圍堰吊掛系統的穩定性研究

陳 濤

中鐵十一局集團第五工程有限公司

1 引言

近年來，橋梁深水基礎技術在跨越大江、大河的橋梁建設中得到了廣泛的使用。橋梁深水基礎施工時，防水、防土以及防止沖刷、滑坡等是關鍵，也是難點。除沉井和沉箱基礎具有防水功能外，深水中管柱、樁基礎的施工，常需要配以防水圍堰。目前，橋梁深水基礎施工中，采用的防水圍堰大致有：鋼板樁圍堰、雙壁鋼圍堰、異形鋼圍堰、雙壁薄層鋼筋混凝土圍堰、鎖口鋼管樁圍堰以及鋼吊箱圍堰等形式。鋼吊箱圍堰的作用是通過吊箱圍堰側板和底板上的封底混凝土圍水，為承臺施工提供無水的干處施工環境。根據鋼吊箱使用功能，將其分為底板、側板、內支撐、吊掛系統四大部分。其中，側板、底板是鋼吊箱圍堰的主要阻水結構并兼作承臺模板。鋼吊箱圍堰是為承臺施工而設計的臨時阻水結構，其作用是通過吊箱圍堰側板和底板上的封底混凝土圍水，為承臺施工提供無水的干處施工環境；封底混凝土作為承臺施工的底模板，吊箱側板作為承臺施工的側模板。

2 鋼吊箱概述

鋼吊箱設計雙壁鋼圍堰，分為底板、壁板、內支撐、拉壓桿等結構，其中：底板采用壁厚8mm 鋼板，壁板采用壁厚8mm 鋼板；底板龍骨：大龍骨：HW400×400×13×21以及3拼工40，其中設置下放系統吊點位置處的大龍骨須采用3 拼工40；小龍骨：工40、加勁肋：工18/工22；隔艙板板厚為16mm，內外殼板處設－12×300mm 的加強墊板，水平筋、豎向筋－12×150mm，水平間距約1400mm，上下層間距100cm；與承臺高度相同范圍隔艙內灌注C30混凝土；在直線與弧度轉角處以及內支撐連接處設箱形梁，同樣采用16mm 鋼板。水平環板采用－14×300mm，上下層間距100cm；水平斜撐采用L100×100×12 角鋼，上下層間距同水平環板，為100cm；豎肋采用L75×75×8角鋼，間距400mm；內支撐采用φ820×10mm鋼管；拉壓桿采用2[]36a拼成的箱形截面，下端支在底板縱橫龍骨的交叉點處，上端焊接在護筒上。

2 計算模型

2.1 計算參數

鋼吊箱設計施工水位為+162.0m；吊箱底面標高+136.5m，吊箱頂面標高+162.0m；平面尺寸31.3m×22.3 m（水流方向）×25.5m（高度）；艙壁間距2.0m；鋼吊箱的材料為Q235 鋼材。鋼吊箱封底混凝土標號為C30，封底厚3.5m，側壁艙內灌注8.5m 混凝土（與承臺頂齊平），混凝土的重度取γc=25kN/m3。鉆孔樁：18Φ2.5m，鋼護筒外徑2.8m，底板預留孔直徑3.0m。水流速度為2m/s（十年一遇流水速度）；鋼護筒與混凝土之間握裹力取150kN/m2；自重、混凝土、靜水壓力等荷載取荷載分項系數為1.2，水流壓力荷載取荷載分項系數1.4。

2.2 計算工況

鋼吊箱到達設計標高漂浮，澆注3.5m厚的封底混凝土（未固結）的情況，為底板最不利情況。計算荷載：鋼吊箱自重+封底混凝土荷載+浮托力；主要計算內容：底板龍骨、底板以及吊掛系統計算。

2.3 計算模型

圍堰的整體空間結構計算，采用橋梁結構有限元分析軟件MIDAS/Civil進行計算。由于結構為圓端型，根據對稱性，取四分之一結構進行計算分析。板殼單元離散和模擬內、外殼板、隔艙板、底板；單元大小以殼板垂向加勁肋間距為依據，形狀盡量接近正方形。梁單元離散和模擬底板大小龍骨、加勁肋、壁板豎肋、拉壓桿以及內支撐結構；按照實際情況考慮梁的偏心。實體單元離散和模擬鋼吊箱中的填充混凝土。

澆注3.5m厚的封底混凝土，鋼吊箱內以及壁艙間注滿水，與鋼吊箱外同水位，吊箱內支撐受力很小，底板承受混凝土的豎向壓力，此工況為底板和吊掛系統最不利工況。

3 計算結果

表1 計算結果一覽表

所有應力均在215MPa 以內，底板整體變形為14.8mm，較小，說明結構是安全可靠的。

4 穩定性計算

4.1 鋼管樁驗算

內支撐系統為主要受壓構件，需要驗證支撐系統的穩定性，根據計算模型查的鋼管內支撐軸力最大為3294.0kN。鋼管樁最大自由長度取2.6m則：

查表得Φ=0.995，則，穩定性滿足要求。

4.2 拉壓桿計算

鋼吊箱下放過程中若承受的浮托力全部由拉壓桿抵抗，則單根拉壓桿承受的壓力為32864.4kN/18×4根=456.45kN。則：

查表得Φ=0.169，則，拉壓桿穩定性滿足要求。

4.3 提升系統計算

鋼吊箱圍堰下放采用提升梁（350t 連續千斤頂）下放，鋼吊箱下放過程中提升梁承受鋼吊箱總重，設計采用4套提升梁以及8個350t連續千斤頂下放，鋼吊箱總重為1647.9t，則每個350t連續千斤頂承受的荷載為1647.9/8=206.0t，每個連續千斤頂設置21根Φ15.2鋼絞線（1860MPa）則：

350t連續千斤頂安全系數：350/206=1.7。

根據DG/TJ 08—2056—2009《重型結構（設備）整體提升技術規程》，第7.1.3規定總提升能力（所有提升油缸總額定載荷）應不小于總提升荷載標準值的1.25倍，且不大于2倍，第7.1.2規定提升油缸中單根鋼絞線的拉力設計值不得超過其破斷拉力的50%，因此該提升能力儲備系數及鋼絞線的安全系數完全滿足大型構件提升工況的要求。

支撐梁、吊掛梁最大組合應力為：

滿足要求。

鋼護筒最大組合應力為：

滿足要求。

當不采用牛腿時，鋼護筒整體穩定性驗算如下：

因此鋼護筒的強度和整體穩定性滿足要求。

5 結論

吊掛系統的是有底鋼吊箱圍堰的主要承重系統，承受著整個圍堰體系、封底和承臺混凝土及部分水下墩身的自重及施工荷載。其穩定性直接關系著后階段施工的成敗。本文對鋼管樁，圍堰拉壓桿的連接件、銷軸、耳板、連接焊縫、提升系統、封底隔倉板的穩定性進行了研究，該圍堰的穩定性滿足要求。其研究內容可為今后類似工程的設計提供參考。