【摘要】本文運用有限元分析方法，著重對雙壁銅圍堰在施工階段水壓力作用下和運營階段船撞力作用下的受力進行了分析。
關(guān)鍵詞 下白石大橋 鋼圍堰 結(jié)構(gòu)分析
一、概述
下白石大橋為福建省福鼎至寧德高速公路的關(guān)鍵性控制工程。下白石大橋全長為984.6m。主橋上部為四跨連續(xù)剛構(gòu)，跨徑組成為
145m＋ 2 x 260m＋ 145m；主橋下部為鋼筋混凝土薄壁空心墩，其基礎(chǔ)由直徑28m的雙壁銅圍堰和19根直徑2.50m的鉆孔灌注樁組成特大型復(fù)合式群樁基礎(chǔ)。
本橋橋址位于內(nèi)河入海口處，典型的潮汐河段，屬三級航道，常年通行1000t級海輪，亦有3000t級海輪通行。
雙壁銅圍堰是大型深水基礎(chǔ)工程理想結(jié)構(gòu)物，既可起到基礎(chǔ)工程施工時的圍水與施工平臺作用，又可參與部分結(jié)構(gòu)受力。
二、雙壁銅圍堰設(shè)計構(gòu)道要點
雙壁銅圍堰總體構(gòu)造見圖1。
從圖中可以看出，雙壁銅圍堰主要由內(nèi)壁板、外壁板、內(nèi)環(huán)板、外環(huán)板、隔艙板、豎肋和水平斜撐等部分組成。
鋼圍堰在豎向分為9個節(jié)段，其中包括1個刃腳段，3個加強段和5個標準段；每個節(jié)段在平面內(nèi)又分為10個環(huán)段進行設(shè)計、加工和拼裝。在浮運、定位、接高和下沉中要求有較強的自浮能力，圍堰內(nèi)壁必壁及隔艙板等必須保證其水密性。
三、雙壁銅圍堰的計算要點
雙壁銅圍堰在各個階段的主要計算內(nèi)容包括：
1．鋼圍堰隔艙內(nèi)外水頭差的確定
（l）鋼圍堰處于懸浮狀態(tài)時，海平面水位與隔艙內(nèi)水位差；
（2）澆筑鋼圍堰隔艙水下混凝土過程中隔艙內(nèi)外水位差；
（3）鋼圍堰下沉著巖后，鋼圍堰隔艙水位差；
(4）澆筑承臺前進行圍堰內(nèi)抽水時，海平面水位、隔艙內(nèi)水位及圍堰內(nèi)水位控制
2．鋼圍堰雙壁的計算
（1）豎向計算
豎向計算包括多點支撐時剪力、彎矩和扭矩的計算以及豎向抗拉計算。
（2）橫向計算
橫向計算包括波浪力、流水壓力、船撞力以及靜水壓力等的計算。
（3）局部驗算
局部驗算包括局部失穩(wěn)、局部應(yīng)力和雙壁間橫撐的驗算等。驗算的詳細內(nèi)容包括鋼圍堰雙壁的計算、圓環(huán)的計算、水平斜撐的計算、焊縫長度的計算等。
除以上計算內(nèi)容外，還包括：鋼圍堰的下沉與接高計算，鋼圍堰的封底計算，施工階段鋼圍堰的抗浮計算，鋼圍堰刃腳的計算，等等。
根據(jù)以上鋼圍堰的計算內(nèi)容，本文主要針對以下幾點內(nèi)力分析作一簡單介紹。
四、鋼圍堰承登船舶撞擊力的內(nèi)力分析
據(jù)國外有關(guān)資料調(diào)查，船舶撞擊是航道上橋梁倒塌的主要原因之一。為了確保橋梁的安全，橋梁的防撞問題已受到人們的普遍重視。
根據(jù)交通部上海船舶運輸研究所的專題報告《福寧路下白石特大橋主墩撞擊力分析》的結(jié)論：3000t級海輪對橋墩的棧橋向撞擊力為19.OMN，順橋向撞擊力為9.5MN；1000t級海輪對橋墩的橫橋向撞擊力為13.4MN。
1．計算模型
作者運用SuperSAP軟件對鋼圍堰在船舶撞擊力下的內(nèi)力進行分析。單元劃分見圖2。
鋼圍堰高48m，外徑28m，內(nèi)徑25m，壁厚1.5m。在鋼圍堰的內(nèi),外壁貼上 6mm厚的鋼板，內(nèi)、外壁間填充
25號素混凝土。圍堰的下端支撐在基巖上，邊界條件按嵌固狀態(tài)處理。
忽略鋼圍堰水平斜撐、豎肋和內(nèi)、外環(huán)板的影響，共有3840個板單元（鋼）和1920個塊體單元（混凝土）。
2．作用力（作用于單元劃分示意圖中陰影部分）
在1000t級海輪演橋向撞擊力作用下，P＝1340t，撞擊接觸面積A＝8.7平方米；
在3000t級海輪橫橋向撞擊力作用下，P＝1900t，撞擊接觸面積A＝8.7平方米；
3．計算結(jié)果
計算結(jié)果表明：在船舶與鋼圍堰碰撞的局部范圍內(nèi)，混凝土被損壞。即在船舶撞擊力作用下，雙壁銅圍堰將局部損壞。
五、進行承臺施工圍堰內(nèi)抽水時，圍堰內(nèi)外水位差的撞制計算
鋼圍堰施工完成且圍堰封底混凝土完成后，當圍堰內(nèi)抽水，水位降至承合底高程時，圍堰內(nèi)外水位形成一定差值，見圖3。暫取水頭差ΔH＝20m。在這一水頭差作用下，進行鋼圍堰的內(nèi)力計算和穩(wěn)定性分析。
1．在圍堰內(nèi)外水頭差作用下鋼圍堰的內(nèi)力計算
（1）計算模型
本次計算模型同4.1節(jié)的計算模型。
（2）計算結(jié)果（應(yīng)力）
經(jīng)運用SAP軟件分析計算，在20m水頭差作用下，鋼圍堰的壁板（鋼）應(yīng)力σs＝25MPa，
圍堰隔艙內(nèi)混凝土的應(yīng)力σc=2.OMPa。
計算結(jié)果表明，在20m水頭差作用下，鋼圍堰的強度遠遠滿足要求。
2．在圍堰內(nèi)外水頭差作用下鋼圍堰的穩(wěn)定性分析
（1）計算模型
將圍堰中單位高度的一段取出，四周作用均布壓力，壓力值為20m水頭差的水壓值，整個圍堰作為梁單元進行分析（偏安全），計算模型如圖4。
(2)計算結(jié)果
經(jīng)計算，穩(wěn)定安全系數(shù)K＝12.7。
計算結(jié)果表明，在20m高水頭差作用下，鋼圍堰的整體穩(wěn)定性滿足要求。
六、鋼圍堰的內(nèi)外壁板、環(huán)渤、獎勵以及水平外槽的內(nèi)力和穩(wěn)定性計算
施工過程中，雙壁銅圍堰處于懸浮狀態(tài)時，海平面水位高出圍堰隔艙一定值ΔH。在水頭差ΔH作用下，鋼圍堰的內(nèi)外壁板、環(huán)肋、堅助以及水平斜撐的內(nèi)力和穩(wěn)定性計算。
本階段鋼圍堰的受力圖式見圖5。
暫定ΔH＝9m，即圍堰隔艙內(nèi)外水頭蓋為9m。
1．鋼圍堰雙壁間水平斜撐的計算
（l）計算模型
取鋼圍堰1／4圓周部分進行分析，計算模型如圖6所示。
內(nèi)外壁板用板單元模擬，水平斜撐用梁單元模擬。
（2）計算結(jié)果
水平斜撐的最大軸向壓力N＝7.It。
水平斜撐的最大軸向壓應(yīng)力σ＝86.7MPa。
水平斜撐的受壓穩(wěn)定系數(shù)K＝3。
計算結(jié)果表明，在圍堰隔艙9m高水頭差作用下，水平斜揮的強度及穩(wěn)定性均滿足要求。
2．內(nèi)外壁板、環(huán)肋和堅肋的計算
（l）計算模型
取出鋼圍堰中1/20圓周和4.8m高的一部分進行分析，如圖7所示。
內(nèi)、外壁板、環(huán)肋、堅肋均模擬為板單元，水平斜撐仍為梁單元。建立模型時，忽略圓弧的影響。
(2）計算結(jié)果
在9m高水頭差作用下，內(nèi)外壁板、環(huán)肋和堅肋的強度均滿足要求。
七、結(jié)論
經(jīng)過計算分析，雙壁銅圍堰無論在施工下沉過程中，還是承臺施工圍堰內(nèi)抽水時，鋼圍堰都是安全、穩(wěn)定和可靠的，為主墩基礎(chǔ)的施工提供了有力的保證；在運營階段船撞力的作用下，鋼圍堰在局部范圍受到損壞，應(yīng)采取進一步的防控措施。
