下白石大桥主墩双壁铜围堰受力分析 徐振立 许宏元 李哲民 钱海丽 陈常明 （中交第一公路勘察设计研究院）

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【摘要】本文运用有限元分析方法，着重对双壁铜围堰在施工阶段水压力作用下和运营阶段船撞力作用下的受力进行了分析。
关键词 下白石大桥 钢围堰 结构分析

一、概述
下白石大桥为福建省福鼎至宁德高速公路的关键性控制工程。下白石大桥全长为984.6m。主桥上部为四跨连续刚构，跨径组成为 145m＋ 2 x 260m＋ 145m；主桥下部为钢筋混凝土薄壁空心墩，其基础由直径28m的双壁铜围堰和19根直径2.50m的钻孔灌注桩组成特大型复合式群桩基础。
本桥桥址位于内河入海口处，典型的潮汐河段，属三级航道，常年通行1000t级海轮，亦有3000t级海轮通行。
双壁铜围堰是大型深水基础工程理想结构物，既可起到基础工程施工时的围水与施工平台作用，又可参与部分结构受力。

二、双壁铜围堰设计构道要点
双壁铜围堰总体构造见图1。

从图中可以看出，双壁铜围堰主要由内壁板、外壁板、内环板、外环板、隔舱板、竖肋和水平斜撑等部分组成。
钢围堰在竖向分为9个节段，其中包括1个刃脚段，3个加强段和5个标准段；每个节段在平面内又分为10个环段进行设计、加工和拼装。在浮运、定位、接高和下沉中要求有较强的自浮能力，围堰内壁必壁及隔舱板等必须保证其水密性。

三、双壁铜围堰的计算要点
双壁铜围堰在各个阶段的主要计算内容包括：
1．钢围堰隔舱内外水头差的确定
（l）钢围堰处于悬浮状态时，海平面水位与隔舱内水位差；
（2）浇筑钢围堰隔舱水下混凝土过程中隔舱内外水位差；
（3）钢围堰下沉着岩后，钢围堰隔舱水位差；
(4）浇筑承台前进行围堰内抽水时，海平面水位、隔舱内水位及围堰内水位控制
2．钢围堰双壁的计算
（1）竖向计算
竖向计算包括多点支撑时剪力、弯矩和扭矩的计算以及竖向抗拉计算。
（2）横向计算
横向计算包括波浪力、流水压力、船撞力以及静水压力等的计算。
（3）局部验算
局部验算包括局部失稳、局部应力和双壁间横撑的验算等。验算的详细内容包括钢围堰双壁的计算、圆环的计算、水平斜撑的计算、焊缝长度的计算等。
除以上计算内容外，还包括：钢围堰的下沉与接高计算，钢围堰的封底计算，施工阶段钢围堰的抗浮计算，钢围堰刃脚的计算，等等。
根据以上钢围堰的计算内容，本文主要针对以下几点内力分析作一简单介绍。

四、钢围堰承登船舶撞击力的内力分析
据国外有关资料调查，船舶撞击是航道上桥梁倒塌的主要原因之一。为了确保桥梁的安全，桥梁的防撞问题已受到人们的普遍重视。
根据交通部上海船舶运输研究所的专题报告《福宁路下白石特大桥主墩撞击力分析》的结论：3000t级海轮对桥墩的栈桥向撞击力为19.OMN，顺桥向撞击力为9.5MN；1000t级海轮对桥墩的横桥向撞击力为13.4MN。
1．计算模型
作者运用SuperSAP软件对钢围堰在船舶撞击力下的内力进行分析。单元划分见图2。

钢围堰高48m，外径28m，内径25m，壁厚1.5m。在钢围堰的内,外壁贴上 6mm厚的钢板，内、外壁间填充 25号素混凝土。围堰的下端支撑在基岩上，边界条件按嵌固状态处理。
忽略钢围堰水平斜撑、竖肋和内、外环板的影响，共有3840个板单元（钢）和1920个块体单元（混凝土）。
2．作用力（作用于单元划分示意图中阴影部分）
在1000t级海轮演桥向撞击力作用下，P＝1340t，撞击接触面积A＝8.7平方米；
在3000t级海轮横桥向撞击力作用下，P＝1900t，撞击接触面积A＝8.7平方米；
3．计算结果

计算结果表明：在船舶与钢围堰碰撞的局部范围内，混凝土被损坏。即在船舶撞击力作用下，双壁铜围堰将局部损坏。

五、进行承台施工围堰内抽水时，围堰内外水位差的撞制计算
钢围堰施工完成且围堰封底混凝土完成后，当围堰内抽水，水位降至承合底高程时，围堰内外水位形成一定差值，见图3。暂取水头差??H＝20m。在这一水头差作用下，进行钢围堰的内力计算和稳定性分析。

1．在围堰内外水头差作用下钢围堰的内力计算
（1）计算模型
本次计算模型同4.1节的计算模型。
（2）计算结果（应力）

经运用SAP软件分析计算，在20m水头差作用下，钢围堰的壁板（钢）应力??s＝25MPa，
围堰隔舱内混凝土的应力??c=2.OMPa。
计算结果表明，在20m水头差作用下，钢围堰的强度远远满足要求。
2．在围堰内外水头差作用下钢围堰的稳定性分析
（1）计算模型
将围堰中单位高度的一段取出，四周作用均布压力，压力值为20m水头差的水压值，整个围堰作为梁单元进行分析（偏安全），计算模型如图4。

(2)计算结果
经计算，稳定安全系数K＝12.7。
计算结果表明，在20m高水头差作用下，钢围堰的整体稳定性满足要求。

六、钢围堰的内外壁板、环渤、奖励以及水平外槽的内力和稳定性计算
施工过程中，双壁铜围堰处于悬浮状态时，海平面水位高出围堰隔舱一定值??H。在水头差??H作用下，钢围堰的内外壁板、环肋、坚助以及水平斜撑的内力和稳定性计算。
本阶段钢围堰的受力图式见图5。

暂定??H＝9m，即围堰隔舱内外水头盖为9m。
1．钢围堰双壁间水平斜撑的计算
（l）计算模型
取钢围堰1／4圆周部分进行分析，计算模型如图6所示。

内外壁板用板单元模拟，水平斜撑用梁单元模拟。
（2）计算结果
水平斜撑的最大轴向压力N＝7.It。
水平斜撑的最大轴向压应力??＝86.7MPa。
水平斜撑的受压稳定系数K＝3。
计算结果表明，在围堰隔舱9m高水头差作用下，水平斜挥的强度及稳定性均满足要求。
2．内外壁板、环肋和坚肋的计算
（l）计算模型
取出钢围堰中1/20圆周和4.8m高的一部分进行分析，如图7所示。

内、外壁板、环肋、坚肋均模拟为板单元，水平斜撑仍为梁单元。建立模型时，忽略圆弧的影响。
(2）计算结果
在9m高水头差作用下，内外壁板、环肋和坚肋的强度均满足要求。

七、结论
经过计算分析，双壁铜围堰无论在施工下沉过程中，还是承台施工围堰内抽水时，钢围堰都是安全、稳定和可靠的，为主墩基础的施工提供了有力的保证；在运营阶段船撞力的作用下，钢围堰在局部范围受到损坏，应采取进一步的防控措施。