黃岡公鐵兩用長江大橋主橋圍堰設計及計算

摘 要:根據新建武漢至黃岡城際鐵路WGSG標段投標階段黃岡公鐵兩用長江大橋主橋主墩雙壁鋼吊箱圍堰的設計及計算進行編寫。該橋主塔墩基礎尺寸大，承臺平面尺寸為51.2×34.2m，其中主墩航道繁忙，水深23-24m，且覆蓋層較淺，采用先圍堰后平臺施工方案，文章對雙壁鋼吊箱圍堰進行了設計及計算。

關鍵詞:黃岡公鐵兩用長江大橋;雙壁鋼吊箱圍堰;設計及計算

中圖分類號:TP 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3198(2010)06-0286-02

1 工程概況

黃岡公鐵兩用長江大橋全長4010.81m，主橋采用(81+243+567+243+81)m鋼桁斜拉橋方案，長1215m，公鐵合建。主塔為鋼筋混凝土主塔，基礎采用鉆孔灌注樁。

本工程主橋施工區域水深、流急，其中主墩航道繁忙，水深23-24m，且覆蓋層較淺。長江水位變化大，長江汛期對橋梁基礎施工影響大。2#、3#主塔墩基礎采用31-3.0m鉆孔樁。承臺橫橋向寬51.2m，承臺順橋向寬34.2m，承臺厚6.5m，承臺頂高程+9.0m，樁長40.5-47.5m。

2 主塔墩基礎施工方案

2#、3#主墩采用先圍堰后平臺水上施工方案，分別從兩岸修建施工棧橋至2#、3#主墩配合施工。施工次序為:雙壁鋼吊箱圍堰制造、底節下水→浮運、定位→插打部分鋼護筒→圍堰掛樁→鋼護筒插打完畢，鉆孔樁施工→圍堰接高、下沉、二次掛樁→清基封底→圍堰內抽水→承臺、塔座施工→塔柱施工。每個主塔墩安排6臺KTY-3000型全液壓動力頭鉆機進行31根3.0鉆孔樁施工，鉆孔樁施工時在平臺頂設置1臺100t龍門吊機。每個主墩施工配備150t、200t浮吊各1臺。

3 雙壁鋼吊箱圍堰設計

圍堰的設防水位按二十年一遇考慮為+25.8m，抽水水位按+24.0m控制，圍堰頂標高取+26.3m。圍堰分兩節，底板及底節在工廠加工好后，整體浮運到墩位，第一次掛樁定位于14根支撐鋼護筒上，其頂面標高控制在+26.3m，作為鉆孔施工平臺，鉆孔樁施工完畢，接高圍堰，并將圍堰整體下放至設計標高(圍堰底標高-3.0m)，第二次掛樁定位，封底、抽水，澆筑承臺。

圍堰平面尺寸為55.4m(橫橋向)×38.4m(順橋向)×29.3m(高)，壁厚2m。

4 雙壁鋼吊箱圍堰設計計算

4.1 工況分析

工況一:圍堰底節整體浮運到墩位后，精確定位后插打定位鋼護筒

底隔艙面積706 m2，雙壁面積338 m2

圍堰吃水深度:3920/(706+338)=3.75m

側板內外壁承受對壓水頭荷載。

工況二:圍堰作為鉆孔平臺，進行鉆孔樁施工

鋼吊箱由14根定位鋼護筒承載，鉆孔過程中雙壁隔艙灌水高度根據根據水位變化相應調節。

工況三:鉆孔樁全部施工完成后，水上接高圍堰頂節，下放至設計標高

工況四:澆注封底混凝土

工況五:抽水，澆注第一層承臺

工況六:澆注第二層承臺

工況七:拆除內支架，進行塔柱施工

4.2 圍堰結構計算

4.2.1 雙壁側板

(1)圍堰壁板。

圍堰壁板采用δ=8mm，L75×8mm角鋼加勁。加勁肋布置:最大間距為350mm，跨度有800、1000mm。考慮30倍δ8mm板參與共同受力，其截面特性為:

A=3006 mm2;I=2983066 mm4;W=51879 mm3

①1000段加勁肋允許最大水頭:

由σ=MW=0.350×h×1.02×10710×51.9×103=170 Mpa(加勁肋按Mmax=1/10qL2計算)

則壁板加勁肋允許最大水頭為:

h=10×170×51.9×1030.350×1.02×107=25.2 m

由σ=MW=h×1.0×0.3502×6×10716×82×1000=170 Mpa得

雙壁板允許最大水頭為:h=23.7m

故1000mm段壁板允許水頭為18.8m。

②800段加勁肋允許最大水頭:

由σ=MW=0.35×h×0.82×10710×51.9×103=170 Mpa(加勁肋按Mmax=1/10qL2計算)

則壁板加勁肋允許最大水頭為:

h=10×170×51.9×1030.350×0.82×107=39.4 m

由σ=MW=h×0.8×0.3502×6×10716×82×800=170 Mpa得

雙壁板允許最大水頭為:h=23.68m

故800mm段壁板允許水頭為23m。

(2)圍堰水平環及內支架計算。

圍堰水平環受力控制工況為工況五，采用midas軟件建立1/4整體模型，壁板內灌注的混凝土采用實體單元，面板采用加勁板單元，其余為梁單元。

①內、外壁各11.65m水頭。

計算得到水平環最大應力(絕對值):

8×1000段水平環最大組合應力:30 Mpa

11×800段水平環最大組合應力:98.6 Mpa

10×1000段水平環最大組合應力(非內支架對應位置):66.5 Mpa

10×1000段水平環最大組合應力(內支架對應位置):188 Mpa(未計加強板)

表1 桿件穩定驗算表

桿件L100×10L125×12Nmax(t)-11.6-18.2A(mm2)19262891i(cm)1.962.46L(mm)22362236λ=L/i114910.470.61η=0.6+0.0015λ0.7710.737σ=Nmax/A//η(MPa)-165-140是否滿足要求滿足滿足②內壁10.3m水頭，外壁13m水頭。

計算得到水平環最大應力(絕對值):

8×1000段水平環最大組合應力:29 Mpa

11×800段水平環最大組合應力:106 Mpa

10×1000段水平環最大組合應力(非內支架對應位置):67.8 Mpa

10×1000段水平環最大組合應力(內支架對應位置):174 Mpa(未計加強板)

③內壁13m水頭，外壁10.3m水頭。

計算得到水平環最大應力如下:

8×1000段水平環最大組合應力:26.7 Mpa

11×800段水平環最大組合應力:105.5 Mpa

10×1000段水平環最大組合應力(非內支架對應位置):90.8 Mpa

10×1000段水平環最大組合應力(內支架對應位置):196 Mpa(未計加強板)

④圍堰下沉工況。

側板內外壁承受對壓水頭取值為h=10.0m。

計算得到水平環最大應力如下:

8×1000段水平環最大組合應力:169.3 Mpa

11×800段水平環最大組合應力:80.9 Mpa

10×1000段水平環最大組合應力:74.3 Mpa

⑤拆除底層內支架，塔柱施工。

拆除內支架之前，可使雙壁內水位高于承臺頂部標高7.5m，即調節雙壁內水位標高保證雙壁內水位標高在+16.5m左右，水位+25.8m進行檢算。側板承受水頭外壁為h=25.8-16.5=9.3m，內壁16.5-9=7.5m。

計算得到水平環最大應力如下:

8×1000段水平環最大組合應力:33.5 Mpa

11×800段水平環最大組合應力:72.5 Mpa

10×1000段水平環最大組合應力:136 Mpa

4.2.2 底龍骨

龍骨截面為HN700×300，所受荷載有:混凝土自重、浮力、底板及自身的重力;混凝土自重與浮力的合力為7.2t/m2(作用在底板上)。

建立1/2整體模型，龍骨局部位置加強后，計算得到龍骨最大應力值為154.5MPa，吊點位置處最大反力為98.3t。

4.2.3 內支架

內支架上下弦桿采用HM588×300型鋼，斜桿采用2[28b截面，豎桿采用2[25b截面，平聯采用2L125×12截面。內支架高3.2m。

(1)圍堰掛樁工況。

布置6臺鉆機，每臺鉆機及其鉆具按150t計。側板及底隔艙共重2118.4t，其自重主要由浮力平衡(側板內外壁間的面積為338m2，則需控制側板壁板內水頭比壁板外水頭低6.5m以上);底板、底龍骨重量為571t，該重量由吊桿承擔，加上吊桿自身重量，吊桿總數為136根，則每個吊桿力為12t。考慮水頭變化影響，側板按照30%壓重作用在內支架上，水流流速按照4m/s計算得到每個定位樁處水平力61t。

計算結果如下:

2L125×12桿件最大組合應力:σmax=84.5MPa

HM488×300桿件最大組合應力:σmax=102MPa

2[28b桿件應力: σmax=63.6MPa，σmin=-136.2MPa

2[25b桿件應力: σmax=7.6MPa，σmin=-66.7MPa

(2)圍堰封底吊掛工況。

圍堰封底時，按每根吊桿受力100t計算，由程序計算得到:

2L125×12桿件最大組合應力:σmax=35.9MPa

HM488×300桿件最大組合應力:σmax=128MPa

2[28b桿件應力: σmax=163.9MPa，σmin=-135.5MPa

2[25b桿件應力: σmax=26.22MPa，σmin=-20.69MPa

(3)圍堰封底完成后抽水工況。

建立1/4整體模型，按+25.8m的設計水位對底層內支架進行驗算。

則程序計算得到:

2L125×12桿件組合應力:σmax=58MPa，σmin=-68.8MPa

HM488×300桿件組合應力:σmax=19MPa，σmin=-137.5MPa

2[28b桿件組合應力:σmax=27.3MPa，σmin=-63.2MPa

2[25b桿件組合應力:σmax=3.6MPa，σmin=-52MPa

最大軸力值為: -119t

最大Mx值為: 10.1t#8226;m

絕對值最大My值為: 3.0t#8226;m

驗算H588×300桿件強度與穩定:

取上述桿件的各種內力的最大值進行驗算。

Nc=-119t

Mx=10.1t#8226;m，My=3.0t#8226;m

A =192.5cm2

Wx=2926.2cm3，Wy=541 cm3

ix=20.8cm，iy=7.0cm

Lx=400.0cm，Ly=200.0cm

λx=Lx/ix=400.0/20.8=19，λy=Ly/iy=200.0/7=29

查表可得 x=0.983，y=0.939

N′Bx=8574t，N′By=3680t

γx=1.05，γy=1.2

βmx=βmy=βtx=βty=1.0

η=1.0

γtx=1.05，γty=1.0

NA+MxγxWx+MyγyWy=119×100164.4+10.1×100001.05×2926.2+3.0×100001.2×541=151MPa

NφxA+βmxMxγxWx1-0.8NN′Ex+ηβbyMyγbyWy=119×1000.983×164.4+1.0×10.1×100001.05×2926.2×1-0.8×1198574+1.0×1.0×3.0×100001.0×541=162 MPa

NφyA+ηβtxMxγtxWx+βmyMyγyWy1-0.8×NN′Ey=

119×1000.983×164.4+1.0×1.0×10.1×100001.05×2926.2+

1.0×3.0×100001.2×541×1-0.8×1193680=154 MPa

因此內支架上、下弦強度及整體穩定滿足要求。

4.2.4 圍堰封底混凝土計算

按照抽水水位+24m計算，建立封底混凝土及樁的空間數值模型，取18m的樁長。計算按參數進行，考慮了圍堰自重、封底混凝土自重、側板內混凝土自重和側板內充水自重等的影響。允許粘結力取值為15.0t/m2。

由樁底反力減去樁身自重后，可得到樁與封底混凝土的粘結力。

計算結果如下表2所示:

表2 樁與封底砼粘結力計算表

樁號粘結力

(t)鋼護筒直徑

(m)單位面積允許

粘結力(t/m2)封底混凝土

高度(m)粘結應力

(t/m2)是否滿

足要求1478.63.2153.514.43滿足23663.2153.511.04滿足33443.2153.510.37滿足4470.83.2153.514.20滿足5520.13.2153.514.69滿足6505.23.2153.514.24滿足7500.83.2153.514.10滿足8380.23.2153.511.47滿足9511.43.2153.514.42滿足10532.53.2153.515.06滿足11534.43.2153.515.02滿足由以上計算結果可知局部粘結力滿足要求。

封底混凝土應力:經計算得到封底混凝土最大主拉應力為0.71MPa。封底混凝土應力滿足受力要求。

5 結束語

雙壁鋼吊箱圍堰屬于水上橋梁施工的大臨設施，在水上施工得到了廣泛應用。該橋主塔墩基礎尺寸大，承臺平面尺寸為51.2×34.2m。橋址處航運極為繁忙;正橋橋位處水流速度大，主塔墩覆蓋層淺;長江水位變化大，長江汛期對橋梁基礎施工影響大。本橋雙壁鋼吊箱圍堰的設計及計算將為今后類似工程提供參考與借鑒。