MIDAS-CIVIL软件在深水基础钢板桩围堰分析中的应用

摘要： 针对深水承台施工难的问题，介绍了密扣式拉森钢板桩FSPⅣ型围堰支护设计方法，并应用MIDAS-CIVIL三维结构软件建立力学模型，对钢板桩进行强度和刚度计算，验算钢板桩的实际受力及支护结构的稳定性，以确保支护结构的精确性和安全性。从而达到满足工程施工需要，节省投资、缩短工期、提高社会经济效益的目的，也为其它类似工程提供应用参考。

Abstract: Contraposing the problemofpile caps constructionin deep water, we introduce design procedures of compactness FSPⅣ Larssen steal sheet-pile cofferdam support，establish mechanical model with MIDAS-CIVIL soft, calculate the strength and inflexibility of steel sheet pile, and check realistic load-carrying capability and stability of supporting structure to make sure it accuracy and safety.It can satisfy the need of engineering construction，save investment，shorten days for construction，enhance society economic effectiveness, and can be referred for other similar project.

关键词： MIDAS-CIVIL软件；深水基础；钢板桩围堰；分析；应用

Key words: MIDAS-CIVIL Software；deepwater foundation；steal sheet-pile cofferdam；analysis；application

中图分类号：TP31 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）17-0160-03

1工程概况

某大桥路线法线与水流方向夹角为12°，汇水面积F=1099km2，流量Q1%=2102km3/s，水位H1%=17.85m，流速V1%=3.0m/s，施工水位H=14.2m，经现场踏勘调查，测时水位11.5m，涨水季节洪水水位为13.0m。大桥的82#-90#桥墩位于江中，均为钻孔桩基础，钻孔桩穿过地层依次为粉土、细圆砾土，泥质粉砂岩、砂岩，含砾砂岩强风化、弱风化。

承台基坑支护结构的设计，与地质情况、地下水位、土质参数及周围环境等都有密切的关系，涉及的内容包括：围护结构、支撑体系、挖土方案、换撑措施、降水方案和地基加固等[1]。钢板桩围堰具有强度高、接合紧密不易漏水、施工简便、速度快、可减少基坑土方开挖量、可多次重复使用等特点，广泛应用于水中承台的施工中[2]。经对方案的安全性、经济性、实用性、实施性、工期等方面分析比较，决定选用钢板桩围堰方案。

2钢板桩计算基础资料

2.1 钢板桩设计参数及施工条件根据现场工程地质与水文评价报告，钢板桩围堰设计与施工条件见表1。

2.2 河床底土层性能指标河床底自上至下土层的指标如下：

细圆砺土（标高2.4m~7.0m）：中密，III级：γ1=20.5KN/m3，ψ1=30°，c1=2KN/m2，h1=4.6m，弹性模量E1=100Mpa；风化岩层（岩层顶面标高2.4m）：γ2=23KN/m3，ψ2=35°，c2=100KN/m2，弹性模量E2=300Mpa。

2.3 土压力系数根据库伦理论，土压力系数见表2。

2.4 水流压力考虑河流水流压力，经计算，取FW=1.5KN/m2，计算水位可取标高+11.5m。

3钢板桩设计及计算荷载

3．1 拉森钢板桩FSPⅣ型的技术参数钢板桩选用主要考虑其支护深度，土质及周围水的情况[3]。经综合考虑，采用16m长密扣式拉森钢板桩FSPⅣ型，拉森钢板桩FSPⅣ型的技术参数如下：

①一根桩钢板桩：宽度B=400mm、高度h=170mm、厚度t=15.5mm、截面积A=96.99cm2、重量W=76.1Kg/m、惯性矩Ix=4670cm4、截面模量Wx=362cm3。

②一延米钢板桩技术参数：重量W=190Kg/m、惯性矩Ix=38600cm4、截面模量Wx=2270cm3、半截面面积矩Sx=96.99×（4670÷362）×（50÷40）=1564cm3。

3．2 钢板桩支护基本结构尺寸围堰尺寸1455×1198cm，围堰的支护方案为钢板桩+2道内支撑，钢板桩长16m的密扣式拉森FSPⅣ型钢板，钢围檩、角斜撑均采用2I36a的工字钢组合梁，横撑采用Φ529mm钢筒支撑梁，采用角撑和横撑可以加强围堰的整体稳定性和刚度，钢板桩支护基本结构见图1。结合工程实际情况并参考其他类似工程是计算模型，在模型最下方壁板单元节点上添加固定铰约束。

3.3 围堰施工阶段工况计算

3.3.1 计算参数Q235钢材的弹性模量E=2.06×105MPa，容重为76.98KN/m3，泊松比为0.3；

C30混凝土的弹性模量E=3×104MPa，容重为25KN/m3，泊松比为0.2；

细圆砺土（标高2.4m~7.0m），中密，III级：γ1=20.5KN/m3，ψ1=30°，c1=2KN/m2，h1=4.6m，弹性模量E1=100Mpa，泊松比为0.3；

风化岩层（岩层顶面标高2.4m）：γ2=23KN/m3，ψ2=35°，c2=100KN/m2，弹性模量E2=300Mpa，泊松比为0.25。

3.3.2 计算荷载采用MIDAS-CIVIL中的自重自动加载。重力加速度值为9.806m/s2。

3.3.3 静水压力计算可得在计算模型最底端的静水压力为150Kpa；流水压力数值相对于静水压力而言比较小，本工程中不予考虑；波浪力按P=15KPa，浪高3m计算。

4钢板桩建模思路及边界条件

4.1 建模思路Midas是专门针对岩土工程开发的有限元计算软件，该软件界面简洁，前处理功能强大[4]。双壁钢围堰采用MIDAS-CIVIL三维结构软件建立空间整体模型[5]。利用MIDAS有限元分析软件对钢围堰进行空间和平面分析[6]。计算模型中，钢板桩按照每延米的惯性矩等效为矩形截面的钢板，用4节点板单元模拟，钢围檩、水平斜杆和横撑梁按杆单元模拟，而围堰内河床底的土层、封底混凝土采用实体单元进行模拟。钢板桩围堰的整体模型见图2，围堰内支撑体系模型见图3。

4.2 计算工况的确定为了详细考虑围堰各施工阶段不同受力状态下，结构的刚度、强度以及稳定性是否满足施工要求，对围堰进行以下工况的分析：

工况1：用抽水泵将围堰内积水抽到标高+10.5m处，安装第二道内支撑（标高+11.0m）。

工况2：当第一道内支撑安装调试完毕后，用抽水泵将围堰内积水抽到标高+7.0m处，安装第二道内支撑（标高+7.5m）。

工况3：当第二道内支撑安装调试完毕后，让河水回流到围堰内，当围堰内外水位持平后，开始带水开挖围堰内土方至+0.692m，并用C35混凝土封底。

工况4：当封底混凝土强度达到设计要求后，用抽水泵将围堰内积水抽到封底混凝土顶面+2.692m处。

工况5：当主墩分次浇筑至标高为+7.0m处并拆模后，往围堰内回填砂至标高+7.0m，同时拆掉第二道内支撑（标高+7.5m）。

工况6：当主墩分次浇筑至标高为+10.5m处并拆模后，往围堰内回填砂至标高+10m，同时拆掉第一道内支撑（标高+11.0m）。

5结果分析

依据建立的双壁钢围堰空间整体模型，采用MIDAS-CIVIL三维结构软件对六种工况进行分析计算。通过对计算结果进行分析，选取最不利的三种工况（工况4，工况5，工况6），工况4结构的变形、钢板桩的弯矩、支撑内力见图4-9，工况5结构的变形、钢板桩的弯矩、支撑内力见图10-13，工况6结构的变形、钢板桩的弯矩、支撑内力见图14-15。三种最不利工况计算结果进行汇总情况如表3所示。

按照设计的构件尺寸以及钢材的力学性能，钢板桩每延米的极限弯矩是600kN.m，支撑的极限轴力为2876kN。则：

从计算云图可以看到，钢围檩只是在与支撑的节点处应力才出现局部增大的现象，其他部位钢围檩的应力大小基本在40MPa-100MPa之间，由于节点都有加强措施，故允许应力可以增大为1.2倍，则218MPa

设计方案与实测结果的对比表明，钢板桩墙的刚度随钢板桩变形而变化，当刚板桩的变形较小时，其刚度也较小，抗弯能力较差，当变形增加时，刚度和抗弯能力随之增加[7]。

通过对钢板桩围堰施工过程的监控监测，钢板桩围堰的各种受力工况良好，钢板桩变形及内支撑轴力均符合设计要求，而且具有较大的安全储备，围堰结构始终处于安全状态[8]。

6结束语

结合钢板桩结构在深基坑支护中的应用，利用MIDAS-CIVIL三维结构软件对钢板桩支护进行模拟分析，通过数值模拟与施工过程中的位移监控，较好地预测了支护系统的动态变化趋势，达到了及时反馈进而完善支护体系的目的。

通过围堰结构的设计分析可知，采用密扣式拉森钢板桩FSPⅣ型及内支撑的平面形式、层数，既可以满足钢板桩的内力、变形及内支撑的内力、稳定性要求，又可以通过采用角撑减少对撑数量的方式提供较大的施工工作面，方便施工，大大减少内支撑的工程量， 在缩短工期的同时降低工程造价。

参考文献：

[1]卓全.钢板桩支护设计与施工中应注意的若干问题[J].建筑科学，2002，18（4）：42-44.

[2]谢子山.丙洲大桥承台钢板桩围堰的设计与施工[J].黑龙江科技信息，223.

[3]薛政群，顾卫东.单层钢板桩深水围堰[J].公路，2003（3）：81-85.

[4]卢洋，傅德胜，郑关胜.基于MIDAS多层结构的构建与开发[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2004，28（1）：141-144.

[5]崔春义，黄建等.不同水位下钢板桩围堰工作性状有限元分析[J].广西大学学报：自然科学版，2010，35（1）：187-192.

[6]李慧君，陈建峰.斜交框架桥的有限元分析[J].铁道工程学报，2007（2）：59-60.

[7]戴汕,杨明军.单排钢板桩围堰施工工艺[J].水运工程,2007,（7）:81-84.

[8]沈晓松.广州新光大桥钢板桩围堰设计[J].公路交通技术，2007（9）：56-58.