榕江特大橋主墩雙壁鋼圍堰設計和計算

孔迎軍,石 柱,劉馳宇

(湖南路橋建設集團公司,湖南長沙 410004)

1 工程概況

廈深鐵路榕江特大橋在廣東省揭東縣地都鎮跨越榕江,跨江主橋為4跨連續鋼桁梁柔性拱橋,跨徑組成為110 m+220 m+220 m+110 m,其中71～73號3個主墩位于榕江深水區,設計為低樁承臺群樁基礎。

主墩承臺設計尺寸為26.8m×17.2m×6m,承臺采用C40防腐混凝土,承臺頂標高為-7.907,河床頂面標高為-7.33,承臺完全埋在河床內。承臺結構見圖1。

橋位區域榕江江面寬850m,受下游入海口海水的潮汐影響,為感潮水域段,屬不規則半日潮,每日兩潮,日最大潮差2.65 m。主墩位置最大水深10 m,最大落潮流速1.36m/s。圍堰封底后的最大抽水水頭高達17.0 m。

主墩位置河床覆蓋層厚度39m,主要為流塑狀淤泥質土層和中粗砂層。見表1。

圖1 承臺結構圖(單位:cm)

表1 主墩位置地質情況表

2 鋼圍堰的設計

2.1 鋼圍堰尺寸的確定

1)平面尺寸:雙壁鋼圍堰根據承臺結構形式設計為矩形,其內平面尺寸比承臺設計尺寸大20 cm,該富余量也是圍堰下沉過程中偏位、傾斜的控制值,則本圍堰內腔尺寸為27m×17.4m。

2)艙壁厚度:雙壁鋼圍堰艙壁厚度根據圍堰受力需要確定,由于圍堰內11根樁基成梅花形布置,圍堰內撐位置的選擇受限,在內撐位置一定的情況下,主要根據圍堰壁體的強度和剛度確定艙壁厚度,經試算,本圍堰艙壁厚度設計為1.5m。

3)高度尺寸:鋼圍堰的高度主要根據最高水位、河床沖刷線、封底混凝土位置及厚度三個因素確定,本圍堰在最高水位時上口干舷高度1.0m,圍堰刃腳低于河床沖刷線不小于1.0 m,封底混凝土厚度3m,本圍堰的最終總高度設計為21m。

2.2 鋼圍堰的結構

鋼圍堰由壁體、刃腳、內撐等三大部分組成。見圖2。

圖2 雙壁鋼圍堰結構總圖(單位:cm)

壁體主要由隔艙板、箱形梁、水平環板、水平斜桿及內外壁板構成。在內撐位置設置豎向箱形梁作為一級支撐結構,水平設置環板和水平斜桿的組合桁架作為二級支撐結構,豎向設置角鋼次梁為三級支撐結構,內外壁之間通過水平斜桿和水平環板連接而形成整體。圍堰壁體根據吊裝和運輸條件分節、分塊加工,在墩位組拼、焊接。

刃腳高度2.0m,作為圍堰底節的組成部分一道加工,刃腳混凝土澆筑高度2.0 m,刃腳的設置主要是減少圍堰在覆蓋層中的下沉阻力,刃腳高度一般應小于封底混凝土厚度。

內撐作為圍堰最重要的組成構件之一,其布置位置和結構選型主要影響到圍堰整體結構的受力、圍堰結構的經濟合理性、承臺分層施工高度以及圍堰下沉、封底和承臺作業的可操作性,作為受壓構件,其穩定性是設計的主要指標,在滿足強度的情況下,應盡量選擇剛度較大的結構形式。本圍堰由于受梅花形布置的樁基凈間距限制,內撐選擇了外形尺寸較小的組合工字鋼結構,每層6根內撐構成兩個三角形平面框架結構,與鋼圍堰箱形梁一起形成穩定結構體系,另外設置豎向和水平連桿,減小受壓桿件的自由長度,豎向設置4層內撐。

鋼圍堰壁體上設置有補水管,補水管一般設置在順水流方向的兩個側面,其直徑應滿足圍堰內吹沙下沉時的補水需求,補水管豎向位置設置的確定主要考慮在圍堰內需要進行吹沙下沉時補水管位于水面下,在圍堰到達設計位置時,補水管位于河床以上。本圍堰設置了4個直徑300mm的補水管,并帶有內外封閉蓋板。

2.3 封底混凝土的設計

封底混凝土的主要作用是封水和抗浮,即封底混凝土與鋼圍堰和樁基結合成整體,使圍堰內形成一個無水的干施工環境,同時在圍堰內抽完水后,作用在封底混凝土底面的上浮力需要依靠圍堰和封底混凝土自重以及封底混凝土與樁基間的摩阻力抵抗。

封底混凝土設計厚度的確定要滿足兩個條件:①在水壓力作用下,封底混凝土的拉應力應滿足規范要求;②封底混凝土與樁基間的摩阻力要滿足抗浮需求。

封底混凝土要達到封水和抗浮的目的,施工質量非常關鍵,在澆筑封底混凝土前,必須將封底混凝土高度范圍內的樁基鋼護筒和圍堰內壁清理干凈,確保混凝土能與其結合緊密,同時要合理布置澆筑點,確保各個位置的混凝土厚度基本一致。

本圍堰封底混凝土最終確定的設計厚度為3.0m,混凝土標號為C30。

3 鋼圍堰的結構計算

3.1 計算工況

工況一:鋼圍堰抽水后的抗浮以及封底混凝土強度計算。

工況二:鋼圍堰下沉到設計位置,澆筑完成封底混凝土,混凝土達到80%設計強度后,圍堰內抽水,此時圍堰承受最大側壓力。

工況三:澆筑完成第一次3m厚承臺混凝土,混凝土達到80%設計強度后,拆除1號內撐,準備澆筑第二次承臺混凝土。

工況四:澆筑完成第二次3m厚承臺混凝土,混凝土達到80%設計強度后,拆除2號內撐,準備墩身施工。

3.2 計算荷載

3.2.1 鋼圍堰側壁的水、土壓力計算

計算水深10m,計算淤泥層厚度7m;

水容重γw=10 kN/m3;

水深h1=10 m。

水壓力:P1=γw×h1=10 kN/m3×10m=100 kN/m2

主動土壓力系數:Ka=tan2(45°-φ/2)=0.668

淤泥質土飽和容重γt=15 kN/m3;

圍堰封底混凝土以上淤泥深度h2=7m。

主動土壓力:e1=MQ=Ka×γt×h2=0.668×15 kN/m3×7 m=70.14 kN/m2

即封底混凝土以上作用在圍堰側壁上的最大側壓力:P側=170.14 kN/m2。

3.2.2 水流沖擊力計算

鋼圍堰迎水面寬度b=20m;

水中部分鋼圍堰高度h=10m;

水容重γw=10 kN/m3;

水流速度V=1.36 m/s;

重力加速度g=10m/s2;

矩形阻水結構物形狀系數K=1.0。

水流沖擊力:Fw=K×A×(γw×V2/2g)=184.96 kN

水流沖擊力換算成作用在圍堰側壁上的均布壓力:P沖=Fw/(b×h1)=0.9 kN/m2。

3.3 計算方式

鋼圍堰在側面水壓力作用下的結構計算,采用有限元軟件建立1/2鋼圍堰模型進行分析,鋼圍堰和封底混凝土、刃腳混凝土、夾壁混凝土以及承臺混凝土一同建模計算,模型主要由板單元、梁單元和混凝土實體單元組成,偏安全考慮,工況二的計算未考慮夾壁混凝土,工況三和工況四的計算分別按承臺澆筑高度設置夾壁混凝土。

3.4 計算結果

3.4.1 鋼圍堰抗浮計算

鋼圍堰下沉到設計位置后,澆筑3m水下封底混凝土,封底混凝土達到80%設計強度后,圍堰內抽水完成,鋼圍堰將承受很大的上浮力,上浮力主要靠鋼圍堰、封底混凝土自重以及封底混凝土與樁基的摩阻力共同克服,驗算結果如下:

鋼圍堰內抽完水后的總上浮力:

F浮=V1×γw=106 229 kN;

鋼圍堰總重量:G1=47 680 kN;

封底混凝土自重:G2=V2×γc=28 004 kN。扣除鋼圍堰和封底混凝土自重后的上浮力:

F上=F浮-G1-G2=30 545 kN

F上依靠封底混凝土與樁基的摩阻力抵消,則封底混凝土與樁基間的摩阻力:

P=F上/A=97 kPa＜[P]=150 kPa

故鋼圍堰內抽水后,抗浮滿足要求。

3.4.2 封底混凝土計算

封底混凝土底面承受方向向上的水壓力,同時承受封底混凝土自重荷載。對作用封底混凝土上的荷載計算如下:

作用在封底混凝土底面的水壓力:P1=200 kPa;

作用在封底混凝土頂面的第一次承臺混凝土荷載:P2=78 kPa;

封底混凝土自重:P3=72 kPa。

建立1/2封底混凝土實體模型,與各樁基連接位置的封底混凝土設置固結約束,計算時不考慮鋼圍堰對封底混凝土側面的約束作用(偏安全)。

施加在封底底面的實際均布荷載為:

P1-P3=128 kPa。

計算結果如下:

最大拉應力σ拉=1.137MPa＜0.8×[σ拉]=1.144MPa

最大壓應力σ壓=0.94 MPa＜0.8×[σ壓]=11.44MPa

封底混凝土最大變形f=0.1 mm。

在水壓力以及承臺混凝土荷載作用下,封底混凝土強度滿足設計要求,計算模型如圖3。

圖3 計算模型

3.4.3 鋼圍堰結構強度計算

在工況二、三、四中,鋼圍堰承受的最大側壓力為170.14 kN/m2,通過建立整體有限元模型對各工況下鋼圍堰進行的強度計算表明,工況二是鋼圍堰在側壓力作用下的最不利工況。各工況計算模型如圖4,圖5為鋼圍堰計算荷載布置圖。

圖4 鋼圍堰整體計算模型

圖5 鋼圍堰計算荷載布置圖

各工況計算結果如表2。

表2 鋼圍堰強度計算結果表

鋼圍堰各構件最大應力均小于設計強度,滿足規范要求。

4 結束語

榕江特大橋主墩雙壁鋼圍堰的施工已經順利完成,該雙壁鋼圍堰實施過程中經受了洪水期17m的高水壓的考驗,實踐證明該鋼圍堰的設計是成功的,取得了一定的經濟和社會效益,希望對其他類似圍堰工程提供一定的參考意義。

[1]TB 10203-2002,鐵路橋涵施工規范[S].

[2]JTJ 041-2000,公路橋涵施工技術規范[S].

[3]GB 50017-2003,鋼結構設計規范[S].