一、GTS钢围堰荷载结构法与地层结构法使用
1．引言
随着有限元软件的逐步发展，复杂的临时结构也可以采用软件进行计算，例如采用Midas Civil软件进行结构计算例如：锁扣钢管桩围堰[1]、水中承台施工板桩钢围堰[2]、宜昌香溪河大桥4号桥塔墩钢围堰封底[3]、也有采用Midas GTS NX软件建立钢围堰以及周边临近结构进行影响性分析例如邻近既有线多跨钢桁梁桥基础扰动性与顶推技术研究[4]。
钢围堰模型的建立两种软件有不同的建模方式，分别是荷载结构法以及地层结构法。荷载结构法模型是通过只建立结构，而不建立土体的模型，通常情况下在分析结构本身受力以及变形情况下使用。地层结构法模型建立结构本身之外，还建立土体以及周边有影响的结构，例如管线、道路、桥墩等等，不仅对结构本身进行变形受力分析，还可以分析结构施作时对周边建构筑物的影响性分析。
表1荷载结构法模型及地层结构法模型优缺点对比表
荷载结构法 | 地层结构法 | |
建模速度 | 快 | 慢 |
操作难度 | 相对容易 | 相对难 |
模型大小 | 小 | 大 |
计算精度 | 精确 | 精确 |
可否进行影响性分析 | 不能 | 可以 |
2．钢围堰介绍
深水区域的桥梁基础对于工程人员来说是一个巨大的挑战，因此对于桥梁桩基础的施工，防水围堰在基础施工中起到关键性的作用，防水围堰通过四周封闭的结构来阻止外部水流和流沙的涌入，保持内部无水的施工作业条件，待基础及墩台部分施工完成后将其拆除。防水围堰的主要形式有混凝土围堰、钢板桩围堰、单壁钢围堰、双壁钢围堰、钢吊箱围堰和钢管桩围堰。
混凝土围堰
混凝土围堰分为重力式和薄壁式两大类。重力式混凝土围堰由于结构自重大、稳定性好、受力明确、抗冲性能高、构造简单、施工操作要求较低等特点，被广泛应用。薄壁混凝土围堰结构形式通常是分节段预制的装配式双壁结构，适用于25m 以下水深区域。水深大于25m时，下沉过程中受浮力影响较大，混凝土围堰就位及拼接等工序的难度较大。作为传统结构形式，沉井成为了桥梁的一部分，而混凝土围堰只是临时设施。混凝土围堰如图1所示。
图1混凝土围堰
钢板桩围堰
钢板桩围堰采用逐根插打两侧带锁口的钢板桩构件，相邻锁口之间咬接，与内支撑和封底混凝土构成封闭稳定围护结构阻隔外部水土荷载。钢板桩围堰具有材质轻、强度及耐久性较高、施工方便、占地范围小、隔水性好、材料可利用性高、环保等优点。钢板桩围堰受力与悬臂梁相似，需要具有一定地层承载力的坚硬河床作为基础支持。常用于挡土墙、抗洪抢险、码头，不宜在流速较大、水位较高、基底承载力弱的地质条件中使用。钢板桩围堰如图2所示。
图2钢板桩围堰
钢套箱围堰
钢套箱围堰为着床型围堰，是一种无底无盖框形结构，由钢壁板及其加劲构件组成的无底围挡结构，利用内支撑体系及封底混凝土抵挡外侧水土荷载，四周闭合围成无水区域的套箱结构。钢套箱围堰适用于承台位于河床内或覆盖层较浅的基础施工，从形状进行划分时归结为矩形、含三角的矩形、圆形、圆端形和异形（如哑铃形、簸箕形）等。根据钢套箱围堰的结构形式可将其分为单壁、双壁及单双壁组合式钢围堰，其中，圆形钢套箱围堰只承受径向水压作用，根据实际情况和验算工况合格的条件下不设内撑。
单壁钢围堰和双壁钢围堰的主要区别之处在于壁板的层数和适用范围，单壁钢围堰适用于砂卵石、漂石地层等工程地质条件，双壁钢围堰由于结构整体刚度大，多用于水深较高、流速较大的水域。单双壁钢围堰结合使用时能兼得二者优点。
图3双壁钢围堰
钢吊箱围堰
钢吊箱围堰是使用钢板及其加劲构件制造而成，与内部支撑体系形成封闭挡水空间的水中悬吊有底围护结构。钢吊箱围堰的结构形式类似于悬挂水中的有底钢套箱围堰，其结构主要包括底板、壁板、内撑、横隔板、加劲板、吊挂系统、定位系统。钢吊箱围堰适用于承台底面距河床较高或承台下有较厚软弱土层且水深流急的地质条件。
图4钢吊箱围堰
锁扣钢管桩围堰
钢管桩围堰通过逐根插打并相互咬接的钢管桩形成围挡，与内部支撑体系及封底混凝土形成无水施工区域抵挡外部水土。钢管桩围堰结构受力明确、施工方式简便，是深水基础和基坑支护常用的一种围堰施工形式。锁扣钢管桩围堰主要应用于深度范围在8~18m的基坑支护。钢管桩围堰具有较强的抗弯能力、刚度、稳定性、适应性，可同步进行灌注桩和钢管桩围堰的施工，工作效率和材料回收率较高，但主要存在的问题是加工精度要求较高。
图5锁扣钢管桩围堰
3．案例模型操作
本文案例模型为钢板桩围堰，对于钢板桩围堰，可考虑荷载结构法及地层结构法，荷载结构法参考civil建模流程，本案例对于两种方法都进行建模流程介绍。
下图为导入到GTS NX模型中的CAD平面图。
图6模型CAD平面图
钢板桩模型材料属性表如下所示：
表2钢板桩模型材料表
名称 | 类型 | E50或弹模 kN/m2 | Eoed kN/m2 | Eur kN/m2 | 泊松比 | 容重 | 粘聚力c | 摩擦角φ |
粉土 | 修正摩尔库伦 | 30000 | 30000 | 90000 | 0.3 | 21 | 17.43 | 12.23 |
粉砂 | 修正摩尔库伦 | 20000 | 20000 | 600000 | 0.3 | 18.5 | 1 | 30 |
钢 | 弹性 | 210000000 | 0.3 | 78.5 |
表3钢板桩模型属性表
名称 | 类型 | 材料 | 截面/厚度 |
粉土 | 3d实体 | 粉土 | 无 |
粉砂 | 3d实体 | 粉质粘土 | 无 |
钢板桩 | 2d板 | 钢 | d=0.42m |
圈梁1 | 1d梁 | 钢 | 双拼工字钢I45a |
圈梁2 | 1d梁 | 钢 | 2HN700 |
圈梁3 | 1d梁 | 钢 | 2HN700 |
内支撑1 | 1d梁 | 钢 | 管形D=0.63m，t=0.008m |
内支撑2 | 1d梁 | 钢 | 管形D=0.82m，t=0.01m |
内支撑3 | 1d梁 | 钢 | 管形D=0.82m，t=0.01m |
将图纸导入后通过移动复制、扩展等命令生成几何体。
图7荷载结构法几何模型
图8 荷载结构法网格模型
模型边界采用竖向曲面弹簧、内外土体均采用曲面弹簧，土压力采用压力荷载添加，均参考施工单位使用civil建立钢围堰模型压力以及土弹簧添加方式。施工阶段分为四步：第一步插打钢板桩，激活钢板桩、第一道支撑及内外土弹簧；第二步开挖1，激活外侧土压力和开挖1土压力；第三步开挖2，激活开挖2土压力，第二道内支撑，第二次开挖土弹簧，并且钝化第一次开挖土弹簧和开挖1土压力；第四步开挖3，激活开挖3土压力，第三道内支撑，第三次开挖土弹簧，钝化第二次开挖土弹簧，开挖2土压力。计算结果如下图所示。
图9 x方向变形
图10 y方向变形
图11 梁单元轴力
地层结构法模型也是将图纸导入到GTS NX中后，通过对几何进行移动复制、扩展、切割、布尔运算等命令生成地层以及开挖实体，如下图：
图12 地层结构法几何模型
图13 地层结构法网格模型
模型边界采用自动边界，荷载为土体自重。施工阶段分为五步：第一步初始地应力，激活土体、内部开挖的网格组，自重以及自动边界；第二步插打钢板桩，激活钢板桩网格组；第三步开挖1，激活第一道内支撑，并且钝化开挖1网格组；第四步开挖2，激活第二道内支撑，钝化开挖2网格组；第五步开挖3，激活第三道内支撑，钝化开挖3网格组。计算结果如下图所示：
图14 x方向位移
图15 y方向位移
图16 梁单元轴力
从上述两个模型对比来看，x方向位移差几乎一致，y方向位移差0.7mm，梁单元内力相差11kN，有一定的误差但在合理范围内。上述结论说明采用GTS NX建立钢围堰模型是可行的，无论是采用荷载结构法单独计算围堰本身的受力和变形，还是地层结构法计算周边土体扰动，影响性分析都可以。
4．参考文献
[1] 锁扣钢管桩围堰在深水承台施工中的应用[J].薛永泉;程刚杰.四川建材,2023(06)
[2] 水中承台施工钢围堰方案设计及受力研究[J].吴柱.江西建材,2021(01)
[3] 宜昌香溪河大桥4号桥塔墩钢围堰封底技术[J].许鑫;王同民.桥梁建设,2018(02)
[4] 邻近既有线多跨钢桁梁桥基础扰动性与顶推施工技术研究[D].杜杭飞.中南大学,2022
