某跨海大橋鋼圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及力學(xué)行為分析

王立祠

（河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，石家莊050051）

1 工程概況及圍堰結(jié)構(gòu)參數(shù)

青連鐵路ZQ-5標(biāo)段跨膠州灣特大橋，全長(zhǎng)8941.27m，上部結(jié)構(gòu)為40孔50m跨徑簡(jiǎn)支箱梁。其中，第153#～193#墩跨上跨膠州灣，跨度長(zhǎng)2000.80m，采用鋼圍堰進(jìn)行基礎(chǔ)及下部施工。

鋼板樁圍堰采用拉森IV型鋼板樁，材質(zhì)Q295bz，圍堰頂標(biāo)高均為+3.5m，封底混凝土采用C30混凝土。本文以具有代表性的153#墩（圍堰尺寸14.4m×10.4m、15m鋼板樁）為例進(jìn)行設(shè)計(jì)檢算。采用容許應(yīng)力法計(jì)算，材料容許應(yīng)力：Q295bz鋼板樁的容許彎曲正應(yīng)力為 [σ]＝295/1.2×0.75＝184MPa；Q235B鋼材的應(yīng)力為：彎曲正應(yīng)力[σ]＝170MPa，剪應(yīng)力[τ]＝100MPa[1]。

2 鋼圍堰計(jì)算

2.1 入土深度計(jì)算

2.1.1 取1m寬鋼板樁進(jìn)行入土深度計(jì)算

鋼板樁入土深度采用等直梁法進(jìn)行計(jì)算，最終通過(guò)計(jì)算得到封底混凝土底面至彎矩零點(diǎn)的距離t，最小入土深度T=kt，其中，k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取1.1~1.2，本文取1.2。擬定鋼板樁入土深度t=10m，對(duì)10m范圍內(nèi)的主動(dòng)土一側(cè)與被動(dòng)土一側(cè)的土層重度 γa、γp、內(nèi)摩擦角φa、φp進(jìn)行加權(quán)平均值計(jì)算：γa平均=19.6k N/m3，φa平均=21.1°；γp平均=19.8k N/m3，φp平均=21.2°。

主動(dòng)土壓力系數(shù)：Ka=tan2（45°-21.1°/2）=0.47；被動(dòng)土壓力系數(shù)：Kp=tan2（45°+21.2°/2）=2.13。

1）計(jì)算開(kāi)挖面至鋼板樁上土壓力等于零的點(diǎn)的距離y：

式中，H2為地面標(biāo)高到封底混凝土高度，計(jì)算土壓力強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)考慮鋼板樁墻與土的摩擦作用，將鋼板樁墻土壓力乘以修整系數(shù)；K為被動(dòng)土壓力修正系數(shù)，查表后得1.624；

2）按簡(jiǎn)支梁計(jì)算等值梁支點(diǎn)反力（即Ra和P0）；

3）根據(jù)Ra和鋼板樁被動(dòng)土壓力等于板樁底端力矩，由此可求得x，建模計(jì)算得P0=31.4k N。

總?cè)胪辽疃龋簍=x+y=2.56+0.78=3.34m。因此，鋼板樁的入土深度T=1.2t=4.008m，封底標(biāo)高為-4.156m，鋼板樁樁底標(biāo)高為-11.5m，實(shí)際入土深度為7.344m＞4.008m，鋼板樁總長(zhǎng)度15m，滿足計(jì)算需求。

2.1.2 基坑底抗涌起計(jì)算

根據(jù)前述計(jì)算，鋼板樁長(zhǎng)度15m，以此計(jì)算鋼板樁內(nèi)外土的參數(shù)。根據(jù)Prandtl公式計(jì)算抗涌安全系數(shù)：

式中，c為土的黏聚力，k Pa；D為基礎(chǔ)擋墻入土深度，m；H為基坑開(kāi)挖深度，m；γ為基坑外側(cè)土的平均重度；q為地面超載。根據(jù)Prandtl公式，要求Ks≥1.1～1.2，其中，Nq=tan2（45°+φ/2）eπtanφ，Nc=（Nq-1）/tanφ，由此可得 Ks=5.98＞1.2，故抗涌起滿足要求。

2.2 鋼板樁受力計(jì)算

用MIDAS軟件進(jìn)行有限元計(jì)算分析，分為5個(gè)施工工況：（1）降水開(kāi)挖至2.344m處，在開(kāi)挖面以下0.78m固接；（2）3.0m處安裝第一道內(nèi)支撐；（3）降水開(kāi)挖至-0.656m；（4）-0.116m 處安裝第2層內(nèi)支撐；（5）降水開(kāi)挖至封底底-4.156m。其中，工況（1）時(shí)，鋼板樁圍堰應(yīng)力σ=（17.4×103）/（2270×10-6）=7.7MPa＜184MPa。根據(jù)（2）～（5）工況下的鋼板樁受力分析結(jié)果，得出鋼板樁應(yīng)力情況均滿足要求，第1道支撐最大反力為45.1k N/m，第二道支撐最大反力為220k N/m[2]。

2.3 圍囹及內(nèi)支撐計(jì)算

第1層圍囹選用400mm×400mm×20mm H型鋼，內(nèi)支撐角撐采用 400mm×400mm×20mm H型鋼，對(duì)撐采用 400mm×400mm×20mm H型鋼；第2層圍囹選用500mm×200mm×20mm雙拼工字鋼，內(nèi)支撐角撐采用400mm×400mm×20mm H型鋼，對(duì)撐采用400mm×400mm×20mm H型鋼。其中，第1道圍囹所受最大環(huán)向荷載為45.1k N/m，第2道圍囹所受最大環(huán)向荷載為220k N/m。第1道內(nèi)支撐最大位移為0.83mm，圍囹及內(nèi)支撐最大組合應(yīng)力為26.9MPa＜170MPa，強(qiáng)度與剛度均滿足要求。

第2道內(nèi)支撐最大位移為3.1mm，圍囹及內(nèi)支撐最大組合應(yīng)力為120.6MPa＜170MPa，強(qiáng)度與剛度均滿足要求。對(duì)撐最大軸力為1050k N，自由長(zhǎng)度為L(zhǎng)=9.5m?；匦霃剑篿=16.81cm，面積：A=251cm2；長(zhǎng)細(xì)比：λ=57，由此查穩(wěn)定系數(shù)表得 φ=0.823，σ=N/φA=50.78MPa＜[σ]=170MPa，穩(wěn)定性滿足要求。

2.4 封底計(jì)算

2.4.1 封底混凝土強(qiáng)度計(jì)算

封底混凝土所受荷載：

其中，γ水、γ混分別為水和混凝土的容重；h水、h混分別為其高度。

封底混凝土計(jì)算采用MIDAS軟件建立實(shí)體單元進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果可知：封底混凝土最大拉力應(yīng)為0.61MPa＜1.43MPa；封底混凝土最大豎向位移為0.04mm，滿足要求。

2.4.2 抗浮計(jì)算

圍堰可看作近似密封體，抽水完成后，在水的浮力作用下有可能連同封底混凝土連同鋼板樁向上位移，出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。圍堰抗浮主要來(lái)自結(jié)構(gòu)的自重以及與土層摩擦、封底混凝土與鋼護(hù)筒摩阻力，混凝土與封底之間的摩阻力考慮為150k Pa。

抗浮力計(jì)算如下：

封底混凝土自重：G=（13.5×9.5-0.785×1.252×10）×1×24=2783.6k N；

封底混凝土與鉆孔之間的摩擦力：F=3.14×1.25×10×1×150=5887.5k N；

鋼板樁及圍囹自重G1=1628.6 k N；

合計(jì)抗浮力為：2783.6+5887.5+1628.6=10 299.7k N；

浮力：F=10×（3.5+3.156+1）×（13.5×9.5-0.785×1.252×10）=8879.7k N；

則抗浮系數(shù) K=10 299.7/8879.7=1.16＞1.05，滿足要求[3]。

3 結(jié)論及建議

根據(jù)上述對(duì)具有代表性的153#墩海上承臺(tái)圍堰的計(jì)算，整體驗(yàn)算結(jié)果表明鋼板樁及內(nèi)支撐受力均滿足要求，該圍堰類型及內(nèi)支撐布置形式可為其他類似圍堰工程的設(shè)計(jì)及施工提供參考，但在施工過(guò)程中需保證以下事項(xiàng)，以確保結(jié)構(gòu)安全：

1）鋼板樁圍堰施工嚴(yán)格按照各墩施工圖紙進(jìn)行施工，確保圍囹及內(nèi)支撐位置、材料準(zhǔn)確；

2）鋼板樁圍堰頂?shù)讟?biāo)高控制準(zhǔn)確，鋼板樁入土深度不得少于4.008m，以滿足抗涌要求；

3）按照各墩圍堰圖紙所布設(shè)圍囹情況均可滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需要，驗(yàn)算通過(guò)；但海中地質(zhì)情況復(fù)雜，鋼板樁吸泥開(kāi)挖時(shí)注意地質(zhì)情況變化，如地質(zhì)情況差則需加設(shè)承臺(tái)位置的臨時(shí)支撐，待封底混凝土澆筑完成后方可拆除。