基于的钢套箱项目结构风险仿真

6.5.3　基于FEA的钢套箱项目结构风险仿真

钢套箱是用于桥梁下构深水桩基础施工技术方案的最佳选择，它具有刚度大、抗渗性高、环保、适用性和操作性强等特点，而且能够重复利用，既节约成本又环保，能减少对周围环境的污染，尤其适合于河道水深、落差大的水下基础施工作业。

1.钢套箱设计与建模仿真

根据曹娥江大桥主桥主墩承台平面尺寸、水文、地质情况，拟避开洪水期施工，主墩承台采用双壁钢套箱法进行施工。钢套箱为四边形，双薄壁之间为空间桁架结构，钢套箱内壁距承台边缘为10cm，双薄壁钢套箱厚度为1.2m，主桥钢套箱的底标高确定为－8m，顶标高为+7m，钢套箱最高15m。双壁钢套箱构造布置包括井壁、井壁隔舱、刃脚和其他设施(如吊点和内外连通管)，其构造图如图6-9所示。

钢套箱结构，采用有限元分析软件MIDAS/civil建立空间模型进行整体结构分析与计算，本方案中的钢套箱按完全轴面对称结构设计，因此仅取结构的四分之一进行分析，这里取堰内水压为零遭遇洪水高水位作为钢套箱最不利荷载工况进行验算，经分析，其风险最大的工况为钢套箱抽水结束阶段。封底砼以下按固结考虑，边界条件中封底砼顶面(高程－3m)处节点设为三向轴力自由度被约束，即铰接。最大水压按20年一遇高洪水位5.89米作为承压水头建立仿真模型，如图6-10、图6-11所示。

图6-9　钢套箱构造图

经按模型计算，洪水位水头为5.89米堰内抽空时骨架(梁单元)应力状况良好。根据框架梁单元应力计算结果，最大拉应力为173.4MPa，作为临时结构，钢材容许应力［σ］=180MPa，因此结构安全。根据面板应力计算结果，面板最大应力为101.8MPa，安全系数较大。根据变形及位移状况计算结果，最大位移发生在钢套箱长边距封底砼顶面约1.5m处，最大位移量为3.03mm，完全可以满足施工要求。

图6-10　钢套箱骨架计算模型图

6-11　带面板四分之一三维电算模型图

从上述模型计算结果可看出，双壁钢套箱设计合理，抗风险能力高，符合设计和技术要求。

2.钢套箱结构安全验算与风险仿真

①钢套箱抗浮稳定验算。取整个封底砼作为分析对象，当套箱排水后，河道处于20年一遇的高水位5.89m，即封底砼受最大浮力时最不利情况，此时封底砼受力情况如下:封底混凝土自重G;水压力FW(浮力);封底砼与桩基的握裹力F。经计算，K浮均大于1.2的规范要求，因此钢套箱抗浮稳定性满足要求。

②承台部分封底砼强度验算。因为封底砼所受的所有外力均为其几何中心及对称轴对称分布的均布荷载，故可取图中矩形ABCD单元的最不利位置的内力验算封底砼的强度，若矩形单元ABCD的最大应力小于封底砼的容许应力值则结构安全:ABCD矩形单元内力按四边钦嵌板进行计算。采用结构有限元分析软件Midas-civil取图中ABCD方块进行建模分析，模型按四角点与桩周接触节点简支，划分为3 800个实体单元建立，四边限制相应轴向位移设置边界条件进行模拟仿真。堰内无水压，堰外水头为5.89m(20年一遇的高水位)，经电算结果如图6-12所示。

图6-12　主应力云图

主应力云图显示:σ_1max=0.356MPa＜f_tk=1.3MPa

从各主应力云图0.013mm，即几乎没有发生位移，封底砼能满足封底需要。

3.钢套箱制作与安装

①制作。钢套箱竖向根据水位分四节，每节各分块钢套箱由加工厂施焊成型，经试拼检查合格后，用运输车通过栈桥将钢套箱块段运输至现场分层拼焊成整体下沉。

②安装。采用现场拼装钢套箱方法:搭设钢套箱拼装平台及吊装平台，设置悬吊下沉系统，在主护筒上设置钢套箱下沉导向，由下向上逐节拼装，拼装时的接缝采用双面焊缝。在钢套箱下沉过程中采用加重和堰内除土的方法，钢套箱接高节段完成后，向钢套箱的隔舱加片石，保持内外平衡，并控制好平面位置及垂直度。

通过上述对桥梁工程项目群中必需的关键技术方案——钢套箱的设计，进行了详尽的结构风险仿真分析，补充和完善了项目群勘察设计阶段出现的风险评估方法，对于投资建设项目群链式风险的管理有着积极的意义。