深水基礎(chǔ)橋梁承臺(tái)施工超長(zhǎng)鋼板樁圍堰內(nèi)支撐最優(yōu)布置研究

何永昶

(上海鐵路局合肥鐵路樞紐建設(shè)指揮部，上海230022)

深水基礎(chǔ)橋梁承臺(tái)施工超長(zhǎng)鋼板樁圍堰內(nèi)支撐最優(yōu)布置研究

何永昶

(上海鐵路局合肥鐵路樞紐建設(shè)指揮部，上海230022)

以一高速鐵路深水基礎(chǔ)橋梁承臺(tái)施工為例，系統(tǒng)探討了超長(zhǎng)鋼板樁圍堰內(nèi)支撐合理布置問(wèn)題，分別采用解析法和遞推法給出了圍堰內(nèi)支撐布置的最優(yōu)方案及確定方法。建立圍堰結(jié)構(gòu)空間有限元法計(jì)算模型，分析了內(nèi)支撐優(yōu)化前后圍堰結(jié)構(gòu)的受力特性。研究結(jié)果表明:采用本文提出的內(nèi)支撐布置優(yōu)化方案，可明顯減小圍堰結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力，顯著提高超長(zhǎng)鋼板樁圍堰的結(jié)構(gòu)安全性;采用遞推法確定鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐最優(yōu)布置方案能滿足工程計(jì)算精度要求。

高速鐵路橋梁 深水基礎(chǔ)施工 超長(zhǎng)鋼板樁圍堰 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 內(nèi)支撐最優(yōu)布置

為了滿足某高速鐵路深水基礎(chǔ)橋梁承臺(tái)快速施工的需要，將體積龐大的雙壁鋼圍堰優(yōu)化為長(zhǎng)29 m拉森Ⅵ鋼板樁單壁圍堰，避免了雙壁鋼圍堰施工需長(zhǎng)時(shí)間封航、占用大部分航道的問(wèn)題，并消除了雙壁鋼圍堰施工所需的制造、下河、浮運(yùn)、定位以及在黏土層中吸泥下沉等難題。圍堰方案實(shí)施快速，節(jié)省工期兩個(gè)多月。超長(zhǎng)鋼板樁圍堰內(nèi)支撐的布置對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性至關(guān)重要。現(xiàn)有橋梁基礎(chǔ)施工鋼板樁圍堰的內(nèi)支撐布置方法一般是工程師根據(jù)以往鋼板樁圍堰使用經(jīng)驗(yàn)，首先擬定一個(gè)內(nèi)支撐布置方案，然后通過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算驗(yàn)證其可行性。如其安全性滿足要求，則加以采用［1］。按此方法設(shè)計(jì)出的圍堰內(nèi)支撐布置通常不是最優(yōu)方案。

本文針對(duì)現(xiàn)有鋼板樁圍堰內(nèi)支撐設(shè)計(jì)中的弊端［2-4］，研究深水基礎(chǔ)橋梁承臺(tái)施工超長(zhǎng)鋼板樁圍堰內(nèi)支撐的最優(yōu)布置方案，為鋼板樁圍堰內(nèi)支撐的合理布置提供依據(jù)。

1 鋼板樁圍堰內(nèi)支撐最優(yōu)布置方案

取單根鋼板樁進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，通過(guò)單根鋼板樁的分析找出一般性規(guī)律。單根鋼板樁的力學(xué)模型可簡(jiǎn)化為一端帶懸臂的連續(xù)梁，內(nèi)支撐對(duì)板樁的約束采用活動(dòng)鉸支承模擬，在流水壓力不大及無(wú)涌潮的情況下，結(jié)構(gòu)僅受到圍堰外側(cè)靜水壓力作用，圍堰內(nèi)抽干水工況鋼板樁的受力計(jì)算圖式如圖1所示。

圖1 鋼板樁受力計(jì)算圖式

設(shè)鋼板樁總長(zhǎng)度為1 m，各連續(xù)梁段與懸臂段長(zhǎng)度分別為a，b，c，d，e，則各段的比例為a∶b∶c∶d∶e。為了找出內(nèi)支撐最優(yōu)布置的一般規(guī)律，通過(guò)改變a∶b∶c∶d∶e的比例關(guān)系，使得圖1所示帶懸臂段連續(xù)梁所受到的最大彎矩最小［5-6］。

由于本工程中采用了超長(zhǎng)鋼板樁圍堰，設(shè)置了5道內(nèi)支撐，為了找出一般性規(guī)律，依次考慮1～5道內(nèi)支撐的情況，分別得出連續(xù)梁段與懸臂段長(zhǎng)度之間的最優(yōu)比例［7］。

1.11 道內(nèi)支撐的最優(yōu)布置

只有1道內(nèi)支撐情況下，單根鋼板樁受力如圖2所示。設(shè)鋼板樁總長(zhǎng)度為單位1，錨固段與懸臂段長(zhǎng)度分別為a，b，其可能的正負(fù)彎矩峰值分別為M1，M2。就本工程而言，圖2中鋼板樁外側(cè)靜水壓力荷載q= 6 kN/m，通過(guò)力法可求得M1，M2分別為

圖2 1道內(nèi)支撐鋼板樁力學(xué)模型及彎矩分布

編寫(xiě)Matlab程序，可求得使Max(M1，M2)取最小值時(shí)a∶b=0.53∶0.47。

1.2 2道內(nèi)支撐的最優(yōu)布置

2道內(nèi)支撐情況下，單根鋼板樁受力如圖3所示。鋼板樁可能的正負(fù)彎矩峰值分別為M1，M2，M3，M4。

圖3 2道內(nèi)支撐鋼板樁的力學(xué)模型及彎矩分布

可求得使Max(M1，M2，M3，M4)取最小值時(shí)a∶b∶c =0.30∶0.36∶0.34。

1.3 多道內(nèi)支撐的最優(yōu)布置

同理，可求得3道內(nèi)支撐時(shí)a∶b∶c∶d=0.20∶0.21∶0.32∶0.27;4道內(nèi)支撐時(shí)a∶b∶c∶d∶e=0.15∶0.16∶0.21∶0.25∶0.23。由此可總結(jié)出鋼板樁圍堰內(nèi)支撐最優(yōu)布置的一般規(guī)律，即由2道內(nèi)支撐工況最優(yōu)布置近似地遞推出多道內(nèi)支撐工況鋼板樁各梁段長(zhǎng)度的最優(yōu)比例。

如圖4所示，若已知2道內(nèi)支撐工況最優(yōu)a∶b∶c，增加1道內(nèi)支撐后，可以令a∶b∶c的比例不變，令a1∶a =a∶b，得到增加1道內(nèi)支撐后的比例a1∶a∶b∶c;若再增加1道內(nèi)支撐，再令a1∶a∶b∶c的比例不變，令a2∶a1=a1∶a，得到增加2道內(nèi)支撐后的比例。以此類(lèi)推，則可得到多道內(nèi)支撐工況下各個(gè)連續(xù)梁段和懸臂段的最優(yōu)比例。

表1為遞推法與解析法所得鋼板樁圍堰內(nèi)支撐最優(yōu)布置的比較。由表1可知，遞推法得到的內(nèi)支撐最優(yōu)布置與解析解基本吻合，可為實(shí)際工程所采用。

圖4 鋼板樁圍堰內(nèi)支撐最優(yōu)布置(遞推法)

表1 遞推法與解析法所得內(nèi)支撐最優(yōu)布置的比較

2 鋼板樁圍堰內(nèi)支撐最優(yōu)布置的應(yīng)用

2.1 工程概況及計(jì)算參數(shù)

一高速鐵路特大橋主橋?yàn)?聯(lián)4跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，該橋墩號(hào)為119#～123#，跨徑布置為(75 +135+135+75)m。該橋121#墩為水中墩，位于河道中央，屬深水基礎(chǔ)，采用超長(zhǎng)鋼板樁圍堰施工。鋼板樁采用拉森Ⅵ型，材質(zhì)SY295，樁長(zhǎng)29 m，圍堰頂高程為+3.5 m，圍堰底高程為－25.5 m，承臺(tái)底高程為－15.254 m，封底混凝土厚2.2 m，圍堰平面尺寸為24 m×24 m，共設(shè)置5道內(nèi)支撐(圖5)，內(nèi)支撐圈梁采用HM588及HN800型鋼梁，斜撐采用φ800×12 mm和φ630×10 mm鋼管。

鋼板樁圍堰原設(shè)計(jì)及根據(jù)本文提出的遞推法優(yōu)化后的內(nèi)支撐布置方案分別如表2所示。

圖5 鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)(單位:mm)

表2 121#墩鋼板樁圍堰標(biāo)高m

2.2 計(jì)算模型

鋼板樁、內(nèi)支撐、圈梁均采用梁?jiǎn)卧M，封底混凝土采用板單元(板厚2.2 m)模擬。共有3 322個(gè)節(jié)點(diǎn)，2 940個(gè)單元。其中，梁?jiǎn)卧? 796個(gè)，板單元144個(gè)。相鄰鋼板樁、鋼板樁與圈梁、鋼板樁與封底混凝土以及圈梁與內(nèi)支撐之間均假定為鉸接。

封底混凝土底面土對(duì)其約束作用采用只受壓的面彈性支承模擬，其面彈性支承剛度kz=48 432 kN·m－1/m2，鋼板樁底部假定為固定鉸約束。

鋼圍堰在河床面至封底混凝土間的周邊土(圍堰外側(cè)土)對(duì)板樁的約束作用采用單向土彈簧模擬(即只能受壓不能受拉的非線性彈簧)，封底混凝土至樁底間鋼板樁周邊土(板樁兩側(cè)土)對(duì)板樁的約束作用采用雙向彈簧模擬。彈簧的水平剛度k=bCzL。其中:b為板樁的計(jì)算寬度;Cz=mh為地基的水平抗力系數(shù)，m為地基的比例系數(shù)，h為土層深度;L為土彈簧所模擬的樁周土的厚度。各土層的等代土彈簧的水平剛度計(jì)算值分別采用:細(xì)砂層k1=2 205 kN/m;淤泥質(zhì)黏土層k2=28 224 kN/m;灰色黏土層k3=136 776 kN/m;粉質(zhì)黏土層k4=158 152.5 kN/m;粉砂層k5= 106 920 kN/m。

鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)空間有限元計(jì)算模型如圖6所示。

圖6 鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)空間計(jì)算模型

2.3 全水下安裝內(nèi)支撐工況鋼板樁圍堰應(yīng)力

該方案鋼板樁圍堰全部?jī)?nèi)支撐均為水下安裝，即安裝好所有內(nèi)支撐后方開(kāi)始抽水，直至抽水至圍堰底(封底混凝土頂面)。

對(duì)應(yīng)圍堰內(nèi)抽干水工況，計(jì)算出的2種內(nèi)支撐布置方案鋼板樁和內(nèi)支撐最大應(yīng)力比較見(jiàn)表3、表4。

表3 全水下安裝內(nèi)支撐工況內(nèi)支撐布置優(yōu)化前后鋼板樁應(yīng)力比較(靜水壓力)

表4 全水下安裝內(nèi)支撐工況內(nèi)支撐布置優(yōu)化前后內(nèi)支撐應(yīng)力比較(靜水壓力)

從表3、表4可看出，優(yōu)化后的內(nèi)支撐布置方案使圍堰結(jié)構(gòu)鋼板樁和內(nèi)支撐所受最大應(yīng)力顯著減小，降幅分別達(dá)到39.97%，42.38%，優(yōu)化效果非常明顯。

2.4 水下安裝部分內(nèi)支撐工況鋼板樁圍堰應(yīng)力

該方案先在水下安裝第4、第5道內(nèi)支撐，然后開(kāi)始抽水，并伴隨著抽水過(guò)程，逐漸水上安裝剩余的內(nèi)支撐(第1道～第3道)。

表5、表6分別表示水下安裝部分內(nèi)支撐工況2種內(nèi)支撐布置方案鋼板樁和內(nèi)支撐最大計(jì)算應(yīng)力。

表5 水下安裝部分內(nèi)支撐工況內(nèi)支撐布置優(yōu)化前后鋼板樁應(yīng)力比較(靜水壓力)

表6 水下安裝部分內(nèi)支撐工況內(nèi)支撐布置優(yōu)化前后內(nèi)支撐應(yīng)力比較(靜水壓力)

從表5、表6可看出，對(duì)于水下安裝部分內(nèi)支撐工況，優(yōu)化后的內(nèi)支撐布置方案也使圍堰結(jié)構(gòu)鋼板樁和內(nèi)支撐所受最大應(yīng)力顯著減小，降幅分別達(dá)到37.47%，39.72%。

2.5 全水上安裝內(nèi)支撐工況鋼板樁圍堰應(yīng)力

該鋼板樁圍堰的全部?jī)?nèi)支撐均為水上安裝，即抽水前不安裝任何內(nèi)支撐，所有內(nèi)支撐均為邊抽水邊按從上至下的順序水上安裝。

表7、表8分別表示全水上安裝內(nèi)支撐工況2種內(nèi)支撐布置方案鋼板樁和內(nèi)支撐最大計(jì)算應(yīng)力。

表7 全水上安裝內(nèi)支撐工況內(nèi)支撐布置優(yōu)化前后鋼板樁應(yīng)力比較(靜水壓力)

表8 全水上安裝內(nèi)支撐工況內(nèi)支撐布置優(yōu)化前后內(nèi)支撐應(yīng)力比較(靜水壓力)

由表7、表8可知，對(duì)于全水上安裝內(nèi)支撐工況，內(nèi)支撐布置方案優(yōu)化前，鋼板樁在靜水壓力作用下的最大應(yīng)力已接近其容許應(yīng)力，全水上安裝內(nèi)支撐方案難以滿足圍堰結(jié)構(gòu)安全性的要求，而優(yōu)化后的內(nèi)支撐布置方案使圍堰結(jié)構(gòu)鋼板樁和內(nèi)支撐所受最大應(yīng)力均大大減小，降幅分別達(dá)到64.41%，38.17%，圍堰結(jié)構(gòu)各構(gòu)件在靜水壓力作用下的最大應(yīng)力均＜100 MPa，確保了超長(zhǎng)鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)的安全。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)某高速鐵路連續(xù)梁橋水中墩基礎(chǔ)超長(zhǎng)鋼板樁圍堰的計(jì)算分析，給出鋼板樁圍堰內(nèi)支撐的最優(yōu)布置方法，并結(jié)合工程實(shí)際，系統(tǒng)分析了該內(nèi)支撐最優(yōu)布置方案的應(yīng)用效果，得到以下結(jié)論:

1)由解析法求得的鋼板樁圍堰內(nèi)支撐數(shù)為1～4道時(shí)，鋼板樁各梁段長(zhǎng)度的最優(yōu)布置比例(從封底混凝土頂面向上至計(jì)算水位處)分別為0.53∶0.47，0.30∶0.36∶0.34，0.20∶0.21∶0.32∶0.27和0.15∶0.16∶0.21∶0.25∶0.23。

2)鋼板樁各梁段長(zhǎng)度的最優(yōu)布置比例也可根據(jù)遞推法確定，其精度可滿足工程要求。

3)鋼板樁圍堰采用內(nèi)支撐優(yōu)化布置方案后，對(duì)于全水下安裝內(nèi)支撐、水下安裝部分內(nèi)支撐及水上安裝全部?jī)?nèi)支撐工況，鋼板樁及內(nèi)支撐應(yīng)力均明顯降低。對(duì)于全水上安裝內(nèi)支撐工況，在靜水壓力作用下，鋼板樁最大應(yīng)力由200.47 MPa降至71.35 MPa，圍堰結(jié)構(gòu)受力由不安全轉(zhuǎn)化為安全。

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(責(zé)任審編李付軍)

U443.16

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．13

1003-1995(2015)03-0043-04

2014-07-11;

2014-09-13

何永昶(1975—)，男，安徽潛山人，高級(jí)工程師，碩士。