钢围堰设计施工安全技术研究

苗蕾

重庆交通大学工程设计研究院有限公司400074

摘要：围堰是在桥梁水下基础施工中的一种重要临时设施，作为桥梁基础、承台和墩柱施工时的挡水结构，施工人员在围堰内无水环境进行水位以下桥梁结构的作业。在桥梁基础工程中，所谓“浅水”或“深水”，没有明确及严格的量化标准。根据一般传统的土力学地基及基础所介绍的水中围堰概念：当水深在5~6m以上时，可采用钢板桩围堰；由于钢板桩围堰的强度高，能抵抗较大的弯矩，防水性能也很好，故特别适应于修筑深水基础。本研究报告，暂将桥梁深水基础定义为：水深在5~6m以上，不能采用一般的土围堰、木板桩围堰等防水技术施工的桥梁基础，称之为桥梁深水基础。

关键词：钢围堰、梁板法、有效宽度法、竖肋应力、水平肋应力

1钢围堰设计施工中存在的一些问题

目前法律、法规未对钢围堰的设计管理进行明确，未要求桥梁的设计单位、监控单位对钢围堰进行相应的管理。钢围堰仅作为一种施工临时设施，一般由施工单位自行设计，设计文件、计算资料经施工单位内部审批后，报监理单位审批。审批过程中一般会召开技术、安全方面的专家会。

钢围堰的设计没有明确的规范进行指导。目前国内可供参考的规范主要有《钢结构设计规范》（GB50017－2003）、《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74－95）、《港口工程桩基规范》JTS167-4-2012，但规范对于钢围堰设计计算方法没有明确，对钢围堰的抗浮安全系数、整体稳定系数取值不明确。

2钢围堰有限元分析方法

钢围堰的结构受力分析直接关系钢围堰设计的合理性、施工及使用过程的安全性，为此需要确保分析模型能够正确模拟其受力性能。课题组推荐在钢围堰分析模型建立过程中遵循以下原则：

（1）钢围堰分析模型及其基本假定应能反映钢围堰实际受力状态，其精度应能满足钢围堰安全要求。

（2）钢围堰分析计算宜采用板梁结合的空间模型；若采用简化模型计算时，环肋、水平斜撑和竖向加劲肋可简化成单梁进行计算，参与竖肋或环肋受力的围堰壁有效宽度可取40倍板厚，围堰壁可简化为支撑在竖向加劲肋上的连续板，填充混凝土采用实体单元模拟。

（3）钢围堰受力可按线弹性理论进行分析，当钢围堰的变形不能忽略时，应考虑几何非线性对钢围堰受力的影响。

采用MidasCivil10.0软件进行分析。钢围堰设计资料：半径为2m的小型单壁钢围堰，壁体为带肋钢板，壁板为8mm钢板，水平肋为150×14mm钢板，竖肋为L75×50×6角钢，所有材质均为A3钢。竖肋沿壁体圆周分20等分间距（628mm）布置，水平肋的间距500mm，水平肋、竖肋均布置在外侧，荷载为1.5m水压力，具体布置如下图。

单壁钢围堰计算示例

（1）梁板法：梁板法是将壁板作为板单元，水平加劲肋和竖向劲肋均作为梁单元，加劲肋（梁）与壁板单元共用节点（有的将水平加劲肋也作为板单元）。竖肋计算应力6.010MPa。水平肋应力1.419MPa。

竖肋应力图水平肋应力图

计算结果分析：壁板与肋梁共用节点，往往导致肋梁在靠壁板位置应力偏大，而实际上，由于肋梁与壁板进行了间隔焊接，焊缝也有一定长度，在焊接位置，肋梁会将靠壁板的应力向壁板传递，肋梁实际应力会小于计算应力，这种计算方法其结果偏于安全。

（2）壁板有效宽度参与加劲肋受力（有效宽度法）：采用有效宽度法，计算加劲肋时，考虑壁板的有效作用宽度作为加劲肋的翼板，进行加劲肋的应力计算。

根据《水利水电工程钢闸门设计规范》，面板兼做主（次）梁翼缘时，考虑壁板的有效作用宽度取60δ和主（次）梁间距的较小值，则竖肋和水平肋翼板宽均为60×8＝480mm。

竖肋应力3.070MPa。水平肋应力0.927Mpa。

竖肋应力图水平肋应力图

从上图可见，壁板未全部参与竖肋受力。有效宽度法是对前面全部壁板参与受力的一种修正，对加劲肋而言，有效宽度法仅考虑了有限的壁板进入了加劲肋截面，进行加劲肋受力计算，计算结果相关全部壁板参与受力的情况要大一些，当加劲肋间距越大、壁板越薄时，采用有效宽度计算时，其应力结果将更大。

本例壁板厚8mm，水平肋间距500mm，按有效宽度计算时，有效宽度60×8＝480mm，与按全宽500mm计算非常接近。但如壁板厚改为6mm，水平肋间距改为1000mm时，有效宽度仅为60×6＝360mm，与按全宽1000mm计算则相差非常大。

3结论

有效宽度法，这种计算方法原则上应更适合于加劲肋与壁板采用满焊，焊接质量充分可靠，壁板方能充分参与肋板的受力。

由于施工现场肋梁与壁板一般是间隔焊接，在未焊接的地方，其应力应该无法传递到壁板上，有效宽度法的结果可能比实际的钢围堰加劲肋应力小，偏于不安全。

不同计算方法加劲肋应力汇总表

从两种计算方法来看，采用梁板法，计算出加劲肋应力最大，考虑到应力最大位置均为肋与壁的交接位置，因为有部分焊接的作用，其应力将会向壁板有所分散，会适当减小。

而有效宽度法，考虑了壁板有效宽度范围分担加劲肋的应力，使加劲肋应力减小，这种计算方法适合于壁板和肋板满焊且焊接质量可靠的情况。考虑到常见的钢围堰采用间隔焊接时，则其实际应力应当比有效宽度法的结果大，而比梁板法应力小。

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