古龍大橋主墩承臺圍堰結構設計方案

李明珊

(廣西路橋工程集團有限公司，廣西　南寧　530011)

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古龍大橋主墩承臺圍堰結構設計方案

李明珊

(廣西路橋工程集團有限公司，廣西南寧530011)

橋梁水中承臺施工是橋梁施工的重點、難點工程。文章以古龍大橋為例，介紹了連續(xù)剛構橋梁主墩承臺圍堰結構設計方案，并通過鋼套箱結構強度及穩(wěn)定性驗算，驗證了該設計方案的合理性。

套箱圍堰；連續(xù)剛構；承臺；結構設計；穩(wěn)定性驗算

0　引言

橋梁水中墩臺圍堰施工，是橋梁工程的重點和難點。水中墩臺的圍堰結構設計，不僅關系到圍堰結構受力的合理及安全問題，往往還關系到橋梁施工的成本。通過有效、合理的計算及分析，不僅能夠確保圍堰結構在橋梁施工使用過程中的安全性，也能最大限度地發(fā)揮結構的有效應力，達到節(jié)約材料、節(jié)省投資的目的。同時，合理的計算及分析，也在一定程度上加快了橋梁施工的進度。

1　工程概況

古龍大橋位于大化至巴馬二級公路巖灘鎮(zhèn)附近，為預應力混凝土連續(xù)剛構橋，橋長459.08 m，主橋為(85+160+85)m預應力混凝土連續(xù)剛構，全長330 m；引橋為先簡支后連續(xù)后張法預應力混凝土T梁，全長139.08 m。按照斜橋正做方法進行布置。其橋梁主墩基礎為承臺接群樁基礎。古龍大橋主墩承臺采用上、下端帶圓弧形的承臺，橫橋向寬度為18 m，順橋向寬度為13 m，厚度為4.5 m，基礎采用4φ2.8m鉆孔灌注樁，見圖1。

圖1　主墩承臺立體圖

2　橋位地形地貌

古龍大橋位于巖灘鎮(zhèn)古龍村村口，橋梁跨越紅水河，河水由北向南流動，河水位高程為154.40m，地面高程為154.372～196.563m。橋址處河道比較順直，大化岸主要為舊路路基邊坡，邊坡上半部植被主要為松樹及灌木、雜草，下半部主要為稀疏雜草或開荒玉米地；巴馬岸較大化岸平緩，主要為階梯玉米地及荒地，植被較稀疏。橋位區(qū)屬于剝蝕丘陵地貌，路線與紅水河航道線斜交約65°，勘測期間水面寬度約220m，最大水深約29m。紅水河通航等級為Ⅳ(3)級。

3　主要工程特點

古龍大橋處于大化水電站庫區(qū)末端，并處在沿灘水電站的下游，距離沿灘水電站約5km，水深較深，河道有通航要求。承臺為高樁承臺，承臺頂面標高位于常水位水面以下，需要采用有底鋼套箱施工。

(1)鋼套箱尺寸和重量較大，分別為18.4m(長)×13.4m(寬)×7.5m(高)m和176t，拼裝、下放、定位難度較大。

(2)鋼套箱施工、封底混凝土都是大型作業(yè)，封底混凝土和承臺混凝土數(shù)量分別為237m3和946m3，施工技術難度和組織難度均較大，需各方通力配合。

(3)套箱加工、運輸、安裝、下沉等要求施工組織嚴密，涉及水上施工作業(yè)，安全風險高。

(4)套箱壁板拆除需要潛水員到水下松開高強螺栓和進行水下切割作業(yè)，施工難度較大、安全風險較高。

4　套箱圍堰設計

4.1套箱結構概況

1#、2#主墩鋼套箱的內(nèi)部凈尺寸為18.4m(長)×13.4m(寬)×7.5m(高，不含底板結構高度0.2m，以下數(shù)據(jù)一致)的八面體結構，鋼套箱先在岸上進行分塊加工，并進行預拼，經(jīng)檢驗合格后，通過平板拖車運到墩位處，采用25t汽車吊配將底板和壁板依次分塊拼裝。采用10t倒鏈滑車利用鋼護筒將鋼套箱懸吊在護筒吊架上。通過吊掛升降系統(tǒng)，將套箱在水面以上拼裝好后，再整體下放到設計標高。

施工承臺時的施工水位按156.4m考慮，套箱側板底比承臺底低1.0m，套箱頂口高于施工水位44cm，頂面標高156.84m。結合承臺的結構尺寸，單壁鋼套箱設計為八面體，套箱內(nèi)部凈尺寸為18.4m(長)×13.4m(寬)×7.5m(高)，四邊均比設計尺寸寬20cm以避免安裝偏差造成承臺尺寸不合格。外部尺寸為18.8m(長)×13.8m(寬)×7.5m(高)，套箱設計抵抗水壓力為6.9m，套箱結構如圖2～3所示。

圖2　承臺套箱壁板結構圖

圖3　承臺套箱底板結構圖

4.2底板結構

底板面板采用6mm鋼板，橫、縱向加勁肋梁采用Ⅰ25a工字鋼，主梁采用2Ⅰ56a工字鋼，加勁肋之間、主橫梁與加勁肋之間采用L100×63×10角鋼做面板背肋，封底混凝土采用C30高性能水下混凝土。

4.3壁板結構

加工套箱壁板的材料為：壁板采用8 mm鋼板，豎向背肋采用-100×10 mm扁鋼做肋板，間距30 cm；橫向背肋肋梁采用[10#槽鋼，間距30 cm；每塊壁板四周采用∠100×63×10 mm型號角鋼，采用M20高強螺栓將分塊的壁板連接成整體。為增強壁板抵抗水壓力的能力，在壁板豎向和水平布置由Ⅰ28 b工字鋼焊接成的框架式主梁，豎向間距120～140 cm，水平間距為2@60 cm+120 cm+150 cm。

4.4內(nèi)支撐系統(tǒng)

套箱內(nèi)部支撐采用φ529mm、壁厚8mm鋼管，Ⅰ45a雙拼工字鋼作套箱頂口內(nèi)支撐圍檁。圍堰設兩道內(nèi)支撐，第一道距離圍堰頂往下1.7m位置，第二道距離第一道往下1.9m位置。

5　鋼套箱結構強度及穩(wěn)定性驗算

利用Midas/Civil2010結構分析軟件建立空間模型進行整體結構分析，Midas/Civil模擬分析說明如下：

(1)壁板迎水面受到的動水壓力根據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTGD60-2004)流水壓力計算公式按照最大流速0.5m/s進行計算，然后通過面荷載的形式疊加到迎水面的壁板上，流水壓力計算過程如下：

(2)基于圍堰屬于臨時結構考慮，本方案所有midas/Civil軟件所輸入的荷載組合系數(shù)均按1.0考慮，按各不利荷載進行組合。驗算工況見表1。

表1　圍堰施工驗算工況表

5.1套箱澆筑封底混凝土工況驗算

在此工況下鋼套箱體自重和封底混凝土的重力全部由固定在鋼護筒上的抗拉壓桿承擔。在建模分析計算中，用均布荷載代替封底混凝土的壓力，所受到的荷載值計算如下：封底混凝土壓力1×15=15kN/m2；壁板重量采用線荷載加載在底板四周邊梁上88.67×10/56.1=15.81kN/m(下文中底板強度驗算都已包含壁板荷載)，驗算模型分析如圖4～5所示。

圖4　底板結構澆筑混凝土時分析模型圖

圖5　抽水后底板鋼結構受力分析圖

根據(jù)軟件分析結果可知，在澆注封底混凝土時，底板最大剪應力為61.9MPa<85MPa，發(fā)生在掛點附近主梁單元上；最大彎曲應力為132.9MPa<145MPa，底板最大撓度為21.8mm，發(fā)生在套箱短邊中心位置，撓度較小。因此，經(jīng)驗算鋼套箱在此荷載工況下的強度及撓度均滿足規(guī)范要求。

5.2鋼套箱抽水工況驗算

鋼套箱抽水工況下底板和壁板都受到很大的水壓力作用，整個套箱受到較大的浮力作用，因此需分別對底板、壁板進行強度、剛度驗算和對整個套箱進行整體抗浮穩(wěn)定性驗算。驗算時，按照套箱最大設計承壓高度156.300m水位標高進行驗算。

5.2.1套箱底板強度驗算

在抽水工況下封底混凝土已經(jīng)達到設計強度，與底板鋼結構連結成整體受力和變形，并與鋼護筒產(chǎn)生有效的粘結。抽干水后，套箱底板受到強大的水壓力作用，在此工況下主要驗算底板鋼結構的結構強度和封底混凝土的應力狀況，要保證封底混凝土頂面拉應力不超過設計抗拉強度標準值R1，查《路橋施工計算手冊》可知C30混凝土的R1=1.75 MPa。底板受到的水壓力值為6.9×10=69 kN/m2，受到壁板的重力為17.5 kN/m。

從分析計算結果可知，鋼套箱抽水后由于封底混凝土與底板鋼結構整體受力，底板鋼結構的應力較小，最大剪應力僅為3.4 MPa<85 MPa，最大彎曲應力僅為6.6 MPa<145 MPa；封底混凝土的最大拉應力為0.83 MPa<1.75 MPa。因此在此工況下底板結構的結構強度滿足規(guī)范要求。

5.2.2套箱壁板強度驗算

鋼套箱壁板設計最大水深為6.9 m，即+149.5 m～+156.4 m。承臺鋼套箱封底混凝土強度達到后，將套箱內(nèi)水全部抽干，此時壁板將受到強大的水壓力作用，此工況為壁板受力的最不利工況。此荷載工況下，結構側壁受到6.9 m高的水壓力作用。結構驗算如圖6～7所示。

圖6　套箱側板應力分析圖

圖7　澆筑承臺混凝土套箱壁板變形圖

面板最大有效應力為28.8 MPa，發(fā)生在套箱四個角落位置，位于封底混凝土頂面處，28.8 MPa<145 MPa，梁單元的最大剪應力為44.06 MPa<85 MPa；最大彎曲應力為133.2 MPa<145 MPa；加強背肋最大彎曲應力為81.2 MPa<145 MPa；均滿足要求。鋼管支撐最大軸應力為29.4 MPa。所以綜上所述套箱各單元應力滿足規(guī)范要求。

在6.9 m水深的壓力作用下，鋼套箱面板最大撓度為3.5 mm

5.3澆注承臺混凝土工況驗算

主墩承臺混凝土根據(jù)設計高度為4.5 m，為了考慮到圍堰側板的安全，計劃分兩層澆筑，第一層澆筑高度2 m，第二層澆筑高度為2.5 m。第一層混凝土養(yǎng)生7 d，強度不低于設計強度的80%后，澆筑第二層混凝土。澆筑第一層混凝土時，混凝土底部的水壓力是6.9×10=69 kN/m，混凝土的重力為25×2=50 kN/m，混凝土的重力與水壓力基本平衡，因此無需對底板結構進行驗算，只需驗算圍堰的側板。圓弧端承臺考慮支立部分模板澆筑，因此澆筑第一層混凝土時混凝土側壓力直接作用在圍堰兩側板上。

按澆筑速度計算混凝土側壓力：

rc=25 kN/m3，t0=8 h，β1=1.2，β2=1.15，V=0.2 m/h；計算得F=27.15 kN/m2。

5.3.1澆筑首層混凝土壁板強度驗算

經(jīng)受力驗算，鋼套箱壁板結構在澆筑首層承臺混凝土時，受到的最大剪應力為26.6 MPa<85 MPa；受到的最大彎曲應力為74.1 MPa<145 MPa；最大變形>3 mm，變形較小。從受力圖可以看出，在澆筑第一次混凝土時由于混凝土側壓力與水壓力相互平衡的作用，混凝土對側板的側壓力作用對圍堰側板結構是有利的。因此壁板結構在澆筑首層承臺混凝土工況下，結構強度滿足規(guī)范要求。

澆筑第一層混凝土，圍堰承載能力驗算：

G封底=5 926.2 kN、G套箱=1 712.85 kN、G承臺=231.46×2×25=11 573 kN；

F浮力=14 020.8 kN、F握裹力=4 521.6 kN、F拉壓=6 369.3 kN；

5.3.2澆筑第二層混凝土壁板強度驗算

圖8　澆筑第二層混凝土套箱壁板變形圖

經(jīng)受力驗算(見圖8)，鋼套箱壁板結構在澆筑第二層承臺混凝土時，受到的最大剪應力為25.8 MPa<85 MPa；受到的最大彎曲應力為105.56 MPa<145 MPa；最大變形為1.06 mm

綜上所述，在澆筑承臺混凝土的工況下，鋼套箱的結構強度和變形滿足規(guī)范要求。

6　結語

經(jīng)過計算表明，主墩鋼套箱結構強度、剛度和穩(wěn)定性滿足各施工工況的要求，封底混凝土的強度滿足受力要求。本工程方案設計計算合理，經(jīng)濟可行。單臂鋼套箱堰施工具有：結構自重輕，整體剛度大；水密性能好，防滲性能好；施工簡便占用場地??；側板材料可以重復利用；結構方式靈活多樣等優(yōu)點。本工程利用單臂鋼套箱圍堰施工方法，既可以保證結構安全，又可以降低造價，提高施工速度，降低水下作業(yè)和施工難度，經(jīng)濟效益顯著。

[1]GB 50017-2003，鋼結構設計規(guī)范[S].

[2]《鋼結構設計手冊》編委會.鋼結構設計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[3]周水興，何兆益，等.路橋施工計算手冊[M].北京：人民交通出版社，2010.

[4]交通部第一公路工程總公司.橋涵.[M].北京：人民交通出版社，2000.

Cushion Cap Cofferdam Structural Design Program for Main Pier of Gulong Bridge

LI Ming-shan

(Guangxi Road and Bridge Engineering Group Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530011)

Underwater cushion cap construction of bridges is always the key and difficult project in bridge construction.Taking Gulong Bridge as the example，this article introduced the main-pier cushion cap cofferdam structure design program of continuous rigid frame bridge，and through the structure strength and stability computations of steel boxing，it verified the rationality of this design program.

Boxed cofferdam；Continuous rigid frame；Cushion cap；Structural design；Stability computations

U443.25

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.07.010

1673-4874(2016)07-0037-04

2016-06-10

李明珊(1983—)，研究方向：橋梁施工。