（工程力学专业论文）钢围堰非线性有限元分析与Marc二次开发.pdf

钢围堰非线性有限元分析与m a r c 二次开发 摘要 随着跨越江河湖海的桥梁的施工建设，深水基础向更大更深的方向发展， 水下墩台的施工是整个施工过程的重要技术环节。在江阔、水深、流急的条件 下，钢围堰作为形成承台干旌工环境的临时围水结构物，同时作为承台混凝土 浇筑的侧面模板，其施工规模是空前的。由于围堰结构的规模大，所受载荷复 杂以及本身在载荷作用下的非线性，存在着许多不确定性因素，因此有必要对 其进行深入的研究。 桥梁深水基础钢围堰( 吊箱) 施工中封底混凝土的施工是关键工序。从不 同施工工况出发，考虑封底混凝土与桩基钢护筒间的非线性接触，通过建立三 维有限元模型，研究桩基间距、钢护筒直径、桩基根数及围堰入水深度对粘结 力的影响，找出影响封底混凝土厚度的主要因素，并以此指导封底混凝土厚度 的确定。 以一单双壁组合钢围堰为例，考虑静水压力、土压力、动水压力，选取封 底混凝土施工结束、抽水过程、抽水结束承台旌工前、墩柱施工前支撑转换等 重要施工工序为计算工况，利用m a r c 软件对钢围堰进行整体非线性有限元分 析和屈曲失稳分析。通过分析发现结构设计中的薄弱部位，并采取相应措旎进 行加强。 m a r e 软件具有良好的扩展性能，针对实际问题，介绍了子程序的使用和自 定义菜单的开发，并成功应用于多个项目研究中，取得了较好的效果。 论文研究工作表明，采用有限元方法对了解封底混凝土的受力状态和确定 厚度有着很好的效果；运用大型有限元程序对钢围堰结构体系进行非线性有限 元分析和屈曲失稳分析，其分析结果具有现实意义。 关键词：钢围堰，有限单元法，非线性，屈曲失稳，m a r c ，二次开发 a n a l y s i so i ls t e e lc o f f e r d a mw i t hn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n t m e t h o da n ds e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fm a r c a b s t r a c t w i t ht h ec r o s s - r i v e rl a k e s ，a n ds e a sb u i l d i n go ft h eb r i d g ec o n s t r u c t i o n ，d e e p - w a t e r f o u n d a t i o nt od e v e l o pi nt h ed i r e c t i o no fg r e a t e ra n dd e e p e r ，t h ec o r t s l r u c f i o no f u n d e r w a t e rp i e r sa n da b u t m e n t si st h ei m p o r t a n tt e c h n i c a la s p e c t st h r o u g h o u tt h e w h o l ec o n s t r u c t i o np r o c e s s t h ef i v e rw i d t h ，d e p t h ，f l o wu r g e n tc o n d i t i o n s ，t h es t e e l c o f f e r d a ma sat e m p o r a r ys t r u c t u r et op r e v e n tw a t e rc r e a t i n gaa n h y d r o u se n v i r o n m e n t f o rt h ep l a t f o r mc o n s t r u c t i o na n da saf o r mo fs i d et e m p l a t ef o rp l a t f o r mc o n c r e t e p o u t i n g ，t h es c a l eo fi t sc o n s t r u c t i o ni su n p r e c e d e n t e d b e c a u s eo ft h el a r g es c a l e s t r u c t u r eo ft h ec o f f e r d a m ，a sw e l la si t so w nc o m p l e xl o a da n dt h en o n l i n e a rf o r m u n d e rl o a d s ，t h e r ea r em a n yu n c e r t a i nf a c t o r s t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt oh a v ea f u r t h e rs t u d yo ft h ec o f f e r d a m 硼1 es u b s e a l i n gc o n c r e t ec o n s t r u c t i o ni st h ek e yp r o c e s si nt h es t e e lc o f f e r d a m ( s u s p e n s i o n - b o x ) c o n s t r u c t i o nf o rt h eb r i d g ed e e p - w a t e rf o u n d a t i o n s t a r t i n gf r o m d i f f e r e n tc o n s t r u c t i o ns t e p s ，c o n s i d e r i n gt h en o n l i n e a rc o n t a c tb e t w e e ns t e e lc o f f e r d a m u b s e a l i n gc o n c r e t ea n dp i l es t e e lp i p e , r e s e a r c ht h ep i l es p a c i n g ，t h es t e e lp i p ed i a m e t e r , t h e m t r n b e ro fp i l ea n dt h ed e p t ho fc o f f e r d a mi nw a t e ro nt h ei m p a c to fb o n dl o a dt h r o u g h b u i l d i n gt h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e l a n df i n do u tt h em a i nf a c t o r so f w h i c h t h ep i l ea f f e c t st h et h i c k n e s so fu b s e a l i n gc o n c r e t e i tg u i d e st od e t e r m i n et h et h i c k n e s so f t h es u b s e a l i n gc o n c r e t e t a k i n gas i n g l ed o u b l e w a l lc o m b i n e ds t e e lc o f f e r d a ma sa ne x a m p l e ，c o n s i d e rt h e h y d r o s t a t i cp r e s s u r e ，t h ee a r t hp r e s s u r ea n dt h eh y d r o d y n a m i cp r e s s u r e ，s e l e c tt h e e n do fs u b s e a l i n gc o n c r e t ec o n s t r u c t i o n ，p u m p i n gp r o c e s s ，t h ee n do fp u m p i n g p r e - c o n s t r u c t i o n ，c o n s t r u c t i o no fp i e rb e f o r et h ec o n v e r s i o n ，a n do t h e ri m p o r t a n t s u p p o r tf o rt h ec a l c u l a t i o no ft h ep r o c e s s e so ft h es t a t u s ，u s i n gm a r ep r o g r a mt od o t h eo v e r a l ln o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n db u c k l i n gi n s t a b i l i t ya n a l y s i sf o r t h es t e e lg o f i e r d a m t h r o u g l lt h ea n a l y s i sf o u n dt h ew e a kp o s i t i o ni nt h es t r u c t u r a l d e s i g n ，a n dt a k ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e st os t r e n g t h e n m a r cs o f t w a r eh a sag o o de x t e n d e dp e r f o r m a n c e , i nv i e wo fp r a c t i c a lp r o b l e m s ，i t i 1 1 仃o d u c e dt h eu s eo fs u b r o u t i n ea n dt h ed e v e l o p m e n to fu s e r - d e f i n e dm e n u t h e s e s u c c e s s f u l l ya p p l i e di nan u m b e ro fr e s e a r c hp r o j c o t s ，a n da c h i e v e dg o o de f f e c t s ， t h e s e ss t u d i e ss h o wt h a tu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dt ou n d e r s t a n dt h e f o r c e ds t a t ea n dd e t e r m i n et h et h i c k n e s so ft h es u b s e a l i n gc o n c r e t eh a sv e r yg o o d r e s u l t s ；u s e dl a r g ef i n i t ee l e m e n tp r o g r a mf o rs t e e ls t r u c t u r a lc o f f e r d a ms y s t e m n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n db u c k l i n gi n s t a b i l i t ya n a l y s i s ，t h er e s u l t sh a v e p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：s t e e lc o f f e r d a m ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；n o n l i n e a r ；b u c k l i n gi n s t a b i l i t y ；, m a r c ； s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t 插图清单 图1 1围堰载荷类型8 图2 1 矩形双线性单元1 1 图2 2 空间梁单元1 2 图2 3 八节点六面体单元1 3 图2 - 4 单轴拉伸试验1 5 图2 5平衡路径的分叉点1 7 图2 6 形结构的后屈曲1 7 图2 7 完全n r 法求解示意图1 9 图2 8 修正n - r 法求解示意图1 9 图3 1 工况2 荷载示意图2 4 图3 2 桩基平面布置图2 4 图3 3有限元模型2 5 图3 - 4 桩基间距对粘结应力的影响2 7 图3 5 桩基根数对粘结应力的影响2 7 图3 - 6 护简直径对粘结应力的影响2 7 图3 7 入水深度对粘结应力的影响2 7 图4 1围堰结构a a 剖面示意图3 l 图4 2 围堰结构支撑转换前平面图3 2 图4 3 围堰结构支撑转换后平面图3 2 图4 4 桩基平面布置3 4 图4 5 围堰整体模型3 5 图4 _ 6 工况l 水平荷载示意图3 6 图4 7 工况1 整体位移3 6 图4 8 工况1 梁单元应力3 6 图禾9 工况1 板单元应力3 6 图4 - 1 0 工况2 抽水至1 6 1 6 2 m 水平荷载示意图3 7 图4 - 1 1 工况2 抽水至1 1 1 6 2 m 水平荷载示意图3 7 图4 - 1 2t 况2 抽水至6 1 6 2 m 水平荷载示意图3 7 图4 - 1 3 工况2 抽水至1 6 1 6 2 m 整体位移3 8 图4 - 1 4 工况2 抽水至1 6 1 6 2 m 梁单元应力3 8 图4 - 1 5 工况2 抽水至1 6 1 6 2 m 板单元应力3 8 图4 - 1 6 工况2 抽水至1 1 1 6 2 m 整体位移3 8 图4 - 1 7 工况2 抽水至1 1 1 6 2 m 梁单元应力3 9 图4 - 1 8 工况2 抽水至1 1 1 6 2 m 板单元应力3 9 图4 - 1 9 工况2 抽水至6 1 6 2 m 整体位移3 9 图4 - 2 0 工况2 抽水至6 1 6 2 m 梁单元应力3 9 图4 - 2 1 工况2 抽水至6 1 6 2 m 板单元应力4 0 图4 2 2 工况3 水平荷载示意图4 0 图4 2 3 工况3 整体位移4 0 图4 2 4 工况3 梁单元应力4 1 图4 2 5 工况3 板单元应力4 1 图4 2 6 工况4 整体位移4 1 图4 2 7t 况4 梁单元应力4 1 图4 - - 2 8 工况4 板单元应力4 2 图4 - 2 9 工况4 屈曲模态1 4 4 图4 - 3 0 工况4 屈曲模态2 4 4 图4 - 3 1 工况4 屈曲模态3 “ 图5 。1m s c m a r c 梁单元截面定义菜单5 4 图5 2 工字钢截面5 5 图5 3 定制后梁单元截面定义菜单l 6 0 图5 - 4 截面参数定义6 1 图5 5 定制后梁单元截面定义菜单2 6 1 表3 - 1 表3 - 2 表3 - 3 表3 - 4 表3 5 表3 - 6 表3 7 表4 1 表4 2 表4 3 表格清单 桩基间距对粘结应力影响2 5 桩基根数对粘结应力影响2 5 护简直径对粘结应力影响2 6 入水深度对粘结应力影响2 6 与桩基间距三相关的系数c 2 8 与护筒直径d 相关的系数砚2 8 与入水深度日相关的系数岛2 8 分析工况统计表3 3 各工况位移和应力结果4 2 各模态屈曲失稳l 临界系数4 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金毽王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材科。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签字：丁钮殍乎字日期：帅胡，z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥筵王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒8 b 王些太 堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：了乞敞 导师签名：丽 、 签字日期：w 9 年，月，- 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 矗 签字嗍：吵钳硐朋 电话；f j r f r t f 弓7 l r 邮编： 致谢 本论文是在导师方诗圣教授的悉心指导下完成的。无论是在生活方面，还 是在学习研究方面，本人都得到方老师热情无私的帮助和指导。方老师渊博的 专业知识、严谨的治学态度和孜孜不倦的科研精神给作者留下了深刻的印象。 同时，方老师积极开朗、乐观向上的生活态度也对我的学习生活产生深厚的影 响。值此论文完成之际，谨向方老师表示最崇高的敬意和由衷的感谢f 感谢土建学院的领导和老师，特别是王建国教授、杨伯源教授。在繁忙的 工作中，抽出时间，对论文进行指导。 感谢同窗好友柳彬彬、凡大林等同学学习与生活上的帮助，同窗数载建立 的友谊终生难忘。 感谢师兄许在明、谢枫，师妹宋亚，师弟胡荣金、王向阳、咸玉席、桑健 权、夏正压等的帮助，与他们一起讨论问题，解决问题使我得到了不断的进步。 向一直以来，关心我及在成长过程中给予我支持和帮助的老师、同学和朋 友表示衷心的感谢和诚挚的问候! 借此机会我还要深深感谢父母含辛茹苦的养育之恩，正是由于父母生活中 给我的谆谆教诲和学业上对我一如既往的支持和鼓励，才使得我在人生道路上 步一步的不断成长。 作者：丁仕洪 2 0 0 7 年1 1 月 第一章绪论 1 1 概述 中国古代为了供生活用水或灌溉农田，各地都有掘井工程。西方国家从1 9 世纪后兴建了多座大型桥梁，在基础工程中发展了掘并技术，在桥台或桥墩下 建造了多种沉井、钢板桩围囹、( 吊箱) 围堰。这些深水施工的围护结构的出 现，使得跨越江河湖海的桥梁施工技术逐渐成熟。 随着国民经济建设的稳定发展，基础建设项目逐年增多，各类工程建设规 模也日益扩大，重大项目包括高耸结构、大跨结构、地下洞室群、深水基础、 高坝、跨海工程等目益增多，它们的共同特点是施工规模大、范围广、周期长、 过程复杂，其中典型之一即为大型深水基础【。 由于水下施工非常困难，一般设法在水下构筑物的周围建设特定的围护结 构。这些围护结构开始多用于铁路和桥梁工程基础，以后在水工结构，特别是 市政工程中的给、排水泵站中多有应用。将其应用到建筑工程较晚，随着高层 建筑的蓬勃兴建，在建筑基础及基础开挖的防护工程中都有围护工程的应用。 1 2 国内外研究现状 l ，2 1 围堰结构研究现状 围堰作为一种水下施工的围护结构，其计算方法主要包括物理模拟法、近 似简化法和数值模拟法。物理模拟法是通过现场及室内模拟试验，利用相似原 理进行模拟的，由于围护工程中有许多难以模拟和不可预测因素，因此物理模 拟方法多用于科研和理论研究，很少直接应用于实际工程。近似简化法通过对 围堰的结构体系进行一定的假设( 如假定各构件材料均处于弹性状态，外围压 力按线性加载，不考虑构件的大位移大转动引起的几何非线性，不考虑围堰构 件的整体性等) ，按照结构力学公式对构件的应力和位移进行求解。数值模拟 法利用有限元方法建立围堰的整体模型，考虑结构的空间作用，对材料赋予弹 塑性本构，充分考虑大位移大转动引起的几何非线性，在此基础上对围堰的强 度、刚度和稳定性进行分析。数值模拟法较之近似简化法的计算精度大大提高， 这样能更好的反应围堰体系的受力状态，有利于了解其力学性能。在数值模拟 法基础上得到的构件参数更安全、更经济。 一种新的结构形式的出现，都需要一定的实验结果作为应用推广的保证。 同时，为了更好的了解结构在特定环境下的工作状态，也需要对结构进行模拟 试验。在围堰结构出现之初，国内进行了许多试验来了解这种结构形式的力学 性能。黄石长江大桥【2 】在主墩建造时，对施工用钢围堰的下沉进行了模拟试验 研究。通过试验监测，了解缆绳拉力变化规律，控制钢围堰的下沉深度，及时 纠正倾斜，为实际施工时的围堰下沉提供了试验依据。文献1 3 - 5 1 通过室内试验 对钢板桩围堰的受力性能做了研究，同时基于梁的理论。根据相邻钢板桩受力 发生之间的相对位移，提出了一种数值方法，用于计算一种特定情况下钢板桩 的变形和弯矩，但这种特定情况并不适用于一般工程，确切而实用的方法有待 于进一步的研究。 有时，围堰体型较小，没有必要对其进行整体分析；或施工工期紧张，进 行整体有限元分析的时间不允许。在这些时候，需要运用经验公式对结构进行 一些必要的计算，结构的计算基本都建立在近似简化的基础上。对于钢围堰， 把结构视作梁板体系，荷载主要考虑水压力( 入土围堰考虑土压力作用) 。如 印家坡梅江1 号大桥1 6 1 3 号墩施工钢围堰，为内径1 2 m 、外径1 4 m 、高1 6 8 m 的圆 形结构，在设计计算时仅考虑双壁钢围堰外壁静水压力作用，取单位高度的水 平圆环作为计算计算单元，按照等价梁对结构进行受力计算。验算了水平桁架 和壁板的主压应力和弯曲应力，考虑了水平桁架和壁板在环向荷载的作用下的 剪切破坏。加劲肋简化为支承在水平桁架上的三跨连续梁，验算其弯曲应力。 封底混凝土按四边简支支承圆板检算。同位于渝怀铁路线上的长寿长江特大桥 门1 6 号墩深水基础高桩承台的施工采用了双壁吊箱钢围堰，利用受力平衡方程对 结构进行了受力分析。在围堰排完水后，认为钢围堰依靠封底混凝土与钢护筒 的粘结力以及钢护筒自身重量、封底混凝土重量克服江水浮力作用：承台混凝 土分两次浇筑，灌注第一次承台混凝土时，钢围堰依靠封底混凝土与钢护筒的 粘结力和江水的浮力来克服钢护筒自身重量；灌注第二次承台混凝土时，第一 次灌注的承台和桩基承受上部承台重量。呼准铁路黄河特大桥【s j 在施工时利用 嵌岩双壁钢围堰解决了流速大、覆盖层处深水基础的旌工难题。围堰计算荷载 考虑静止水压力和静止土压力，将壁板和横向加劲肋看成一个整体受力结构， 按支撑在竖向加劲肋上的多跨简支连续板计算。将竖向加劲肋简化成支撑在水 平桁架上的多跨连续梁进行计算，水平桁架所受荷载转化为结点荷载，取微小 单元计算。 b a n e r j e , ，s ，m u l e s h k o v ，a 一j 和s u n i r m a ib a n e r j e e t ”】在第一类和第三类椭圆 积分的基础上，利用复变数技术对双壁围堰进行了二维分析，研究围堰的渗流。 d m a t t h c ws t u a r t 【l ”在文中介绍了用于沿海施工的钢板桩结构，对钢板桩墙的 埋置深度和锚固系统进行了分析，验算其实际弯曲应力不超过容许应力。认为 在安全方面主要考虑钢板桩的最小埋置深度。p d eb u h a n 和a c o r f d i r 1 2 j 把轴对 称壳的极限设计理论运用于围堰，以线性变压力模拟回填材料，考虑不同的边 界条件，并对结果进行了讨论，认为对围堰结构受力最显著的影响因素是壳体 的相对厚度。 在围护深度比较小的时候，采用双壁钢围堰不符合经济性要求，一般采用 单壁钢围堰或钢板桩围堰的形式。文献【”】中钢板桩围堰外侧设置钢环，以防围 堰炸裂。计算时考虑静水压力、水流冲击力、波浪力、风力及漂流物撞击力等 外荷载，以单位宽度钢板桩作为计算单元，验算钢板桩的强度以及钢环的强度 2 和稳定性。文献 1 4 , 1 5 】在进行钢板桩围堰最小入土深度计算时，假定认为在土质 不密实或桩的入土较浅时，板桩的下端易变位，设定下端为简支状态；当土质 密实或桩入土较深时，板桩的下端不易变位，设定下端是弹性嵌固支承状态， 此时钢板桩作为一端嵌固的连续梁，采用等值梁法计算。把围堰和支撑作为一 个整体，简化为一封闭刚架，周边承受均布荷载，并利用对称性取1 4 模型进行 计算。秦淮河三汊河口闸工程【1 6 】也采用了钢板桩围堰，堰身为袋装吹填土。在 主动土压力、被动土压力和水压力的作用下，利用经验公式求解钢板桩的最小 入土深度。同时，对围堰的抗剪、抗倾覆、抗滑、地基承载力、拉杆强度以及 整体稳定进行了验算。通过设计优化，堰身采用袋装吹填土，减少了填土对钢板 桩的水平侧压力，使钢板桩长度比原回填土方案缩短了约3 0 ，同时降低了施工 难度。大大缩短了围堰施工时间和造价。 大跨度斜拉桥的施工中，为了保证桥梁结构施工安全，通常要设置临时墩。 临时墩的设置充分利用原有围护结构，这种围护结构的允许在洪水来l 临时被淹 没，即淹没式围护结构。如湖北鄂黄长江公路大桥【1 7 】临时墩采用淹没式单壁钢 围堰进行施工。围堰尺寸位3 2 2 r e x 5 8 m ，高9 0 m ，底、顶各浇2 0 m 厚混凝土， 中间填砂5 0 m 。次梁和面板按五跨连续梁计算，主梁按简支梁计算，对主要构 件进行了强度校核。 随着有限元理论的发展，计算机技术的日益成熟，各种大型分析软件的开 发和利用，钢围堰的设计和计算方法发生改变，数值模拟法得到了广泛应用。 计算机技术的发展，使更精确的方法应用于实际工程成为可能，也为处理 各种复杂、计算量大的问题提供了便利。目前对围堰结构力学性能的分析主要 利用软件通过计算机处理，这类软件应用较多的有a n s y s 、s a p 、m i d a s 、 m a r c 等。钱江五桥【1 8 1 1 1 号主墩承台双壁钢围堰平面内尺寸设计1 2 2 2 m x 2 5 5 0 m ， 高1 6 0 m 。计算荷载考虑静水压力、流水压力、涌潮压力、风力。采用s a p 有限 元软件，对钢围堰进行三维模拟分析，并进行钢围堰下沉过程计算。钢围堰下 沉过程的计算包括下沉系数、钢围堰刃脚挠曲应力、上浮计算、封底混凝土计 算、封底混凝土地基承载力计算及围堰土内隆起计算。钱江四桥【旧l 主墩承台采 用双壁钢围堰进行设计施工，钢围堰平面尺寸为4 7 8 m x l 6 2 r a ，壁厚为1 2 m ， 刃脚高为1 5 m ，总体高度为1 3 0 m ，平面为八角形结构。采用s a p 2 0 0 0 程序计算， 考虑荷载有水平水压力、涌潮压力和竖向浮力，取封底后钢围堰底为固接，竖 向杆件和水平环向杆件节头为固接，水平斜杆端头为铰接，内支撑两端为铰接。 验算工况了围堰下沉、接高、抽水等五种工况。安庆长江公路大桥1 2 0 】两座主塔 墩均采用双壁钢围堰大直径钻孔桩复合基础，双壁钢围堰外径3 2 m ，内径2 9 m 壁厚1 5 m 。围堰总高度分别为5 9 0 m 和5 1 0 m 。封底混凝土厚度为7 0 m 。采用 s a p 8 4 对不同施工工况进行了计算，荷载考虑了风荷载、系缆力、浮力、水流 力、静水压力、隔舱内混凝土压力及钢围堰自重荷载等。具体计算内容包括抗 倾覆稳定验算；抗滑稳定验算；封底前钢围堰底地基承载力计算；封底混凝土 厚度计算；封底混凝土强度计算；钢围堰下沉、着床、封底及抽水浇筑承台等 工况的钢围堰局部强度验算。陶乐黄河特大桥】主墩双壁钢围堰内径为2 0 2 m ， 外径为2 2 6 m ，总体高度8 4 m 。将钢围堰面板所承受的水压力、土压力转化为 节点力，约束条件取封底后钢围堰底为固接、水平桁架和竖向桁架节头为固接。 对封底抽水完钢围堰的受力进行了分析。杭州湾跨海大桥【2 2 】南滩涂区承台钢吊 箱围堰在设计之初对单壁钢围堰、钢板桩围堰、钢吊箱围堰三种围护结构方案 进行了比选，确定采用钢吊箱围堰方案。钢吊箱采用夺1 1 2 m 圆形结构，高7 0 m ， 封底采用0 5 m 厚c 3 0 混凝土。利用m i d a s 软件，对三种工况( 封底混凝土浇筑 完低潮位时底板受力阶段、封堵减压孔后承台施工前最高潮位阶段、承台浇筑 完时最低潮位阶段) 进行模拟分析，验证了结构在施工过程中是安全的。某长 江大桥【2 3 l 承台施工用双壁钢吊箱围堰，几何尺寸为2 9 0 m ( 长) 1 5 5 m ( 宽) 2 5 _ 8 m ( 高) 1 ，5 m ( 隔舱厚) ，施工时围堰内外最大水头高差达2 1 4 4 2 m 。主要计算荷载 包括静水压力、动水压力、浪击力及施工荷载等。选取围堰内抽干水施工承台 前、施工承台两种工况，采用通用有限元分析程序a n s y s 建立了三维整体模型， 模型底面按全约束处理，考虑了结构各部分的协同工作，对结构进行了极限承 载力分析。得出钢吊箱隔舱内壁的高应力区域主要集中在倒角处而隔舱外壁 的高应力区域在倒角两侧的部位和长边内部支撑对应的部位均有分布，且高应 力区范围较大的结论。石良角浔江特大桥1 2 4 】墩台施工采用双壁钢围堰作为围护 结构。钢围堰平面尺寸为2 1 3m 1 3 3i l l ，壁厚1 21 1 1 ，总高1 8 m 。荷载考虑静水压 力、流水压力、波浪压力等，选取五个施工关键工序作为验算工况，采用a n s y s 建立三维模型，计算在荷载作用下各构件的强度和刚度；利用公式计算了钢围 堰的下沉、抗浮力和封底混凝土的厚度。i d l e f a s 和v n g e o r g i a n n o u 2 5 1 利用结 构分析程序s t a a d i l i 对一直径为6 0 m 的围堰进行有限元分析。 在有限元分析的基础上，可以了解结构的薄弱部位，发现安全储备过高的 构件，以此对整体结构进行一定的优化，达到受力更合理、使用更经济的目的。 1 9 9 5 年建造的浙江省瓯江大桥1 2 6 基础施工钢围堰采用有限元法进行了分析荷 载考虑静水压力、流水动压力、风荷载，选取两个典型危险工况，建立1 4 结构 模型，得到了各构件的应力和位移。同时，进行了杆件和壁板的稳定性验算， 并提出了改进的设计方案。文献 2 ”采用s u p e rs a p 对某一双壁钢围堰进行了有 限元分析，荷载考虑静水压力、淤泥压力，底部结点固定约束。选取了两种工 况进行强度刚度分析，并对压杆和板格进行稳定性计算，在此基础上对结构进 行了一定的优化，提出了新的设计方案。在杭州湾跨海大桥的合同段【2 8 1 ，承 台旌工中采用钢套箱围堰，平面尺寸为2 9 6 m x l 2 0 m ，高5 8 m ，0 8 m 厚c 4 0 封底 混凝土。采用法国r o b o t 有限元结构分析软件进行数模分析计算，a n s y s 有 限元分析软件进行校核。钢套箱与基桩共同承受结构自重、相应的混凝土荷载、 4 波流力、静水浮力等荷载。根据施工工艺流程特点，分为7 种计算工况。根据分 析结果对套箱结构进行了优化设计。 w a n g ，c h i n g h w a n g l 2 州介绍了一种用f o r t r a n7 7 编写的围堰自动设计系 统c o f f e r ，该系统建立在系统设计程序、最优化算法、计算机模拟的基础上， 解决了围堰设计和最佳外形的问题。h a r d i n ，k e n n e t ho t t 3 0 】在论文中利用 a x i s h l 对钢围堰进行了有限元分析，并在分析结果的基础上提出对方案的优 化设计。 有时，由于施工场地的限制，或者特殊的受力要求，需要在圆形或矩形结 构型式的基础上提出新的造型。对新的结构型式的研究，使保证其安全使用的 前提。武汉军山长江公路大桥p i l 主墩基础围护结构为在圆形钢围堰上焊接2 个 簸箕形构造形成的异型围堰，围堰内外设计水位差2 2 0 m 。采用空间模型进行 分析计算，主要计算荷载有静水压力、动水压力、浪击力、风荷载及施工荷载。 对三个工况进行了静力分析，对后两工况进行了动力分析，并对围堰进行了抗 滑、抗倾覆、抗浮稳定性验算。杭州绕城南线工程三合同段钱江五桥【3 2 1 主墩承 台双壁钢围堰采用s a p 2 0 0 0 有限元软件进行三维空间模拟整体计算分析。围堰 平面尺寸为1 2 2 0 m x 2 5 5 0 m ，平面形状为六边形，荷载考虑静水压力、流水压 力、涌潮压力，选取钢围堰下沉到河床、封底抽水、承台施工完毕墩身施工三 种工况。约束条件视钢围堰底为铰结，竖向杆件和水平环向杆件节头为固结， 水平斜杆端头为铰接，内支撑两端为铰结。苏通大桥辅桥f 3 3 1 辅墩吊箱采用独特 的设计思路。吊箱侧板与侧板、侧板与底板不采用传统的螺栓方式连接，侧板 和底板采用拉杆对拉，侧板和侧板通过上、下导环连接，底板上设置水平挡块。 利用大型商业软件a n s y s 8 1 进行分析计算，边界约束除了在流向对称面上所有 的节点上设双向水平位移约束，在底板( 或封底混凝土) 钢护筒边界点上设双向 水平位移约束外，上、下导环在导向结构处沿导向结构方向设单向水平位移约束， 在底板和侧板吊点施加竖向位移约束。计算荷载包括静水压力、水流力、风荷 载及施工荷载。对不同工况下吊箱的受力情况进行了分析，并对悬挂系统进行 了验算。南宁仙葫大桥【3 4 l 桥墩钢围堰外型尺寸为3 1 3 m x l 3 9 m ，迎水面采用 巾8 0 c m 钢管桩，其余三面采用巾5 0 e m 钢管桩，钢管桩中心间距均为1 m 。钢管 桩外侧挂放9 5 0 0 m m x l 5 0 0 m m 1 0 m m 钢板。利用大型通用有限元程序a n s y s 对 该钢围堰进行强度和变形分析，荷载考虑静水压力、动水压力、风压和土压力， 采用平面应力单元的空间组合模型进行有限元分析。钢管桩底部视为固定约束， 围堰在贝雷粱加固支点处简化为固定约束。在此基础上对结构提出了优化方案， 并对原结构和优化结构的强度和变形进行比较。同时进行了钢面板与钢管桩的 稳定性计算。淮河特大桥1 3 5 主墩施工时采用单双壁结合的特殊型式，利用m a r e 软件对其进行了强度和刚度的验算，并利用公式验算了围堰整体抗浮稳定性以 及封底混凝土强度，并进行了封底混凝土与钢围堰内壁间抗滑的分析。 无论是物理模拟法、近似简化法，还是数值模拟法，都是建立在一定假定 简化的基础上，这与施工现场真实情况有一定的出入。为了更好的研究围堰结 构的受力状态，了解其力学性能，需要在施工时对结构物进行实时监测。一方 面可以真实反应结构物的受力状态，另一方面可以对计算结果进行校核，分析 两者之间的差别，并找出其原因，为以后的计算理论的完善提供依据。武汉军 山长江公路大桥【36 l 在承台施工完成后，在圆形钢围堰内壁板和簸箕形构造内壁 板上的代表性部位布设测点，在分期切割施工的不同阶段进行测试。记录了四 个工况下的测点应力数据，并同理论计算结果相比较。指出了测试结果与计算 结果差别的原因，为围堰施工安全提供了依据。文献【3 7 】介绍了新光大桥5 祥和6 撑 桥墩支护方案采用钢板桩加钢支撑的支护体系方案的优化设计，并将数值分析 结果和监测结果进行比较，探讨了两者在钢板桩桩身位移上产生较大差异的主 要原因。 k o r dj w i s s m a n n 【38 】等运用s o i l s t r u c t 对一钢围堰进行了有限元分析， 并同实际测量数据进行比较。gw a y n ec l o u g h 和t h a n g a v e l uk u p p u s a m y t 3 9 在文 中针对密西西比河的一建筑围堰，采用有限元模拟和现场监测相结合的方法， 建立三种不同的有限元模型，结果发现有限元模型显示的变形趋势同观察到的 趋势是一致的。 工程施工本身存在的不确定性因素很多，一些理论在实际应用中的效果不 是很理想，于是人们开始寻找一种用实测信息对理论计算进行在线修正的实时 监控的方法。反演理论因此得到重视，这方面的研究国内外学者做了大量的工 作。早在7 0 年代，日本学者樱井春辅( s a k u r a is ) 1 4 0 l 己提出类属平面问题有限元 法的位移应变逆反分析法，久武胜保( h i s a t a k e ) t 4 i 】提出了类属二维、三维问 题有限元的逆反分析法。意大利学者g i o d a 4 2 】等人总结了适于岩体工程的四种 反分析优化方法即单纯形法、r o s e n b r o k 法、拟梯度法和p o w e l l 法。f e n g 和 l e w i s l 4 3 l 采用位移余量法优化了由量测位移反分析初始地应力，并就可变容差 法和不变容差法进行了计算比较，发现前者较后者收敛快。国内的反演理论研 究工作的开展基本上与国外同步。中科院地质所杨志法【4 4 】等人于1 9 7 9 年提出了 e ，p 值反演确定的平面应变问题有限元图解反分析和图表反分析法。这类位移 反分析属于数值拟合计算。孙钧【4 5 , 4 6 教授在建立地下结构的数值计算方法的研 究中做了大量的工作，建立了地层结构法。杨林德【47 j 教授在岩土工程的反演问 题上结合工程实践己有系统的研究。朱合华、杨林德教授在文献f 4 8 】提出了深基 坑动态施工反演分析的思想，在常规的反分析过程中引入逐步开挖和隧道支撑 的动态施工因素，以求仿真模拟工程实际情况，进而为相继施工阶段的变形预 报提供可靠保证。 1 2 2 封底混凝土力学研究现状 钢围堰( 吊箱) 作为形成承台干施工环境的l 临时围水结构物，同时作为承 6 台混凝土浇筑的侧面模板，其施工规模也是空前的，封底施工难度很大，其完 好封底是实现无水施工的前提和关键。 季祥辉【7 】指出在封底混凝土达到设计强度后排水时，钢围堰依靠封底混凝 土与钢护筒的粘结力以及钢护筒自重、封底混凝土重量克服江水浮力作用，以 防止钢围堰浮起；灌注第一次承台混凝土时钢围堰依靠封底混凝土与钢护筒的 粘结力和江水的浮力来克服钢护筒自重、封底混凝土和承台混凝土重量，以防 止钢围堰下沉。王万峰【49 】指出受弯检算时封底混凝土按四边简支板计算，其所 受荷载主要有竖直向上的永压力和竖直向下的自重，以混凝土的容许抗拉强度 作为控制。受剪检算时假定封底混凝土所受浮力全部由混凝土与壁板问的粘结 力提供，以容许粘结应力作为控制。邱训兵【5 0 】在进行桂林南洲大桥主墩钢板桩 围堰强度验算时，把封底混凝土看作简支双向板，钢板桩围堰及钢护简作为封 底混凝土的支承，选择受力最不利的双向板作为对象，按照经验公式进行了封 底混凝土最小厚度的计算。 随着有限元理论的广泛应用，封底混凝土力学性能的研究有了更进一步的 发展。李胜臣、朱东生【5 i 】假设混凝土板在周边及内部桩基孔边缘处为固定支承， 整个结构承受向上的均布水压力及混凝土自重，利用a n s y s 软件建立桩基约 束模型，通过对不同围堰内径和不同桩基根数的条件下的混凝土拉应力的分析， 提出用有限元法得出的数值再增加o 5 m 作为施工封底厚度。黄增财( 北1 等利用 a n s y s 的子模型方法建立封底混凝土与钢管桩的握裹力模型，对封底混凝土单 元与钢管桩单元间通过共用节点模拟粘结力。提取剪应力沿钢管桩表面积分， 得到单桩的握裹力。孙英学f 5 3 等通过监测钢护筒和混凝土的应变，换算封底混 凝土与钢护筒接触面的粘结强度，同时观测封底混凝土与钢护筒的相对位移， 反演封底混凝土和钢护简接触面的计算参数，进而反馈于封底混凝土与钢护筒 共同作用的三维数值模拟计算分析，获得封底混凝土与钢护筒接触面的平均极 限摩擦强度。数值模拟计算分析结果表明，在线性阶段封底混凝土与钢护筒接 触面的平均单位摩阻力可达到o 2 8 m p a 。当平均单位摩