往导致肋梁靠壁板位置

应力偏大，而实际上，由于肋梁与壁板采用间隔焊接，

因焊缝有一定长度，在焊接位置，肋梁会将靠壁板处的 应力向壁板传递，肋梁实际应力会小于计算应力，这种

计算方法其结果偏于安全。2.2有效宽度法采用有效宽度法计算加劲肋时，考虑壁板的有效

作用宽度作为加劲肋的翼板，进行加劲肋的应力计算。注①引向北京迈达斯技术有限公司《钢围堰分析》示例文件。根据SL 74—2013《水利水电工程钢闸门设计规

2019年第2期（3肿第37卷彳衣农* 57ES桥梁工程Bridge Engineering范》闯，面板兼做主（次）梁翼缘时，考虑壁板的有效作 焊接质量充分可靠，壁板才能充分参与肋板的受力。如 施工现场肋梁与壁板采用间隔焊接，在未焊接的地方, 肋梁与壁板不能形成整体受力，有效宽度法的应力计 算结果可能仍比实际的钢围堰加劲肋应力小，偏于不 安全。用宽度，取608和主（次）梁间距的较小值，则竖肋和 水平肋翼板宽均为60x8=480 mmo截面见图4。表1为2种计算方法的加劲肋应力比较。表1 2种计算方法的加劲肋应力比较MPaa）竖肋

b）水平肋竖肋应力梁板法有效宽度法水平肋应力备注图4竖肋和水平肋考虑壁板有效宽度参与受力后截面6.0103.0701.419通过计算，竖肋应力为3.070 MPa（见图5）。0.927从2种计算方法的应力来看，采用梁板法，竖肋

应力为6 MPa，比有效宽度法（3 MPa）大了 1倍。考虑 到应力最大位置均为竖肋与壁板的交接位置，竖肋与

壁板焊接后，竖肋的应力将向壁板分散，实际应力会 适当减小。而有效宽度法,考虑了壁板有效宽度范围分

担加劲肋的应力，使加劲肋应力减小，这种计算方法

适合于壁板和肋板满焊且焊接质量可靠的情况。考虑 到钢围堰一般常采用间隔焊接，则其实际应力应比有

效宽度法应力大,而比梁板法应力小。3结语与思考钢围设计、施工环节多，影响钢围堰质量和安全的

图5竖肋应力图因素多。钢围堰在设计环节一旦出现问题，将会造成 重大灾难。从图5可以看出，壁板未全部参与竖肋受力。 通过计算，水平肋应力为0.927 MPa（见图6）。为确保钢围堰施工安全，针对钢围堰设计,应当做

到以下两点，一是在设计上尽可能考虑周全，考虑到可 能出现的各种不利工况，对各种不利工况均要进行充分 的分析计算，确保不出现重大结构设计失误。二是在规

范未明确或无可靠试验验证的情况下，采用偏于保守的 设计方法，以确保安全。对于钢围堰壁板计算，当肋板和 壁板采用间断焊接时.宜采用梁板法进行设计，当肋板

和壁板釆用满焊时，宜采用有效宽度法进行设计。EH参考文献：卩]胡启升.应用建筑桩基技术规范解析双壁钢围堰上浮原因卩].

工业建筑,2009（Supl ）:842-843.图6水平肋应力图[2]中交第一公路工程局有限公司.公路桥涵施工技术规范:JTG/T

F50-2011[S],北京：人民交通出版社,2011.⑶时天利，任回兴，贺茂生.苏通大桥深水双壁钢围堰设计与

有效宽度法考虑了有限的壁板进入了加劲肋截面, 进行了加劲肋受力计算，应力计算结果比梁板法小。施工[J].世界桥梁,2007（3）:28-31.2.3 2种计算方法的应力比较和安全性评价有效宽度法原则上更适合加劲肋与壁板采用满焊,

[4]洪苏科.张敏，张牧，等.嘉绍跨江大桥塔墩承台钢围堰结构

（下转第62页）58 彳苯技* 2019No.2(Mar.) Vol.37：!桥梁工程Bridge Engineering出现塑性咬会有较大的影响。空间梁元模型法，由空间梁格模型法得到的计算结果 在E2地震作用下，乙类桥梁应为有限损伤，经抢

较大。在E2地震作用下，墩顶沿横桥向的位移过大很

修可恢复使用，在永久性修复后可恢复正常运营功能。 容易引起上部结构的侧翻滑落，对结构安全产生不利

由于该阶段桥梁结构进入弹塑性工作阶段，所以桥墩的 的影响。空间梁格模型法能够充分考虑弯桥的横向受 墩顶位移是研究分析的重点。单柱墩墩顶的容许位移可

力特性，在荷载组合作用下计算得到的桥墩墩顶沿横

根据CJJ 166—2011（城市桥梁抗震设计规范＞7.3.5条 桥向位移更为准确合理。对于桥墩墩顶沿顺桥向的位

直接计算得到；双柱墩的墩顶容许位移可在盖梁处施加

移,两者的计算结果较为接近。水平力F,再进行非线性分析叫对于12号双柱墩的墩 4结论顶容许位移，笔者应用MIDAS（Civil 2017） pushover I 1） 采用2种不同的方法计算分析时，由于上部结

具进行分析后，得到该值。桥墩墩顶位移见表7。构的横向效应处理方式不同，所以桥墩墩顶的约束刚

度也不同。用空间剪力-柔性梁格模型法进行分析，能 表7桥墩墩顶位移够考虑上部结构的横向效应，因此，相比于空间梁元

位移 梁元模型法 梁格模型法模型法，其得到的桥墩振动频率比较低。方向△dAu△dAa2） 由于受曲线弯桥自身受力特性的影响,2种方法

外r0.080.790.130.79得到的桥梁内侧桥墩内力相差较大。采用空间剪力-

10 -------X0.070.790.040.79柔性梁格模型法能够充分地考虑桥梁横向效应，对 内y0.090.790.130.79X0.060.790.050.79地震作用下桥梁内侧桥墩拉压受力类型的判断更为 外y0.140.710.190.71准确。X0.090.710.060.713） 曲线弯桥在弯、剪、扭组合作用下，上部结构经

0.71常会出现梁体外移、翻转等现象。在地震作用下，用2种 内y0」40.180.71X0.090.710.060.71方法得到的桥墩墩顶沿横桥向的位移相差较大，所以

外y0.170」80.150.18采用空间剪力-柔性梁格模型法能够对桥梁结构的安 13X0.080.520.110.52全预防起到更为重要的作用。©sa内y0.170.180.150」8X0.090.520」l0.52参考文献：外y0.150.410.180.42[1] 孙广华.曲线梁桥计算[M].北京：人民交通出版社,1995 = 7-

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X0.090.410.080.4294-105.外y0.120.310.140.32|3]邵容光，夏盜.混凝土弯梁桥[M].北京：人民交通出版社，

14X0.080.310.060.321994:16-30.内y0.110.310.140.32[4]同济大学.城市桥梁抗震设计规范:CJJ 166-2011⑸.北京：人

X0.080.310.060.32民交通出版社,2011.注:y表爪横桥向，刀表示顺桥向。收稿日期:2018-08-06作者简介：袁卫兵，助理工程師，硕士，主要从事桥梁结构静、动力设计

由表7可知，桥墩墩底沿横桥向的位移，相比于工作。（上接第58页）2017[S].北京：中国建筑工业出版社,2017.设计与施工[J].桥梁建设,2010（Sup） = 18-21.[8|中水东北勘测设计研究院有限公司.水利水电工程钢闸门

⑸中铁山桥集团有限公司.铁路钢桥制造规范:TB 10212-2009设计规范:SL74-2013[S],北京：中国水利水电出版社，2013.[S],北京：中国铁道出版社,2009.[6]中交第三航务工程勘察设计院有限公司.港口工程桩基规范：

收稿日期：2018-07-26JTS 167-4-2012[SJ.北京：人民交通出版社,2012.作者简介：黄猛，男，高级工程师，学士，主要从事市政及公路工程设

[7|中冶京诚工程技术有限公司.钢结构设计标准:GB 50017-

计，施T.技术研究工作。62 彳苯技* 2019No.2(Mar.) Vol.37