資水特大橋深水雙壁鋼圍堰施工階段計(jì)算分析

【摘要】雙壁鋼圍堰作為橋梁深水基礎(chǔ)施工的圍水結(jié)構(gòu)，近年來(lái)在水深流急的區(qū)域橋梁復(fù)合式基礎(chǔ)的外圍結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用。本文以資水特大橋作為工程實(shí)例，通過(guò)對(duì)本大橋16#墩雙壁鋼圍堰施工階段及鋼圍堰施工完成后在各種荷載作用的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性等方面進(jìn)行分析計(jì)算，為鋼圍堰的安全施工奠定了理論基礎(chǔ)，對(duì)類似工程施工具有借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】雙壁鋼圍堰；施工階段；計(jì)算；分析

1.工程概況

資水特大橋坐落于湖南省桃江縣境內(nèi)資水干流下游河段上，大橋結(jié)構(gòu)為2-24m簡(jiǎn)支梁+10-32m簡(jiǎn)支梁+49.9+4×80+49.9連續(xù)梁+16m簡(jiǎn)支梁，連續(xù)梁為跨越資水河的主跨，主跨與既有線橋?qū)撞贾?，新線位于既有線上游，線間距25～40m，主跨位置線間距為40m。

本橋14～16號(hào)墩處在資水河中間，河水深8～11米，為設(shè)計(jì)通航的主墩，且河床砂卵石層比較厚，樁基成孔困難。加上資水河水位隨季節(jié)性變化較大，洪峰水位比正常水位高出10米以上，施工風(fēng)險(xiǎn)大。

其中15#、16#墩位均設(shè)12根Φ1.5m鉆孔樁，承臺(tái)為10.6m×14.6m×3m，15#、16#采用雙壁鋼圍堰施工承臺(tái)和樁基。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件，15#、16#為深水基礎(chǔ)，特別是16#墩的鋼圍堰最長(zhǎng)，受力最為復(fù)雜，故選取16#深水墩基礎(chǔ)鋼圍堰來(lái)計(jì)算圍堰的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性。

2.雙壁鋼圍堰的結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)橋墩承臺(tái)的尺寸大小，16#雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)為矩形。因雙壁鋼圍堰需要拆除，雙壁鋼圍堰內(nèi)部尺寸比承臺(tái)外圍尺寸每邊放大0.5m，以便內(nèi)壁作為承臺(tái)模板使用，雙壁鋼圍堰內(nèi)外壁間距1.2m；承臺(tái)尺寸為10.6m×14.6m，雙壁圍堰均設(shè)計(jì)成內(nèi)徑11.6m×15.6m、外徑14m×18m的矩形。圍堰結(jié)構(gòu)豎向采用10#槽鋼作為勁性骨架，周邊為∠140×140×14角鋼焊接成壁厚1.2m的矩形框架，框架內(nèi)外焊接15mm厚的鋼板做內(nèi)外壁，形成大斷面雙壁鋼圍堰。短邊分成2個(gè)隔艙，長(zhǎng)邊分3個(gè)隔艙，四邊共分10個(gè)隔艙。

雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)頂標(biāo)高按施工水位36.47m考慮。16#墩考慮封底砼厚度約3m，圍堰的高度暫定為20.54m，重約522t；具體高度根據(jù)墩位處的水深做相應(yīng)調(diào)整，沿高度分別分成8節(jié)，底節(jié)高度為2.5m，每節(jié)質(zhì)量約65t。（鋼圍堰結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1、圖2）。

3.鋼圍堰處的水文及地質(zhì)

根據(jù)對(duì)資水特大橋進(jìn)行的實(shí)地勘測(cè)和詳細(xì)調(diào)查所進(jìn)行的防洪評(píng)估及湖南省水利廳的審查情況，本橋設(shè)計(jì)采用水文資料主要數(shù)據(jù)如下：設(shè)計(jì)流量Qp=20667m3/s，設(shè)計(jì)水位Hp=41.63m，設(shè)計(jì)流速Vp=3.86m/s，橋位河段防洪標(biāo)準(zhǔn)為二十年一遇，達(dá)標(biāo)后左岸防洪堤頂高程為41.54m。

橋址區(qū)域內(nèi)表層為第四系人工成因?qū)樱≦4ml）素填土，（Q4md）雜填土等，第四系全新統(tǒng)沖洪積（Q4al+pl）粉質(zhì)粘土，粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂，細(xì)圓礫土等。

4.計(jì)算荷載

16#鋼圍堰的計(jì)算荷載包括：

①鋼圍堰的結(jié)構(gòu)自重；

②在鋼圍堰頂部布置的15片貝雷梁，每一片長(zhǎng)18米，重1.62噸，共重24.3噸；

③在貝雷梁上間距30cm布置的工字鋼，每米重量24.1kg，總重26.028噸；

④Q235厚7mm的防滑鋼板，按18×18米滿布，共重17.8038噸；

⑤滿載的混凝土罐車40噸；

⑥3臺(tái)沖擊鉆孔機(jī)械3×15=45噸；

⑦施工人員荷載：保守考慮滿布人群，按每平米0.4噸計(jì)算，總計(jì)129.6噸；

⑧攪拌運(yùn)輸車每臺(tái)前后軸總重為40噸，考慮2臺(tái)布置，并且考慮1.15的動(dòng)載系數(shù)，共計(jì)92噸；

⑨作用在鋼圍堰上的流水壓力，設(shè)計(jì)流速取3.86m/s；

⑩鋼圍堰1.2m雙壁內(nèi)的3m厚封底混凝土自重。

5.結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

雙壁鋼圍堰采用空間結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件midas7.41進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，內(nèi)外壁板均取用3維板單元，豎向的槽鋼及水平橫撐均偏安全的取用3維梁?jiǎn)卧M(jìn)行計(jì)算，全鋼圍堰結(jié)構(gòu)共分為24283個(gè)節(jié)點(diǎn)，29852個(gè)單元，其中板單元12078個(gè)，梁?jiǎn)卧?7774個(gè)。結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見(jiàn)圖3。

模型的邊界條件：鋼圍堰底部固結(jié)，在沖刷線以下的結(jié)構(gòu)部分，采用土彈簧模擬結(jié)構(gòu)與巖石的相互作用。

6.鋼圍堰應(yīng)力計(jì)算

16#敦考慮封底砼厚度約3m，圍堰的高度暫定為20.54m，重約522t；沿高度分別分成4節(jié)，底節(jié)節(jié)段高度為5m，施工共分為5個(gè)階段。

6.1施工階段應(yīng)力計(jì)算

⑴施工第一節(jié)鋼圍堰

在第一節(jié)鋼圍堰施工中，由圖4～圖5中可以看出，鋼圍堰的雙壁及槽鋼橫向連接等的應(yīng)力最大僅為1.8MPa。在這一節(jié)的圍堰施工中，由于內(nèi)外水流壓力是平衡的，所以圍堰結(jié)構(gòu)受到的荷載主要是結(jié)構(gòu)自身的重力，因此結(jié)構(gòu)的應(yīng)力較小。

⑵施工第二節(jié)鋼圍堰

在第二節(jié)鋼圍堰施工中，采用空間結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，鋼圍堰結(jié)構(gòu)的板頂最大應(yīng)力為1.68MPa，板底最大應(yīng)力為1.6MPa，梁?jiǎn)卧淖畲髴?yīng)力為2.3MPa。在第二節(jié)的圍堰施工中，內(nèi)外水流的壓力依然也是平衡的，因此圍堰結(jié)構(gòu)的應(yīng)力也比較小。

⑶施工第三節(jié)鋼圍堰

在第三節(jié)鋼圍堰施工中，經(jīng)軟件計(jì)算，鋼圍堰結(jié)構(gòu)的板頂最大應(yīng)力為2.33MPa，板底最大應(yīng)力為2.35MPa，梁?jiǎn)卧淖畲髴?yīng)力為3.46MPa。在第三節(jié)的圍堰施工中，圍堰結(jié)構(gòu)的應(yīng)力依然較小。

⑷施工第四節(jié)鋼圍堰

在第四節(jié)鋼圍堰施工中，經(jīng)軟件計(jì)算，鋼圍堰結(jié)構(gòu)的板頂最大應(yīng)力為3.12MPa，板底最大應(yīng)力為3.15MPa，梁?jiǎn)卧淖畲髴?yīng)力為4.68MPa。在第四節(jié)的圍堰施工中，結(jié)構(gòu)應(yīng)力較小，最大僅為4.7 MPa。

6.2鋼圍堰施工完成后，在各種荷載作用下的計(jì)算結(jié)果

⑴應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

通過(guò)軟件計(jì)算，在各種荷載作用下，鋼圍堰雙壁鋼板的板頂單元最大應(yīng)力為102MPa，板底單元最大應(yīng)力為96MPa，且板頂及板底的最大應(yīng)力是由于局部的應(yīng)力集中所導(dǎo)致；梁?jiǎn)卧淖畲髴?yīng)力為68MPa。

⑵位移計(jì)算結(jié)果

在各種荷載作用下，由圖6的結(jié)構(gòu)變位圖可以看出，雙壁鋼圍堰在各種荷載的作用下，最大位移為沿水流方向的位移4.9mm。

6.3鋼圍堰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算

由圖7可以看出，鋼圍堰結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下的結(jié)構(gòu)彈性穩(wěn)定系數(shù)為35.7。

6.4整體抗浮驗(yàn)算

由于圍堰內(nèi)抽干水后，內(nèi)外水壓力差形成的力將對(duì)其產(chǎn)生向上浮力，將由圍堰自重、支護(hù)自重、圍堰艙內(nèi)注水及混凝土自重來(lái)平衡。

7.結(jié)語(yǔ)

資水特大橋深水基礎(chǔ)采用雙壁鋼圍堰施工技術(shù)，通過(guò)科學(xué)分析計(jì)算鋼圍堰在施工階段中和完成后各種荷載作用下的工況應(yīng)力、剛度、穩(wěn)定性等，保證了大橋主墩深水基礎(chǔ)安全順利完工，同時(shí)為項(xiàng)目節(jié)約了成本，為今后類似橋梁工程基礎(chǔ)施工積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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