【摘要】本文運(yùn)用有限元分析方法，著重對(duì)雙壁銅圍堰在施工階段水壓力作用下和運(yùn)營(yíng)階段船撞力作用下的受力進(jìn)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?yàn)楦＝ㄊ「６χ翆幍赂咚俟返年P(guān)鍵性控制工程。下白石大橋全長(zhǎng)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?？谔?，典型的潮汐河段，屬三級(jí)航道，常年通行1000t級(jí)海輪，亦有3000t級(jí)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(shí)的圍水與施工平臺(tái)作用，又可參與部分結(jié)構(gòu)受力。

二、雙壁銅圍堰設(shè)計(jì)構(gòu)道要點(diǎn)
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(gè)節(jié)段，其中包括1個(gè)刃腳段，3個(gè)加強(qiáng)段和5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段；每個(gè)節(jié)段在平面內(nèi)又分為10個(gè)環(huán)段進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工和拼裝。在浮運(yùn)、定位、接高和下沉中要求有較強(qiáng)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(jì)算要點(diǎn)
雙壁銅圍堰在各個(gè)階段的主要計(jì)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(shí)，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(tái)前進(jìn)行圍堰內(nèi)抽水時(shí)，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(jì)算
（1）豎向計(jì)算
豎向計(jì)算包括多點(diǎn)支撐時(shí)剪力、彎矩和扭矩的計(jì)算以及豎向抗拉計(jì)算。
（2）橫向計(jì)算
橫向計(jì)算包括波浪力、流水壓力、船撞力以及靜水壓力等的計(jì)算。
（3）局部驗(yàn)算
局部驗(yàn)算包括局部失穩(wěn)、局部應(yīng)力和雙壁間橫撐的驗(yàn)算等。驗(yàn)算的詳細(xì)內(nèi)容包括鋼圍堰雙壁的計(jì)算、圓環(huán)的計(jì)算、水平斜撐的計(jì)算、焊縫長(zhǎng)度的計(jì)算等。
除以上計(jì)算內(nèi)容外，還包括：鋼圍堰的下沉與接高計(jì)算，鋼圍堰的封底計(jì)算，施工階段鋼圍堰的抗浮計(jì)算，鋼圍堰刃腳的計(jì)算，等等。
根據(jù)以上鋼圍堰的計(jì)算內(nèi)容，本文主要針對(duì)以下幾點(diǎn)內(nèi)力分析作一簡(jiǎn)單介紹。

四、鋼圍堰承登船舶撞擊力的內(nèi)力分析
據(jù)國(guó)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(yùn)輸研究所的專題報(bào)告《福寧路下白石特大橋主墩撞擊力分析》的結(jié)論：3000t級(jí)海輪對(duì)橋墩的棧橋向撞擊力為19.OMN，順橋向撞擊力為9.5MN；1000t級(jí)海輪對(duì)橋墩的橫橋向撞擊力為13.4MN。
1．計(jì)算模型
作者運(yùn)用SuperSAP軟件對(duì)鋼圍堰在船舶撞擊力下的內(nèi)力進(jìn)行分析。單元?jiǎng)澐忠妶D2。

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(hào)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(gè)板單元（鋼）和1920個(gè)塊體單元（混凝土）。
2．作用力（作用于單元?jiǎng)澐质疽鈭D中陰影部分）
在1000t級(jí)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(jí)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(jì)算結(jié)果

計(jì)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(jìn)行承臺(tái)施工圍堰內(nèi)抽水時(shí)，圍堰內(nèi)外水位差的撞制計(jì)算
鋼圍堰施工完成且圍堰封底混凝土完成后，當(dāng)圍堰內(nèi)抽水，水位降至承合底高程時(shí)，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(jìn)行鋼圍堰的內(nèi)力計(jì)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(jì)算
（1）計(jì)算模型
本次計(jì)算模型同4.1節(jié)的計(jì)算模型。
（2）計(jì)算結(jié)果（應(yīng)力）
經(jīng)運(yùn)用SAP軟件分析計(jì)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(jì)算結(jié)果表明，在20m水頭差作用下，鋼圍堰的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jì)算模型
將圍堰中單位高度的一段取出，四周作用均布?jí)毫Γ瑝毫χ禐?0m水頭差的水壓值，整個(gè)圍堰作為梁?jiǎn)卧M(jìn)行分析（偏安全），計(jì)算模型如圖4。

(2)計(jì)算結(jié)果
經(jīng)計(jì)算，穩(wěn)定安全系數(shù)K＝12.7。
計(jì)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(jiǎng)勵(lì)以及水平外槽的內(nèi)力和穩(wěn)定性計(jì)算
施工過程中，雙壁銅圍堰處于懸浮狀態(tài)時(shí)，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(jiān)助以及水平斜撐的內(nèi)力和穩(wěn)定性計(jì)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(jì)算
（l）計(jì)算模型
取鋼圍堰1／4圓周部分進(jìn)行分析，計(jì)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?jiǎn)卧M。
（2）計(jì)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(jì)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(qiáng)度及穩(wěn)定性均滿足要求。
2．內(nèi)外壁板、環(huán)肋和堅(jiān)肋的計(jì)算
（l）計(jì)算模型
取出鋼圍堰中1/20圓周和4.8m高的一部分進(jìn)行分析，如圖7所示。

內(nèi)、外壁板、環(huán)肋、堅(jiān)肋均模擬為板單元，水平斜撐仍為梁?jiǎn)卧?。建立模型時(shí)，忽略圓弧的影響。
(2）計(jì)算結(jié)果
在9m高水頭差作用下，內(nèi)外壁板、環(huán)肋和堅(jiān)肋的強(qiáng)度均滿足要求。

七、結(jié)論
經(jīng)過計(jì)算分析，雙壁銅圍堰無論在施工下沉過程中，還是承臺(tái)施工圍堰內(nèi)抽水時(shí)，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(yùn)營(yíng)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(jìn)一步的防控措施。