高低刃腳鋼筋混凝土薄封底雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)與施工

吳 俊，劉建超，王文龍

(中鐵一局集團(tuán)第二工程有限公司，河北 唐山 063004)

目前，橋梁深水群樁基礎(chǔ)常采用鋼圍堰施工工藝。鋼圍堰按結(jié)構(gòu)形式可分為鋼套箱、鋼吊箱和鋼圍堰，按截面形式可分為單壁結(jié)構(gòu)、雙壁結(jié)構(gòu)和單雙壁組合結(jié)構(gòu)。低樁承臺施工時，鋼圍堰因其結(jié)構(gòu)合理、受力良好、工期短、受水文條件影響小等特點(diǎn)而常被采用。然而，傳統(tǒng)鋼圍堰對河床地形要求較高，需進(jìn)行河床處理，工序較復(fù)雜，施工成本較高。南平新水東大橋(57.5+105.0+57.5)m 連續(xù)梁3號主墩基礎(chǔ)施工過程中，成功應(yīng)用一種“高低刃腳+鋼筋混凝土薄封底”結(jié)構(gòu)形式的雙壁鋼圍堰。

1 工程概況

南平新水東大橋建設(shè)工程位于南平市延平區(qū)城北，大橋上跨閩江建溪河道。建溪為Ⅳ級通航河道，施工常水位標(biāo)高為62m，一般洪水位標(biāo)高為65m，橋位處設(shè)計(jì)流量 22600m3/s，設(shè)計(jì)流速4.2m/s。根據(jù)工期安排，承臺施工處于雨季，近10年水文資料顯示，河道最大水流速2.48m/s。3號主墩位于建溪河道內(nèi)，常水位時水深15.5m。根據(jù)地勘資料顯示，承臺范圍內(nèi)河床無覆蓋層且地形陡峭，河床地質(zhì)為中風(fēng)化凝灰質(zhì)粉砂巖，呈“V”形沖溝，最大相對高差2.9m。

施工現(xiàn)場周邊河堤岸場地狹窄，沒有雙壁鋼圍堰底節(jié)拼裝場地，需要在水中組裝浮龍門作為拼裝平臺。

2 雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)思路:先綜合考慮承臺設(shè)計(jì)尺寸、河床地質(zhì)等條件，采用GPS－RTK水下測量儀精確測量河床地形，確定雙壁鋼圍堰平面結(jié)構(gòu)形式及尺寸;再結(jié)合以往10年間同時期水文資料，選定合理水流速、水位標(biāo)高等設(shè)計(jì)參數(shù)，以確定雙壁鋼圍堰受力荷載及制作高度;最后對結(jié)構(gòu)各桿件和封底混凝土進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)算，最終確定雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)。

3號墩樁基礎(chǔ)采用8根2.2m鉆孔灌注樁，設(shè)計(jì)樁長73m，承臺尺寸為(20.1 ×9.1 ×4.0)m。鋼圍堰采用圓形雙薄壁鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑23.874m，外徑26.738m，壁間寬1.432m，高度H為14.1 ～17.0m。鋼圍堰結(jié)構(gòu)驗(yàn)算時，按鋼圍堰內(nèi)抽水施工承臺混凝土?xí)r的最不利工況進(jìn)行考慮，此時只考慮靜水荷載作用。

2.1 水下地形測量

為獲得詳細(xì)、準(zhǔn)確的地形，水下地形測量時按等高距0.5m、點(diǎn)位間距1m×1m進(jìn)行量測，導(dǎo)出圖形為CAD格式，圖紙比例為1∶100。

測量儀器采用中海達(dá)GPS－RTK配合中海達(dá)數(shù)字化測深儀HD－31，測量船選擇柴油動力機(jī)動舟，測量時船的航速應(yīng)控制在2m/s左右。測深儀主機(jī)放在駕駛艙中，換能器選擇在船體中部船舷旁固定牢固，這樣可保證探頭不松動和減少行駛過程中波浪對探頭的干擾。換能器立桿應(yīng)保持與水面垂直，且其吃水深度不小于0.5m。測深儀通過數(shù)據(jù)線與換能器相連，再利用HD－31自帶的NAV310測量軟件獲取水深值由測量軟件直接調(diào)用，實(shí)現(xiàn)零延遲傳送，水深和定位達(dá)到同步。刃腳段設(shè)計(jì)時，根據(jù)水下地形測量數(shù)據(jù)畫出剖面展開圖，以確定高低刃腳結(jié)構(gòu)尺寸。底節(jié)展開如圖1所示。

圖1 雙壁鋼圍堰底節(jié)結(jié)構(gòu)展開示意

2.2 側(cè)壁鋼面板驗(yàn)算

鋼圍堰刃腳壁板厚δ1=16mm，由于刃腳段隔艙內(nèi)充填混凝土，在著床工況下進(jìn)行承重驗(yàn)算，本工況下可不予驗(yàn)算。未充填混凝土部分的壁板厚δ=6mm，最大水深h=11m(呈三角形分布)，此時，壁板承受的最大水壓荷載q=110kN/m2。壁板豎肋間距l(xiāng)x=33.3cm，水平圓環(huán)板間距l(xiāng)y=150cm。取3段33.3cm×150.0cm寬單向板簡化成三等跨連續(xù)梁。

2.3 壁板豎肋角鋼驗(yàn)算

水平圓環(huán)板層間距為1.5m，豎肋∟50×6間距l(xiāng)x=33.3cm?？紤]寬33.3cm、厚 δ=6mm 的壁板與豎肋共同受力。組合截面如圖2所示。

圖2 角鋼與壁板的組合截面

根據(jù)結(jié)構(gòu)分析可知:壁板截面面積A矩=19.98cm2;角鋼截面面積A角=5.69cm2;角鋼重心距z0=1.46cm。壁板慣性矩 I矩=0.6cm4;角鋼慣性矩 I角=13.05cm4。組合截面簡化成按三跨連續(xù)梁，如圖3所示。

圖3 豎肋角鋼受力分析

2.4 水平橫撐驗(yàn)算

水平橫撐構(gòu)件為∟ 50×50×6，長度 L=132cm，簡化成單根水平橫撐承受水壓作用于33.3cm×150cm寬單向板的荷載，水平橫撐按兩端鉸支考慮。

根據(jù)結(jié)構(gòu)分析可知:角鋼面積A角=5.69cm2;慣性矩 I=1.305 ×10－7m4;回轉(zhuǎn)半徑 ix=1.52cm，長細(xì)比λ =L/ix=86.8，查表得穩(wěn)定系數(shù)φ=0.642;折算長度系數(shù)μ=0.5。

2.5 水平圓環(huán)板驗(yàn)算

水平圓環(huán)板采用厚δ0=16mm鋼板。簡化成33.3cm寬、厚δ=6mm的壁板與水平圓環(huán)共同受力，壁板與水平圓環(huán)板組合結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 壁板與水平圓環(huán)板組合截面

根據(jù)結(jié)構(gòu)分析可知:壁板截面積 A矩=19.98cm2;圓環(huán)板截面積 A圓=24cm2;z0=4.56cm。壁板慣性矩I矩=0.6cm4;角鋼慣性矩 I角=450cm4。組合截面簡化成按三跨連續(xù)梁，如圖5所示。

圖5 組合結(jié)構(gòu)受力分析

由上述可知:組合截面靜矩yc=11.04cm，組合截面慣性矩13.74kN·m。截面邊緣慣性模量:截面邊緣應(yīng)力［σ］=188.5MPa。因此，水平圓環(huán)板結(jié)構(gòu)滿足要求。

2.6 鋼筋混凝土封底驗(yàn)算

鋼筋混凝土封底設(shè)計(jì)時，按鋼圍堰內(nèi)抽水施工承臺混凝土?xí)r的最不利工況進(jìn)行驗(yàn)算。此時水深h水=16.5m，鋼筋混凝土封底厚度取 h混凝土=1.5m。封底計(jì)算半徑(取至刃腳斜面一半)a=12.653m。簡化成按周邊簡支的圓板承受均布荷載。

2.6.1 按抗彎計(jì)算

根據(jù)結(jié)構(gòu)分析可知:單位荷載:q=129kN/m;彎矩M=qa2(3+μ)/16=4.088×109N·mm。根據(jù)單筋矩形截面最大受彎承載力公式:

式中，As為縱向受拉截面面積，沿半徑方向布置64根20螺紋鋼，總面積20106.2mm2;fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取300N/mm2;γs為內(nèi)力矩的內(nèi)力臂系數(shù)為截面抵抗矩系數(shù)，α=sM為彎矩值;α 為混凝土受壓區(qū)等效矩形1應(yīng)力圖系數(shù)，取1.0;fc為混凝土軸心抗壓設(shè)計(jì)值，取14.3N/mm2;b為板厚，取1000mm;h0為有效截面高度，h0=H－as;H為封底混凝土厚度;αs為鋼筋合力點(diǎn)到混凝土底邊緣距離，取100mm;

根據(jù)上述疊加化簡后，得:

2.6.2 按抗剪計(jì)算

根據(jù)結(jié)構(gòu)分析可知:封底混凝土底部承受浮力F浮=γ水h水A=82989.06kN;封底混凝土自重 G=γ混凝土V混凝土=16577.63kN;封底混凝土板周邊剪力Q=F?。璆=66411.43kN;封底混凝土板與鋼圍堰周邊接觸面積A=πDH=119.25m2。C25混凝土抗拉強(qiáng)度1.27MPa。由此可知:封底混凝土板周邊剪應(yīng)力 τ=Q/A=0.56MPa＜［τ］=1.27MPa。

綜上所述，1.5m厚C25鋼筋混凝土封底能滿足施工要求。

2.7 有限元建模分析校核

為確保施工安全，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)要求，采用MidasCivil2012建模進(jìn)行鋼圍堰結(jié)構(gòu)分析，采用Ansys建模分析封底混凝土，以校核簡化驗(yàn)算數(shù)據(jù)的合理性。經(jīng)過建模分析，鋼圍堰內(nèi)、外壁板應(yīng)力云圖，鋼圍堰豎肋、水平橫撐及斜撐應(yīng)力分析及內(nèi)外圓環(huán)板應(yīng)力云圖可知:在最不利工況下各桿件最大應(yīng)力:①壁板:σ=90.84MPa;②豎肋及橫撐:σ=105.04MPa;③圓環(huán)板:σ =96.054MPa。由鋼筋混凝土封底厚度取1.3m分析結(jié)果可知，鋼圍堰內(nèi)外壁板變形值5.4m，超過允許值3.75mm的范圍，結(jié)合需要對鋼圍堰進(jìn)行配重以保證其在大流速下的整體穩(wěn)定性，需要在鋼圍堰底節(jié)的隔艙內(nèi)灌注C20混凝土以增強(qiáng)鋼圍堰壁板強(qiáng)度。

由封底混凝土應(yīng)力云圖可知，封底混凝土最大變形值為 0.274mm，剪應(yīng)力為1.08MPa，C25 水下混凝土抗拉強(qiáng)度為1.27MPa。同時，由于在鋼圍堰內(nèi)壁板及鋼護(hù)筒與混凝土接觸部位應(yīng)力較大，在底部約束處出現(xiàn)應(yīng)力激增現(xiàn)象，實(shí)際施工中，鋼筋混凝土封底厚度增大為1.5m，需要采用鋼刷打磨壁板和焊接錨固鋼筋等措施，以增加界面間的摩擦力和錨固力，以抵消應(yīng)力激增現(xiàn)象。

3 施工關(guān)鍵工序

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況及結(jié)構(gòu)驗(yàn)算中存在的問題，施工過程中的關(guān)鍵在于:①組裝浮龍門平臺用于鋼圍堰底節(jié)拼裝;②鋼圍堰在水深、流急、傾斜裸巖面的著床;③封底中鋼筋網(wǎng)片、錨固加強(qiáng)筋的設(shè)置及封底混凝土澆筑質(zhì)量。

3.1 鋼圍堰底節(jié)拼裝

浮龍門結(jié)構(gòu)為12節(jié)標(biāo)準(zhǔn)舟節(jié)組成4條舟體，將2條舟體并在一起組成1組，2組舟體拉開27.738m空檔，兩側(cè)僅預(yù)留0.3～0.6m活動余量;為加強(qiáng)整體穩(wěn)定性，將2組舟體通過2組貝雷梁連接成整體(每組貝雷梁為3榀);支墩采用4組雙拼I20a組成，凈高8m;浮龍門平臺采用4組貝雷梁(每組貝雷梁為2榀)，并確保鋼圍堰單元塊分塊縫正好位于貝雷梁上。浮龍門橫梁采用2組貝雷梁，每組貝雷梁為4榀;貝雷梁上面安裝4組4輪滑輪組及4臺5t的慢速卷揚(yáng)機(jī)組成升降系統(tǒng)(見圖6)。

圖6 浮龍門結(jié)構(gòu)示意

每個圍堰節(jié)段沿圓心等分為10個單元塊，單元塊在胎模上先加工底節(jié)刃腳構(gòu)件后加工其余節(jié)段。底節(jié)拼裝前，采用10t重力錨的強(qiáng)力錨纜固定浮龍門，并及時掌握水流、水位變幅等水文信息，隨時調(diào)整浮平臺位置，確保拼裝時平臺穩(wěn)定。拼裝前，在浮龍門平臺上準(zhǔn)確放出各單元體輪廓位置，利用浮吊將鋼圍堰底節(jié)各單元塊對稱拼裝，底節(jié)拼組時，及時檢查平整度和垂直度，要隨拼裝，隨調(diào)整，待全部點(diǎn)焊成型后，方可全面焊接。拼裝時需采用手拉葫蘆纜風(fēng)繩固定單元塊，同時在刃腳設(shè)型鋼支墩作為臨時支墊。底節(jié)拼組完成后，全面檢查各焊縫質(zhì)量，確保焊接良好不漏水。

3.2 鋼圍堰節(jié)段接高、下沉著床

底節(jié)拼裝完成后，利用浮龍門提吊下水至導(dǎo)向船內(nèi)，再采用機(jī)動舟頂推浮運(yùn)至墩位處拋錨錨定，浮吊吊裝單元塊水平環(huán)向?qū)ΨQ接高鋼圍堰。焊縫檢查合格后，向鋼圍堰隔艙內(nèi)同時對稱注水下沉。鋼圍堰注水下沉距河床面30cm時，采用錨機(jī)精調(diào)導(dǎo)向船定位。潛水員配合確定鋼圍堰刃腳先著床的區(qū)域后，向位于該區(qū)域的隔艙內(nèi)快速注水下沉，使鋼圍堰著床處于半穩(wěn)定狀態(tài)，再注水下沉其余隔艙使其頂面標(biāo)高一致，然后安排潛水員在刃腳與河床之間采用鋼馬凳進(jìn)行支墊，其余空隙采用堆碼袋裝水泥和砂的混合料堵塞密實(shí)。

3.3 薄封底鋼筋混凝土施工

封底層鋼筋主要由3部分組成:①底節(jié)刃腳及內(nèi)壁板內(nèi)側(cè)與封底混凝土接觸區(qū)域用砂輪機(jī)打毛后，圍焊“幾”字形20螺紋鋼筋作為錨固筋，環(huán)向間距0.3m，層間距50cm;②在每根鋼護(hù)筒外壁圍焊L形20螺紋鋼筋作為錨固筋，環(huán)向間距0.3m，層間距50cm;③封底內(nèi)鋼筋網(wǎng)片采用20螺紋鋼筋，網(wǎng)格間距15cm×15cm，距底板10cm，先水下安裝護(hù)筒以外圓弧部分封底混凝土內(nèi)鋼筋網(wǎng)片，護(hù)筒下放完畢后，再水下安裝鋼護(hù)筒之間的鋼筋網(wǎng)片。

封底混凝土施工前，應(yīng)先對稱澆筑隔艙內(nèi)的C20混凝土。封底混凝土坍落度控制在16～22cm，水底擴(kuò)散半徑4～6m，首灌封底采用拔塞工藝。灌注順序按照“河床標(biāo)高由低到高、由外而內(nèi)”的原則進(jìn)行，施工時在圍堰內(nèi)按1.5m×1.5m方格布置測點(diǎn)，每隔30min用平板測錘對封底區(qū)域內(nèi)混凝土面進(jìn)行監(jiān)測，直至達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高。

4 結(jié)語

通過采用組拼浮龍門平臺，有效解決底節(jié)拼裝場地狹窄的問題。通過結(jié)構(gòu)簡化驗(yàn)算，鋼圍堰各單元桿件均滿足相關(guān)要求，采用有限元軟件分析校核，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中的安全隱患并解決。實(shí)踐表明，高低刃腳鋼筋混凝土薄封底雙壁鋼圍堰的設(shè)計(jì)理念先進(jìn)、結(jié)構(gòu)受力合理，結(jié)構(gòu)具有良好的安全性和實(shí)用性。同時，相較傳統(tǒng)直筒型結(jié)構(gòu)可省去河床處理工序，縮短了施工工期，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

參考文獻(xiàn):

［1］張偉，張靜，謝官模.雙壁鋼圍堰封底混凝土厚度設(shè)計(jì)研究［J］.城市住宅，2017(1):105-108.

［2］趙建虎，張紅梅.水下地形測量技術(shù)探討［J］.測繪信息與工程，1999(4):22-26.

［3］張中齊.黔桂鐵路東江大橋3#墩雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)與施工［J］.國防交通工程與技術(shù)，2010(4):63－66.

［4］孫訓(xùn)方.材料力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2002.

［5］鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊橋涵地基和基礎(chǔ)［M］.北京:中國鐵道出版社，2002.

［6］曾京平.白沙湖大橋深水鉆孔樁施工(5#墩)［J］.遼寧交通科技，2004(6):79-82.