宜賓臨港長江公鐵兩用大橋組合圍堰計(jì)算及監(jiān)控方法

黃 鵬

(四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司大橋工程分公司, 四川成都 610015)

伴隨我國公共交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，一方面為滿足橋梁大跨度的要求，橋梁基礎(chǔ)尺寸日益增大[1-3]；另一方面，在橋梁建設(shè)技術(shù)不斷提高的推動作用下，大跨度橋梁建設(shè)逐漸走向深水區(qū)，為滿足橋梁基礎(chǔ)施工期間的安全需求，不同結(jié)構(gòu)形式、尺寸的圍堰施工技術(shù)也不斷得到發(fā)展。在橋梁基礎(chǔ)施工中，常見的圍堰形式有鋼板樁圍堰、雙壁鋼圍堰、鎖口鋼管樁圍堰、咬合樁圍堰以及各類組合結(jié)構(gòu)形式的圍堰[4-5]。

由于橋梁基礎(chǔ)施工中，各類圍堰結(jié)構(gòu)形式日益復(fù)雜、體量日趨巨大，針對此類大型圍堰工程，為確保橋梁施工期間的安全性，在圍堰設(shè)計(jì)階段必須對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，施工期間必須對其工作狀態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形監(jiān)測[6-7]，保證圍堰結(jié)構(gòu)處于合理的工作狀態(tài)內(nèi)。本文以位于四川省宜賓市長江上游的宜賓臨港長江公鐵兩用大橋3#主墩基礎(chǔ)施工期間，實(shí)施性圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)控測量數(shù)據(jù)分析，以期為將來類似工程提供參考借鑒。

1 工程背景

1.1 項(xiàng)目概況

宜賓臨港長江公鐵兩用大橋(以下簡稱臨港橋)位于宜賓市內(nèi)，該橋?yàn)槿乩ジ哞F、渝昆高鐵及連接宜賓北岸臨港區(qū)、南岸翠屏區(qū)市政交通的共同過江通道。臨港橋?yàn)殡p塔四索面平層公鐵兩用斜拉橋。

臨港長江公鐵兩用大橋主橋全長1 073 m，橋跨布置為(72.5+203+522+203+72.5)m，為國內(nèi)首座公路與高鐵合建鋼箱梁斜拉橋、世界跨度最大公鐵兩用鋼箱梁斜拉橋。臨港橋主橋立面圖如圖1所示。

圖1 宜賓臨港長江公鐵兩用大橋主橋立面(單位:m)

1.2 水文條件

臨港橋位于長江上游地區(qū)，為雨源性山區(qū)河流，水位變化劇烈。每年11月至次年5月，圍堰所處區(qū)域水位維持在258.0附近，為長江水位枯水位，圍堰所處區(qū)域水流速度約為3 m/s；每年6月至10月，該區(qū)段內(nèi)長江水位上漲，最高水位超過267.0，為汛期洪水水位。

1.3 基礎(chǔ)工程概況

臨港橋采用矩形承臺基礎(chǔ)，承臺基礎(chǔ)平面尺寸67 m×35.75 m(以3#主墩承臺為例)，承臺高度7 m，承臺頂面高程252.3，位于河床底面基巖上方。3#主墩基礎(chǔ)施工區(qū)段內(nèi)，長江枯水期最高施工水位260.0，洪水期間最高施工水位269.0，臨港橋3#主墩基礎(chǔ)立面如圖2所示。

圖2 臨港橋承臺立面布置

1.4 施工方案概述

1.4.1 人工筑島

在臨港橋3#主墩基礎(chǔ)施工前，在長江水位位于枯水位期間，人工筑島至主墩承臺施工區(qū)域，筑島面高程260.5，枯水期人工筑島如圖3所示。

圖3 枯水期人工筑島

1.4.2 施工咬合樁

待人工筑島完成后，施工3#主墩圍堰下部咬合樁部分，并對承臺基礎(chǔ)區(qū)域進(jìn)行開挖，承臺最大開挖深度15.2 m，開挖期間伴隨深度的增加，及時(shí)施作上部鋼管支撐。安裝圍堰內(nèi)部支撐如圖4所示。

1.4.3 上部鋼圍堰接長

待下部咬合樁施工完成后，在汛期來臨前，接長上部雙壁鋼圍堰。雙壁鋼圍堰頂面標(biāo)高270.5，滿足汛期施工長江最高水位269.0要求，臨港橋3#主墩圍堰接長如下圖5所示。

圖5 接長上部雙壁鋼圍堰

2 主墩圍堰結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

在組合圍堰結(jié)構(gòu)模擬中，采用了三種不同的模擬方法，將咬合樁簡化為梁單元、板單元進(jìn)行模擬有限元模型如圖6所示。

圖6 梁、板單元模擬咬合樁模型示意

2.1 忽略素樁法

在此計(jì)算方法中，咬合樁葷樁作為組合圍堰下部主要受力結(jié)構(gòu)，假定所有荷載均由葷樁承擔(dān)，咬合樁素樁不作為一般受力結(jié)構(gòu)，主要完成防滲止水功能，不計(jì)咬合樁-素樁傳遞豎向彎矩、橫向彎矩及徑向剪力[8]。

2.2 等效剛度法

在圍堰咬合樁數(shù)值計(jì)算方法中，較為常見的方法有等效剛度法。其原理為，根據(jù)等效剛度原則，將咬合樁等效為地下連續(xù)墻，以此來進(jìn)行圍堰結(jié)構(gòu)的變形及穩(wěn)定性分析[9-10]，通過等效剛度法折算厚度取t=1300mm。

違法藥品廣告一直是個(gè)頑疾，長期困擾著食品藥品監(jiān)管部門。贛州市局創(chuàng)新監(jiān)管手段，在全國首推違法藥品廣告治理的藥品經(jīng)營企業(yè)“扣分制”，對違法產(chǎn)品監(jiān)督下架、刊播企業(yè)道歉聲明，效果明顯，該局也因此獲得全國藥品廣告治理先進(jìn)單位。

2.3 有效咬合厚度法

因此，針對重要結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)考慮兩咬合樁之間真實(shí)咬合厚度，即只計(jì)算兩咬合樁件最小結(jié)合厚度，其余部分作為安全儲備，計(jì)算結(jié)果偏于不安全。通過有效咬合厚度法計(jì)算板單元厚度t=830mm。

3 圍堰監(jiān)控方案

臨港橋3#主墩圍堰施工枯水期開挖深度深，汛期水位高，組合結(jié)構(gòu)圍堰承受荷載大，在施工期間需要對圍堰的工作狀況進(jìn)行監(jiān)測。組合結(jié)構(gòu)圍堰監(jiān)測主要包含圍堰內(nèi)部鋼管支撐、上部雙壁鋼圍堰壁板應(yīng)力以及咬合樁水平位移等內(nèi)容。結(jié)合現(xiàn)場情況，臨港橋3#主墩基礎(chǔ)施工期間，組合圍堰監(jiān)控主要設(shè)置咬合樁水平位移等內(nèi)容。結(jié)合現(xiàn)場情況，臨港橋3#主墩基礎(chǔ)施工期間，組合圍堰監(jiān)控主要設(shè)置咬合樁水平位移監(jiān)測點(diǎn)8處，內(nèi)外壁板應(yīng)力監(jiān)測測點(diǎn)3處，鋼支撐軸向應(yīng)力測點(diǎn)2處。利用標(biāo)貼式智能應(yīng)變計(jì)、傾角探頭對組合結(jié)構(gòu)圍堰應(yīng)力、咬合樁水平位移進(jìn)行測量。臨港橋3#主墩圍堰監(jiān)控布置方案如圖7所示。

圖7 臨港橋3#主墩圍堰監(jiān)控布置方案

4 數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與圍堰監(jiān)測采集數(shù)據(jù)

4.1 數(shù)值模擬數(shù)據(jù)分析

臨港橋3#主墩圍堰施工過程中計(jì)算結(jié)果如下。

4.1.1 圍堰內(nèi)部鋼支撐應(yīng)力

臨港橋3#主墩計(jì)算模型中，內(nèi)部鋼支撐最大應(yīng)力出現(xiàn)在咬合樁圍堰內(nèi)部冠梁支撐處，匯總各階段計(jì)算應(yīng)力如圖8所示。整體而言，葷樁極限承載法所得應(yīng)力值最大，有效咬合厚度法最小，最大差異約40 %。

圖8 鋼支撐1應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

4.1.2 圍堰外壁板應(yīng)力

鋼圍堰外壁板屬于組合圍堰結(jié)構(gòu)上部構(gòu)件，在前期施工中尚未安裝，故在第四施工階段中參與結(jié)構(gòu)計(jì)算。整理3#主墩圍堰鋼結(jié)構(gòu)中部測點(diǎn)一處及迎水面方向測點(diǎn)3處應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 外壁板測點(diǎn)1應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

4.1.3 圍堰下部咬合樁變形

臨港橋3#主墩圍堰施工期間，咬合樁結(jié)構(gòu)最大變形區(qū)域集中在圍堰結(jié)構(gòu)中部以及受水流沖擊影響最大迎水面處，選擇最有代表性的咬合樁變形測點(diǎn)1，匯總計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

圖10 圍堰結(jié)構(gòu)下部咬合樁測點(diǎn)1變形

4.2 監(jiān)控與數(shù)值模擬結(jié)果對比

臨港橋3#主墩施工期間，監(jiān)控控制時(shí)間節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)開挖最大深度以及最高施工水位階段，整理現(xiàn)場施工過程中監(jiān)控記錄基礎(chǔ)最大開挖深度、最高施工水位267.3(現(xiàn)場記錄最高水位)，采集數(shù)據(jù)及計(jì)算模擬數(shù)據(jù)對比分析分別如表1、表2所示。通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)和理論計(jì)算模擬較為吻合。當(dāng)采用忽略素樁法時(shí)，由于忽略了素樁的承載能力，計(jì)算應(yīng)力位移均為最大值，相較測量結(jié)果最大誤差接近30 %。采用等效剛度法時(shí)，由于忽略了現(xiàn)場施工偏差對于結(jié)構(gòu)質(zhì)量的削弱，相較現(xiàn)場測量結(jié)果明顯偏小，計(jì)算結(jié)果偏于不安全。當(dāng)采用有效咬合厚度法時(shí)，能獲得較為接近最佳真實(shí)的測量結(jié)果，結(jié)算結(jié)果偏于安全。

表1 基礎(chǔ)最大開挖深度數(shù)值模擬與監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)結(jié)果分析

5 結(jié)論

本文以臨港橋3#主墩基礎(chǔ)圍堰結(jié)構(gòu)為例，結(jié)合采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)控相結(jié)合的方法對組合圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模擬分析計(jì)算，比較了三種建模簡化方法的計(jì)算結(jié)果，總體結(jié)論如下。

(1)采用忽略素樁法只考慮葷樁作為持力結(jié)構(gòu)時(shí)，計(jì)算結(jié)果偏于安全。但是由于忽略咬合樁素樁參與結(jié)構(gòu)受力，最終計(jì)算結(jié)果與實(shí)際差異較大，如采用此方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，將可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)費(fèi)用不經(jīng)濟(jì)。

(2)采用等效剛度法計(jì)算時(shí)，由于采用了理想剛度換算公式，導(dǎo)致折算板單元厚度偏大，而在實(shí)際施工中，由于多種因素干擾，難以保證有效的咬合厚度，因此在計(jì)算中，采用等效剛度法計(jì)算結(jié)果偏于不安全。采用此方法設(shè)計(jì)臨時(shí)結(jié)構(gòu)，對于后續(xù)施工，存在一定安全隱患。

(3)采用有效咬合厚度法計(jì)算圍堰結(jié)構(gòu)時(shí)，最終結(jié)果介于前兩種方法之間。相較于等效剛度法，削減了板單元厚度，更加接近工程施工中可能出現(xiàn)的情況，因此計(jì)算結(jié)果偏于安全。

綜上，在大型臨時(shí)結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中，當(dāng)把結(jié)構(gòu)安全性作為第一控制因素時(shí)，建議可將有效咬合厚度法作為首選方法，以提高臨時(shí)工程的安全可靠度。

表2 最高施工水位267.3數(shù)值模擬與監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)結(jié)果分析