某钢吊箱施工过程有限元分析
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© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net第26卷第2期2010年4月结 构 工 程 师StructuralEngineersVol.26,No.2Apr.2010
收稿日期:2009-09-19
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某钢吊箱施工过程有限元分析徐赞云3 徐 伟(同济大学建筑工程系,上海200092)
摘 要 钢吊箱围堰是高桩承台施工的最重要的施工阶段之一,为了确保其安全性,需对钢吊箱施工过程的力学性能进行全面分析。根据崇启长江大桥主墩钢吊箱的施工工艺过程,首先分析了钢吊箱施工过程需要考虑的各种计算工况,然后通过ANSYS软件建立对应的有限元模型,对钢吊箱在各种施工工况下的力学性能进行了分析,给出了在各工况下钢吊箱的受力特性。分析表明:钢吊箱整体设计合理,
在各个施工工况,整体应力水平较低,结构安全可靠,抽水工况为最不利工况。该分析结果对以后钢吊箱设计与施工具有指导意义。关键词 钢吊箱围堰,施工工况,有限元分析,力学性能
FiniteElementAnalysisontheConstructionProcessofASteelSuspensionBoxCofferdam
XUZanyun3
XUWei
(DepartmentofBuildingEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)
Abstract TheconstructionofSteelSuspensionBoxCofferdam(SSBC)isanimportantprocedureforconstructingelevatedpilecap.Toensureitssafety,themechanicalpropertyofSSBCduringitsconstructionprocessshouldbeanalyzedcompletely.BasedontheconstructionofChongqiYangtzeRiverbridgeprimarypierSSBC,theanalysiscaseswerepresented.BytheuseofANSYSfiniteelementanalysissoftware,thecorrespondingfiniteelementmodelwassetupinthearticle.ThemechanicalpropertiesofSSBCinvariousworkingconditionswereanalyzed.TheresultshowsthattheintergraldesignofSSBCisreasonable,thewholestresslevelislowineveryworkingcondition,thestructureissafeandreliableandwaterpumpingistheworstworkingcondition,whichwilldohelpthedesignandconstructionofSSBCinthefuture.Keywords steelsuspensionboxcofferdam,constructionbehavior,finiteelementanalysis,mechanicalproperty
1 引 言钢吊箱围堰是桥梁施工方法中属于钢套箱围堰+钻孔桩围堰中的一种,是深水基础特别是深水高桩承台施工中较常见的结构形式。其施工过程是一系列连续的受荷过程,且其结构复杂、自重大、施工周期长、施工环境复杂,结构受力状况难以确定,因此,如何对其施工过程进行力学分析,以确定钢吊箱的受力性能是需要高度关注的问题之一。以往对钢吊箱的有限元分析采取了很多简化的方法,如在浇筑封底混凝土工况时并没有建立钢管桩和封底混凝土的模型,而是仅仅通过约束部分侧壁板和底板的自由度[1]来简化处理,有一定的缺陷。本文根据崇启大桥的施工特点,建立了各工况对应的有限元模型,取得了单璧钢吊箱的施工过程力学特性。
2 工程概况崇启长江公路大桥位于江苏省东南部、上海市北部、长江入海口附近,北起宁通启高速公路,© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
跨江后与沪崇苏越江通道相接,是江苏省骨架公路网中沿海高速公路的重要组成部分。主墩用整体式承台,2#～6#墩为主墩。承台顶标高+2.0m,底标高-2.0m。主墩承台长37.1m,宽16.5m,四周设半径为4.0m的倒角。桩基分别采用32根直径1.6m钢管桩,钢管桩斜率分别为6∶1,8∶1,10∶1,平面角为0°～80°。钢管桩嵌入承台1.2m。采用单壁有底钢吊箱为承台施工提供干作业环境。吊箱的外形尺寸37.2m×16.6m×9.1m。结构图如图1—图3所示。图1 钢吊箱平面结构布置图Fig.1 Planofsteelsuspensionboxcofferdam图2 钢吊箱A2A剖面图Fig.2 A2Asectionofsteelsuspensionboxcofferdam图3 钢吊箱B2B剖面图Fig.3 B2Bsectionofsteelsuspensionboxcofferdam3 施工过程和设计水文条件3.1 钢吊箱施工流程1)起吊、下放、定位钢吊箱将钢管桩桩顶割除至-0.45m标高处,安装支撑牛腿。选择气象条件良好时起吊下放钢吊箱。在钢吊箱壁体顶部周圈布置4个吊耳,并安装钢管撑,在吊箱长边侧布置1台浮吊,浮吊吊钩应位于吊箱中心处,吊索与水平面夹角不得小于65°。钢吊箱起吊时应均匀受力,并在吊索上安装测力设施,将钢吊箱吊出水面时应检查各吊索受力情况,每个吊索受力不得超过130t。垂直将钢吊箱起吊至钢管桩上方0.5m时,调整钢吊箱位置,使钢吊箱底板孔位与钢护筒对正后缓慢下放钢吊箱。钢吊箱就位后根据现场情况对吊箱进行水平面方向的定位措施,待钢吊箱平面定位后缓慢放下吊箱至挑梁搁置在支撑牛腿上,并将挑梁与支撑牛腿的上垫板采用焊脚尺寸h
f=10mm
的连续
角焊缝焊接好。2)浇筑封底混凝土
浇筑封底混凝土前应清除钢管桩表面淤泥及底板梁格中的淤泥,并封闭吊箱底板与钢管桩间的缝隙,防止混凝土淌漏。打开连通器,浇筑1.6
m厚封底混凝土。3)抽水
待封底混凝土达到设计强度时,在使钢吊箱内的水全部排出后封闭连通器。4)浇筑第一层承台混凝土1.2m抽水完成后,绑扎第一层承台钢筋,浇筑第一层承台混凝土1.2m。
3.2 设计水文资料设计高潮位:+4.31m(20年一遇)。设计低潮位:-2.41m(20年一遇)。波浪:波高H=0.5m波浪周期T=3.2s(起吊、下放、浇筑封底混凝土、浇筑承台)。波高H=0.8m波浪周期T=4.0s(抽水)。设计流速:2.0m/s。起吊风速:13.6m/s。
4 工 况根据施工阶段的受力特点,计算工况分为以下6个:①钢吊箱空中起吊时,此时由浮吊将预置好的钢吊箱进行吊装;②钢吊箱整体下放就位,此时吊箱仍由吊点提供支撑力;③钢吊箱整体吊入桩群,此时吊箱从由吊点支撑转变为由钢管桩支撑;④钢吊箱未抽水浇筑1.6m封底混凝
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土阶段;⑤钢吊箱抽水完成阶段;⑥浇注第一层1.2m承台阶段。5 钢吊箱计算模型由于钢吊箱结构的构件数量众多,结构空间效应明显,采用二维有限元简化模型难以达到理想的效果。因此,采用三维有限元建模,从而对各个施工工况下钢吊箱的受力状况进行分析。根据实践经验发现钢吊箱结构变形通常不大,绝大部分构件只发生小变形,只有极少数部分局部构件发生塑性变形从而产生应力重分布。因此,本文吊箱材料的本构关系采用线弹性本构关系。5.1 参数取值钢材:弹性模量E=2.1×105MPa,泊松比μ=0.3,密度ρ=7850kg/m3。封底素混凝土:弹性模量E=3.0×104MPa,泊松比μ=0.2,密度ρ=2400kg/m3。5.2 单元选取根据钢吊箱的实际结构情况,采用的单元主要有板壳单元、梁单元、体单元和表面效应单元。板壳单元shell63用于吊箱壁板、底板和钢管桩。根据构件的实际布置情况,并考虑其偏心设置,beam188梁单元用于壁板的水平环向梁、纵向次梁、底板的主梁、次梁、挑梁、吊杆和钢管内支撑。在工况5与工况6时,因要建立封底混凝土的模型,而封底混凝土几何模型并不规则,为划分网格方便,使用具有中节点的solid92单元,为了与solid92单元协调,此时使用的beam188单元改为beam189单元。为了施加特定方向梯度荷载如风载、波浪力,在侧板面和钢管桩已形成的面单元上施加表面效应单元surf154。由于梁梁连接、梁板连接均采用焊接,焊缝数量多,因此吊箱各个构件之间的连接采用刚接而非铰接,采用共节点的方式处理。因本文研究的主要对象为钢吊箱的受力状况,因而对封底混凝土与钢管桩和底板与侧板的连接均考虑为刚接,以共节点的方式处理。工况5与工况6的整体有限元模型见图4,工况3与工况4的整体有限元模型在图4基础上删除封底混凝土,工况1与工况2的整体有限元模型在图4的基础上删除封底混凝土和钢管桩。图5为钢吊箱局部有限元模型。X,Y,Z分别为长度、宽度和深度方向。
图4 钢吊箱整体有限元模型Fig.4 Modelofsteelsuspensionboxcofferdam
图5 钢吊箱局部有限元模型Fig.4 Partmodelofsteelsuspensionboxcofferdam
5.3 约束条件钢吊箱各个工况下的约束情况是复杂的,只能采取相应的简化来模拟真实的约束条件。工况1与工况2约束吊点处节点自由度。工况3与工况6钢管桩模型建到河床底为止,同时约束钢管桩桩底所有节点的自由度。
5.4 荷载(1)自重荷载:各构件自身结构重量,在
ANSYS中以施加惯性加速度9.8m/s2施加重力
荷载。(2)风荷载:按起吊钢吊箱施工期间可能出
现的最大风速13.6m/s考虑,参考《港口工程荷载规范》[2]和《建筑结构荷载规范》[3],可得作用
在钢吊箱迎风面、顺风面、背风面的风压为分别为0.13kPa,0.16kPa,0.16kPa。(3)水流荷载:参照《港口工程荷载规范》可
