雙壁鋼圍堰設計與施工計算

梁廷強

(武漢鐵四院工程咨詢有限公司，湖北武漢 430000)

1 工程概況

南京長江隧道是江蘇省南京市城市總體規劃確定的“五橋一隧”過江通道中的隧道工程，位于南京長江大橋和南京長江三橋之間，穿長江左汊江為盾構隧道，跨長江右汊江為南京江心洲夾江大橋。南京江心洲夾江大橋全長705 m，主橋為455 m的自錨式獨塔懸索橋。橋址范圍地層基本上是粉質粘土、淤泥質粉質粘土、細砂等土層。橋址處百年一遇洪水位11.15 m，最高通航水位10.398 m，最低通航水位為2.139 8 m，測時水位4.750 m ，根據統計，當年12月～次年2月份是南京枯水位季節。

2 主橋索塔基礎施工方案介紹

南京江心洲夾江大橋主橋索塔基礎設計為:14根直徑2.5 m的鉆孔灌注樁，樁長60 m，低樁承臺厚5 m，具體詳見圖1。鉆孔灌注樁設計采用直徑2.8 m鋼護筒，承臺底以下鋼護筒作為樁基永久結構部分不予拆除。

承臺基礎施工采用枯水期雙壁鋼圍堰方案，施工水位按5.245 m考慮。由于圍堰直徑大，封底后所受江水浮力大，為了減少封底厚度與圍堰高度，采取先成樁后封底的措施。

3 鋼圍堰尺寸、構造、材料

圖1 南京江心洲夾江大橋主橋索塔基礎設計示意圖

圖2 雙壁鋼圍堰水平結構圖

承臺最大對角線長度:

為此確定雙壁鋼圍堰的內徑為23.5 m，外徑為25.5 m，在最大對角線處富余量(23.5-22.434)÷2=0.533 m。圍堰內、外壁板厚δ=6 mm，豎肋采用∠75×75×8角鋼，間距1.0 m，水平肋∠75×75×8角鋼，間距0.5 m，行桁架采用∠75×75×8角鋼，間距1.0 m。

鋼圍堰材料全部采用A3鋼，壁板［σ］=215 MPa，水平桁架［σ］=180 MPa;鋼圍堰雙壁間填充混凝土采用C15混凝土，單位重量取2.4 t/m3，允許壓應力［σy］=4.0 MPa;鋼圍堰封底采用C30混凝土，單位重量取 2.4 t/m3，允許彎曲拉應力［σL］=0.55 MPa，允許剪應力［τ］=1.1 MPa。

雙壁鋼圍堰水平結構及立面結構示意圖見圖2，圖3。

圖3 雙壁鋼圍堰立面結構示意圖（單位：cm）

4 雙壁鋼圍堰結構檢算

鋼圍堰水位標高示意圖見圖4。

圖4 鋼圍堰水位標高示意圖

4.1 水平桁架強度檢算

查《材料力學(Ⅰ)》(孫訓方等編，第四版)附錄三型鋼規格表知∠75×75×8角鋼截面面積:F=11.503 cm2。

1)承臺底面處:

雙壁間有C15混凝土參加受壓。

作用于雙壁鋼圍堰四周側面的水壓力:

取 γ =1.0 t/m3，ρ= γH=1.0 × (5.245+2.655)=7.9 t/m2。

水平桁架上作用的水壓力:P=ρ×1.0=7.9 t/m。

水平桁架弦桿中作用的軸向壓力:N=PR=7.9×25.5/2=100.725 t。

水平桁架弦桿中產生的應力:

σ =N/2F=100.725/11.503/2=4.378 t/cm2=437.8 MPa ＞［σ］=180 MPa。

鋼圍堰雙壁間填充C15混凝土，混凝土中的應力:

2)承臺頂面處:

鋼圍堰雙壁間灌注水無混凝土:

作用于雙壁鋼圍堰四周側面的水壓力:ρ=γH=1.0×(5.245-2.345)=2.9 t/m2。

水平桁架上作用的水壓力:P=ρ×1.0=2.9 t/m。

水平桁架弦桿中作用的軸向壓力:N=PR=2.9×25.5/2=36.975 t。

水平桁架弦桿采用∠75×75×8角鋼產生的應力:

σ =N/2F=36.975/11.503/2=1.607 t/cm2=160.7 MPa ＜［σ］=180 MPa。

鋼圍堰雙壁間填充C15混凝土，混凝土中的應力:

3)承臺頂面以上0.5 m處:

鋼圍堰雙壁間灌注水無混凝土:

作用于雙壁鋼圍堰四周側面的水壓力:ρ=γH=1.0×(5.245-2.845)=2.4 t/m2。

水平桁架上作用的水壓力:P=ρ×1.0=2.4 t/m。

水平桁架弦桿中作用的軸向壓力:N=PR=2.4×25.5/2=30.6 t。

水平桁架弦桿采用∠75×75×8角鋼產生的應力:

σ =N/2F=30.6/11.503/2=1.330 t/cm2=133.0 MPa ＜［σ］=180 MPa。

4.2 雙壁鋼圍堰壁板中局部彎曲應力

1)承臺頂至圍堰底。由于雙壁間灌有C15混凝土，壁板上的水壓力直接傳給混凝土，壁板的強度滿足要求。

2)承臺頂面附近。

a.外壁板σ=6 mm水平肋豎向間距b=500 mm，豎肋間距a=1 001.4 mm。

水壓力:ρ=γH=1.0 ×(5.245-2.345)=2.9 t/m2。

第一，按《橋梁地基和基礎》第277頁情況六:四周固結板。

第二，按新版《機械設計手冊》第一卷第四篇第一章內容，四周固定。

b取1 000 mm 時:σmax=α(b/t)2q。

a/b=1 001.4/1 000=1.001 4，α =0.307 8，t=0.6 cm，q=3.2 ×10-4t/cm2。

有:σmax=0.307 8 ×(100/0.6)2×2.9 ×10-4=2.479 5 t/cm2=248.0 MPa＞［σ］=215 MPa。

b取900 mm 時:σmax=α(b/t)2q。

a/b=1 000/900=1.111 1，α =0.310 9，t=0.6 cm，q=3.2 ×10-4t/cm2。

有:σmax=0.310 9 ×(90/0.6)2×2.9 ×10-4=2.028 623 t/cm2=202.9 MPa＞［σ］=215 MPa。

b取500 mm 時:σmax=α(b/t)2q。

a/b=1 000/500=2，α =0.497 4，t=0.6 cm，q=3.2 ×10-4t/cm2。

有:σmax=0.497 4 ×(50/0.6)2×2.9 ×10-4=1.001 708 t/cm2=100.17 MPa＜［σ］=215 MPa。

b.內壁板:σ=6 mm水平肋豎向間距b=500 mm，豎肋間距a=922.8 mm。

第一，按新版《機械設計手冊》第一卷第四篇第一章內容，四周固定。

b取900 mm 時:σmax=α(b/t)2q。

a/b=922.8/900=1.025，α =0.317 2，t=0.6 cm，q=3.2 ×10-4t/cm2。

有:σmax=0.317 2 ×(90/0.6)2×2.9 ×10-4=2.069 73 t/cm2=207.0 MPa＜［σ］=215 MPa。

第二，按新版《機械設計手冊》第一卷第四篇第一章內容，四邊簡支。

b取900 mm 時:σmax=α(b/t)2q。

a/b=922.8/900=1.025，α =0.298 5，t=0.6 cm，q=2.925 ×10-4t/cm2。

有:σmax=0.298 5 ×(90/0.6)2×2.9 ×10-4=1.947 713 t/cm2=194.8 MPa＜［σ］=215 MPa。

4.3 結構檢算結論

1)在施工過程中必須在雙壁鋼圍堰的雙壁間、承臺頂面以下填充C15混凝土。

2)雙壁鋼圍堰間水平肋豎向間距要不大于900 mm，水平肋豎向間距取900 mm時雙壁鋼圍堰雙壁間的注水標高應控制在施工水位+5.245以下，才能滿足強度要求。

5 雙壁鋼圍堰的施工計算

5.1 封底混凝土厚度確定

封底混凝土厚度的確定以雙壁鋼圍堰總重+封底混凝土重以滿足克服抽水后雙壁鋼圍堰總浮力的原則確定，并進行強度檢算;假設封底混凝土厚度為h。

5.2 封底混凝土抗浮計算

1)封底混凝土底面上作用的向上水浮力:F=(1/4×π×25.52-1/4 × π ×2.82×14)× (5.245+2.655+h)=3 353.55+424.5h。2)雙壁鋼圍堰高 12.5 m，自重按 260 t計，則 Q1=260 t。3)封底混凝土重量為:Q2=(1/4×π ×23.52-1/4×π ×2.82×14)×h×2.40=834.07h。4)雙壁鋼圍堰間填充混凝土重量(承臺頂以下填充混凝土):Q3=1/4×π×(25.52-23.52)×(h+5)×2.40=184.73h+923.63。5)雙壁鋼圍堰承臺頂面以上雙壁間灌H=5.245-2.345=2.9 m 高的水。Q4=1/4 × π × (25.52-23.52)×2.9=223.21 t。抗浮檢算公式為:F=Q1+Q2+Q3+Q4。則 3 353.55+424.5h=260+834.07h+184.73h+923.63+223.21。h=3.28 m。

5.3 封底混凝土強度檢算

施工水位5.245 m，封底混凝土頂面標高-2.655 m。

1)封底混凝土厚取3.50 m。

雙壁鋼圍堰抽水后，作用于封底混凝土底面的水壓力:

P1=(5.245+2.655+3.50)×1.00=11.40 t/m2。

封底混凝土的重量:P2=3.50 ×2.40=8.40 t/m2。

封底混凝土底面受到的凈豎向壓力:P=P1-P2=11.40-8.40=3.00 t/m2。

封底混凝土底板中心的彎矩:M=1/16×P×a2×(3+μ)。

則:M=1/16 × 3.00 × (23.5/2+0.25)2× (3+1/6)=85.500 t·m。

W=1/6 ×1.00 ×3.502=2.042 m3。

∑ =M/W=85.5/2.042=41.87 t/m2=0.42 MPa ＜0.55 MPa。

2)封底混凝土厚取3.30 m。

雙壁鋼圍堰抽水后，作用于封底混凝土底面的水壓力:

P1=(5.245+2.655+3.30)×1.00=11.20 t/m2。

封底混凝土的重量:P2=3.30 ×2.40=7.92 t/m2。

封底混凝土底面受到的凈豎向壓力:P=P1-P2=11.20-7.92=3.28 t/m2。

封底混凝土底板中心的彎矩:M=1/16×P×a2×(3+μ)。

則:M=1/16 ×3.28 ×(23.5/2+0.25)2×(3+1/6)=93.48 t·m。

W=1/6 ×1.00 ×3.302=1.815 m3。

σ =M/W=93.48/1.815=51.50 t/m2=0.52 MPa ＜0.55 MPa。

3)封底混凝土厚取3.20 m。

雙壁鋼圍堰抽水后，作用于封底混凝土底面的水壓力:

P1=(5.245+2.655+3.20)×1.00=11.10 t/m2。

封底混凝土的重量:P2=3.20 ×2.40=7.68 t/m2。

封底混凝土地面受到的凈豎向壓力:P=P1-P2=11.10-7.68=3.42 t/m2。

封底混凝土底板中心的彎矩:M=1/16×P×a2×(3+μ)。

則:M=1/16 ×3.42 ×(23.5/2+0.25)2×(3+1/6)=97.47 t·m。

W=1/6 ×1.00 ×3.202=1.71 m3。

則:σ =M/W=97.47/1.71=57.00 t/m2=0.57 MPa ＞0.55 MPa。

從以上檢算表明:封底混凝土厚取3.30 m，滿足彎拉強度要求。

4)封底混凝土3.3 m厚時剪應力。

3.28 ×1/4 × π × (23.52-2.82×14)/(π ×23.5 ×3.3)=4.68 t/m2=0.05 MPa ＜1.1 MPa，滿足要求。

6 結語

采用先成樁后封底方案下滿足抗浮要求封底混凝土厚可取3.26 m，滿足彎拉強度要求封底混凝土厚度應不小于3.30 m;綜合考慮封底混凝土厚度取3.30 m，能夠同時滿足抗浮要求、封底混凝土彎拉及剪切變形強度要求。應最終確定的封底混凝土厚度3.3 m大于抗浮封底混凝土厚度，鉆孔樁鋼護筒與封底混凝土間的粘結力、樁身混凝土抗拔力全部作為安全系數考慮，可不列入抗浮計算。