單壁有底鋼套箱側(cè)板及圍囹系統(tǒng)安全性能分析

董 梅

(佛山市交通投資集團(tuán)有限公司， 廣東 佛山 528315)

0 引言

鋼套箱結(jié)構(gòu)整體性好，強(qiáng)度與剛度較大，既可用作成橋后的永久防撞設(shè)施，又可用作承臺施工時(shí)的模板。承臺施工時(shí)需驗(yàn)算不同工況下套箱所受的水壓力和砼壓力，而對承受套箱和封底混凝土自重的底架系統(tǒng)，則需要進(jìn)行整體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而保證底梁的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性滿足施工要求。目前國內(nèi)較多研究均采用有限元分析驗(yàn)證復(fù)雜工況下的套箱及圍囹系統(tǒng)的受力特性，以期對施工進(jìn)行事前指導(dǎo)、過程監(jiān)控。

佛山市富龍西江特大橋工程是佛山一環(huán)西拓重要組織部分，被列為廣東省重點(diǎn)項(xiàng)目。主橋全長1070 m，跨徑為(69+176+580+176+69)m；采用雙塔雙索面混合梁斜拉橋(組合梁+混凝土梁)，橋型如圖1所示。

圖1 富龍西江特大橋立面布置(單位： cm)

19#主墩承臺采用C40混凝土，承臺形狀設(shè)計(jì)成橢圓角方形，承臺平面尺寸為26.5 m(順橋向)×68 m(橫橋向)，承臺厚6 m，如圖2所示?；A(chǔ)為嵌巖樁，采用C35混凝土，承臺下設(shè)有30根直徑3.0 m的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)和4根直徑1.4 m的輔助樁。樁基施工完成后，下放鋼套箱至設(shè)計(jì)位置，先分2次澆筑封底混凝土，再分3次澆筑承臺混凝土，完成19#主墩承臺的施工。

圖2 主墩基礎(chǔ)構(gòu)造平面(單位： cm)

1 主墩套箱構(gòu)造

1.1 結(jié)構(gòu)形式

富龍西江特大橋19#主墩套箱采用單壁有底鋼套箱施工，采用套箱側(cè)板作為承臺的模板和擋水結(jié)構(gòu)。套箱為場外加工、現(xiàn)場拼裝下放。套箱底板由承重梁、分配梁和底模組成，底模最大分塊尺寸為8.8m×3.6 m，護(hù)筒直徑3.3 m，底模在護(hù)筒位置開孔直徑3.6 m。套箱側(cè)板總高度為9.8m，側(cè)板水平分塊最大尺寸為3.6 m，接縫處采用螺栓連接。側(cè)板外側(cè)設(shè)置2道圍囹。

套箱底板通過提吊系統(tǒng)錨固于護(hù)筒頂端，每個(gè)護(hù)筒設(shè)置2個(gè)錨固吊桿。套箱提吊下放時(shí)，采用千斤頂多點(diǎn)同步下放。封底采用C25水下混凝土，總厚度2.5 m。

套箱頂標(biāo)高為+6.8 m，承臺頂標(biāo)高為+5.5m，承臺底標(biāo)高為-0.5 m，套箱底標(biāo)高為-3.0 m。設(shè)計(jì)高水位為+5.0 m，設(shè)計(jì)低水位為+0.31 m，設(shè)計(jì)流速為2.0 m/s，設(shè)計(jì)風(fēng)速:正常期為25 m/s，臺風(fēng)期為40 m/s。

1.2 結(jié)構(gòu)分析

在樁頂上接長護(hù)筒，護(hù)筒頂部設(shè)置樁頂承重梁，鋼套箱底部同樣設(shè)置套箱底部承重梁。通過提吊索連接樁頂承重梁和底部承重梁。底部承重梁上架設(shè)分配梁，再鋪設(shè)底板，使得荷載以更均勻的方式傳遞至底板承重梁，且各提吊索的應(yīng)力更為接近。

底板系統(tǒng)上設(shè)置側(cè)板系統(tǒng)，側(cè)板系統(tǒng)由預(yù)制的各側(cè)板節(jié)段拼接構(gòu)成。為了防止側(cè)板發(fā)生局部屈曲，同時(shí)提高其承載能力，側(cè)板上設(shè)有沿高度方向的龍骨、水平布置的槽鋼加勁肋以及由3道由工字鋼構(gòu)成的圍囹。

側(cè)板上還設(shè)有沿縱橋向的內(nèi)支撐，內(nèi)支撐由圓鋼管構(gòu)成的上、下弦桿和槽鋼構(gòu)成的腹桿組成，以提高側(cè)板系統(tǒng)的面外穩(wěn)定性，防止側(cè)板發(fā)生整體失穩(wěn)破壞。

套箱施工工序?yàn)?套箱下放、水下澆筑第1層封底混凝土(1.8 m)、套箱抽水、澆筑調(diào)平層混凝土(厚度0.7 m)、澆筑第1層承臺混凝土(厚度1.5 m)、澆筑第2層承臺混凝土(厚度1.5 m)、澆筑第3層承臺混凝土(厚度3.0 m)。其中最不利工況為：①高水位抽水時(shí)套箱處于最不利狀態(tài)，需驗(yàn)算側(cè)板系統(tǒng)及封底混凝土的抗浮性能。②澆筑調(diào)平層混凝土(厚度0.7 m)時(shí)，由于調(diào)平層較厚，需要驗(yàn)算低水位期間的封底抗滑移性能。本文以該2處最不利工況分析套箱側(cè)板及圍囹系統(tǒng)安全性能。

1.3 分析內(nèi)容

1)通過Midas軟件對鋼套箱系統(tǒng)進(jìn)行分析，內(nèi)容包括套箱底板及提吊系統(tǒng)、套箱側(cè)板系統(tǒng)的計(jì)算[1-2]。確定在各最不利工況下，鋼套箱的整體變形及各部件變形情況；底板承重梁、底板分配梁、樁頂承重梁、底板面板、側(cè)板龍骨、側(cè)板橫肋、頂層圍囹等構(gòu)件的正應(yīng)力和剪應(yīng)力；吊桿拉力、套箱內(nèi)撐軸力及圍囹拉桿反力等，并進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)算，把握結(jié)構(gòu)的主要受力和變形性能指標(biāo)。

2)判斷19#主墩承臺的施工是否安全。是否需對現(xiàn)有的施工方案進(jìn)行改進(jìn)，并對施工方案進(jìn)行詳細(xì)分析。

2 建立分析模型

1)模型整體。采用Midas軟件進(jìn)行建模分析，模型共2522個(gè)節(jié)點(diǎn)，5208個(gè)單元(其中包括梁單元3333個(gè)，板單元1795個(gè)及桁架單元80個(gè))，如圖3所示。

圖3 鋼套箱模型

2)模型各構(gòu)件。包括底板系統(tǒng)、側(cè)板系統(tǒng)、內(nèi)支撐系統(tǒng)、提吊系統(tǒng)，模型各構(gòu)件之間通過共用節(jié)點(diǎn)或建立彈性連接的方法組成一個(gè)整體，共同承受不同工況下的設(shè)計(jì)荷載。在不同位置設(shè)置邊界條件，并對邊界進(jìn)行分組，在不同工況下激活對應(yīng)的邊界條件。通過以上方式模擬分析該鋼套箱在荷載作用下的內(nèi)力和位移[3]。

該主墩承臺采用了3種強(qiáng)度的混凝土材料，如表1所示。

表1 19#主墩承臺混凝土材料參數(shù)混凝土強(qiáng)度/MPa結(jié)構(gòu)彈性模量/MPa密度/(kg·m-3)泊松比剪切模量/MPaC25封底混凝土2.80×1042 4000.2C35樁基3.15×1042 4500.2G=E2(1+μ)C40承臺3.25×1042 5300.2

3 套箱側(cè)板及圍囹系統(tǒng)計(jì)算

高水位套箱抽水工況，在封底混凝土頂面位置對側(cè)板龍骨及面板進(jìn)行水平約束，沿側(cè)板周邊施加靜水壓力荷載，沿套箱長邊方向施加流水壓力荷載；低水位澆筑上層承臺混凝土工況，在下層承臺混凝土頂面位置對預(yù)埋拉桿進(jìn)行水平約束，對下層承臺混凝土頂面以下的側(cè)板龍骨進(jìn)行水平僅受壓約束，沿側(cè)板周邊施加混凝土側(cè)壓力荷載，沿套箱短邊方向施加風(fēng)荷載。結(jié)構(gòu)的變形計(jì)算采用荷載標(biāo)準(zhǔn)組合，應(yīng)力、內(nèi)力和反力計(jì)算采用荷載基本組合[4]。

3.1 高水位套箱抽水工況分析

3.1.1荷載計(jì)算與組合

套箱自重G：由軟件自動計(jì)算。

靜水壓力P1：沿高度方向三角形分布，由于已澆筑封底混凝土，有封底混凝土的部分靜水壓力可由封底混凝土承擔(dān)，認(rèn)為僅設(shè)計(jì)高水位(+5.0m)至封底混凝土頂(-1.2 m)的部分存在靜水壓力。

P1max=γz=60.67kPa。

式中：r為水的重度，kN/m3；z為深度，m。

流水壓力P2：沿河流方向。

式中：Cw為水流阻力系數(shù)，取0.52；ρ為水的密度，g/cm3；V為設(shè)計(jì)流速，取2 m/s。

風(fēng)荷載P3：迎風(fēng)面P3，1=μsμzW0=0.8×1.17×1.0=0.94 kPa；背風(fēng)面P3，2=μsμzW0=-0.5×1.17×1.0=-0.59 kPa。其中：μs為體形系數(shù);μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取1.17;W0為基本風(fēng)壓，W0=V2/1 600=1.0 kPa;V為臺風(fēng)期風(fēng)速，取40 m/s。

荷載組合：基本組合S1=1.2(G+P1)+1.4(P2+P3)；標(biāo)準(zhǔn)組合S2=G+P1+P2+P3。

3.1.2建模分析

利用Midas軟件進(jìn)行計(jì)算，在封底混凝土頂面位置對側(cè)板龍骨及面板進(jìn)行水平約束，沿側(cè)板周邊施加靜水壓力荷載，沿套箱長邊方向施加流水壓力荷載，建模分析結(jié)果如圖4～10所示。

圖4 整體變形(單位： mm)

圖5 龍骨、圍囹、側(cè)板及內(nèi)支撐變形(單位： mm)

圖6 側(cè)板龍骨剪應(yīng)力(單位： MPa)

圖7 側(cè)板龍骨正應(yīng)力(單位： MPa)

圖8 頂層圍囹正應(yīng)力(單位： MPa)

圖9 底層圍囹正應(yīng)力(單位： MPa)

圖10 內(nèi)撐剪應(yīng)力(單位： MPa)

圖4～10顯示：

① 整體變形最大值為50.8 mm，位于底板中部，龍骨、圍囹、側(cè)板及內(nèi)支撐變形最大值為21.3 mm，位于中內(nèi)支撐。

② 側(cè)板龍骨剪應(yīng)力最大值為29.92 MPa，位于龍骨與底層圍囹相交處；側(cè)板龍骨正應(yīng)力的最大值為 34.50 MPa，位于曲線段龍骨下部。側(cè)板龍骨應(yīng)力最大值為161.19 MPa，位于曲線段龍骨下部。

③ 頂層圍囹應(yīng)力最大值為56.06 MPa，位于直線段中部。頂層圍囹剪應(yīng)力最大值為3.65 MPa，位于直線段中部；頂層圍囹正應(yīng)力的最大值為11.09 MPa，位于直線段中部。底層圍囹應(yīng)力的最大值為68.25 MPa，位于直線段中部。底層圍囹剪應(yīng)力最大值為17.51 MPa，位于直線段中部；底層圍囹正應(yīng)力的最大值為 15.40 MPa，位于曲線段。

④ 內(nèi)撐剪應(yīng)力最大值為3.37 MPa，位于邊內(nèi)支撐下弦桿端部。內(nèi)撐軸力反力最大值為756.91 kN，位于中內(nèi)支撐下弦桿端部。內(nèi)撐應(yīng)力最大值為55.36 MPa，位于中內(nèi)支撐外側(cè)斜腹桿。

3.1.3內(nèi)支撐壓桿穩(wěn)定性計(jì)算

內(nèi)支撐采用Φ820×10 mm鋼管，a類截面，截面積A=25 748 mm2，回轉(zhuǎn)半徑r=287 mm，構(gòu)件計(jì)算長度L=26.5 m，則長細(xì)比λ=L/r=92，查規(guī)范得穩(wěn)定系數(shù)ψ=0.608。內(nèi)支撐最大軸力為N=756.91 kN，應(yīng)力為：

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D64—2015)第3.2.1條，Q235鋼材的抗拉抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度為190 MPa，內(nèi)支撐壓應(yīng)力為48.35 MPa<190 MPa，滿足規(guī)范要求。

3.2 低水位澆筑上層承臺混凝土工況分析

3.2.1荷載計(jì)算與組合

套箱自重G：由軟件自動計(jì)算。

靜水壓力P1：設(shè)計(jì)低水位(+0.31 m)在下層承臺混凝土頂(+2.5 m)以下，認(rèn)為靜水壓力全部由混凝土承擔(dān)，故作用在鋼套箱側(cè)板上的靜水壓力P1=0。

流水壓力P2：與靜水壓力同理，認(rèn)為P2=0。

風(fēng)荷載P3計(jì)算與上節(jié)同。

混凝土側(cè)壓力P4：根據(jù)《混凝土工程施工規(guī)范》推薦的混凝土側(cè)壓力計(jì)算公式，以及文獻(xiàn)[4]方法，當(dāng)混凝土入模溫度為20 ℃，外加劑有緩凝作用(Kw=1.2)，澆筑速度為0.6 m/h，混凝土塌落度為160 mm(Ks=1.15)時(shí)，查表得最大側(cè)壓力為38.9 kN/m2。另外，當(dāng)混凝土高度大于3 m時(shí)，側(cè)壓力不得小于50 kN/m，故取P4 max=50kN/m，有效高度h=2 m。

荷載組合與上節(jié)同。

3.2.2建模分析

利用Midas軟件進(jìn)行計(jì)算，在下層承臺混凝土頂面位置對預(yù)埋拉桿進(jìn)行水平約束，對下層承臺混凝土頂面以下的側(cè)板龍骨進(jìn)行水平僅受壓約束，沿側(cè)板周邊施加混凝土側(cè)壓力荷載，沿套箱短邊方向施加風(fēng)荷載。部分建模分析結(jié)果如圖11～12所示。

圖11 側(cè)板剪應(yīng)力(單位： MPa)

圖12 龍骨、圍囹及側(cè)板剪應(yīng)力(單位： MPa)

建模分析結(jié)果顯示：

① 側(cè)板應(yīng)力最大值為79.58 MPa，位于側(cè)板與中內(nèi)支撐下弦桿接觸處。側(cè)板剪應(yīng)力最大值為42.02 MPa，位于側(cè)板與中支撐下弦桿接觸處。

② 龍骨、圍囹及側(cè)板位移最大值為18.9 mm，位于直線段中部。龍骨、圍囹及側(cè)板應(yīng)力最大值60.67 MPa，位于曲線段龍骨中部。龍骨、圍囹及側(cè)板剪應(yīng)力最大值21.73 MPa，位于曲線段龍骨中部。頂層圍囹拉桿反力最大值為157.1 kN，位于中拉桿。底層圍囹拉桿反力最大值為898.4 kN，位于中拉桿。

3.2.3拉桿應(yīng)力驗(yàn)算

拉桿均采用雙肢Φ32 mm精軋螺紋鋼，單肢截面積A=804 mm2，最大拉力為N=898.4 kN，根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362—2018)第3.2.3條，預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 080 MPa，抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度為900 MPa，因此，最大拉應(yīng)力為σ=N/2A=558.71 MPa<900 MPa，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

本文針對鋼套箱側(cè)板及圍囹最不利工況受力和變形情況進(jìn)行計(jì)算，并驗(yàn)算其是否滿足規(guī)范要求。對套箱側(cè)板及圍囹系統(tǒng)的驗(yàn)算包含高水位套箱抽水工況和低水位澆筑上層承臺混凝土工況，計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。因此認(rèn)為富龍西江大橋19#主墩承臺的套箱側(cè)板及圍囹系統(tǒng)施工方案安全性能滿足要求，結(jié)構(gòu)構(gòu)件在施工階段的變形均在容許范圍內(nèi)，且不會發(fā)生破壞。