雙壁鋼圍堰設計與施工要點分析

孫光

一、工程概況

茅嶺江位于廣西欽州市和防城港市的交界位置，河道匯水區域大，雨季河水漲落幅度較大。為入海河流在本工程施工位置，受到潮汐漲落影響有漲落潮的現象。其地區地表水系發達，從山上的雨水最終匯集到茅嶺江，雨季水量較大，經常從山上刷下來大量雜草和樹枝，在施工中容易對施工人員機械造成安全威脅。茅嶺江的河流均發源于山區，河道縱坡較大，洪水暴漲暴落。

項目所在地處茅嶺江每天會發生一次漲潮和落潮。經實測，單日最大漲潮和落潮差達2m。橋位處水體鹽度高，在施工中需注意對鐵質構件采取防腐蝕措施。

二、鋼結構設計和計算

1.整體結構穩定性計算

根據水文數據該橋位區域最深水位為8.5m，取9m計算，由于圍堰底口為反向斜口，且有堅固的混凝土封底作為支撐。只需計算結構薄弱處的抗傾覆和抗彎折整體穩定性即可。桁架整體全部采用∠100×100×10等邊角鋼。

（1）豎向隔離體法計算

取一個豎向區隔，每個節段寬0.75m，厚0.80m，底部受到的最大彎矩為M=198.45kN·m，最大剪力為V=66.15kN；考慮由于單根角鋼的截面矩Ix1=179.51cm4；根據平行移軸公式，整體的整體截面慣性矩Ix=53248cm4；抗彎截面系數Wx=1331.2cm3；正應力σ=149＜215N/mm2；剪應力τ=17＜125N/mm2。故滿足要求。

由于節段之間采用角焊縫，E43焊條現場焊接，焊接質量為三級，hf=7mm，考慮水密性的連續焊接lw為節段寬度75cm，內外各一條，he=0.7hf=4.9mm。整體截面慣性矩Ix=1176014706mm4；抗彎截面系數Wx=2940036mm3；正應力σ=67.5＜160N/mm2。

以上通過最不利和最薄弱環節計算認為本鋼結構的整體穩定性滿足實際工程要求。

（2）橫向隔離體法計算

取底層的兩個節段，整個鋼圍堰外徑為18.6m，一圈為6個節段，每個節段的圓心角為60°，兩個節段為120°。中間節段焊接處為薄弱截面。根據微積分思想和對近似二鉸拱的分析，計算該位置的截面彎矩為：

其中f=ρgh；取不利深度為9m，但每層為一個整體，近似取平均深度為8.25m，有f=80.85kN·m；進一步有M=100.74kN·m。

在該截面處內外豎向焊縫的組合中，截面慣性矩Ix=2352029412mm4；抗彎截面系數Wx=5880073.5mm3；正應力σ=17.13＜160N/mm2。故滿足要求。

2.構件計算

（1）水平弦桿N1與N2計算

N1桿是軸向受力的二力桿件，且由于其與內側鋼板的焊接，導致其豎向翼緣增大，軸向承載力增大，滿足要求。N2為外側弦桿，為受彎構件，每個節段為1.5m，每個節段為兩個單元格，所以每根桿件的最從屬高度為75cm。

選最不利的9m位置計算，桿件受的彎矩M=4.65kN·m；抗彎截面系數Wx=25.06cm3；正應力σ=185＜215N/mm2。故滿足實際工程要求。

由于桿件與平面鋼板緊密焊接，整個立體桁架成為整體，故不考慮桿件的局部受壓穩定性。

（2）水平腹桿N3

經計算和最不利分析軸心拉力N3=35kN；根據《鋼結構設計標準》（GB50017-2017）：η1=0.85，η2=0.85；正應力σ=-25＜215N/mm2。滿足施工要求。

（3）立桿N4

內測立桿N4屬于軸心受力桿，由于鋼板焊接后的加強作用，軸心受力的N4內側桿符合施工受力要求。外側N4桿為受彎構件，按最底層位置，最不利桿件計算，桿的最大彎矩值取9m深處的平均壓應力，M=4.65kN·m；M/W=185＜215N/mm2。滿足施工受力要求。

由于桿件與平面鋼板緊密焊接，整個立體桁架成為整體，故不考慮桿件的局部受壓穩定性。

（4）水平桿N5

最不利的N5桿為受壓直桿，取最不利位置分析N=49.6kN，根據《鋼結構設計標準》，N3桿件長80cm，取斜平面計算長度l0=72cm，λ0=36.8，根據《鋼結構設計標準》，按Q235鋼材且b類截面查表，得穩定系數ψ0=0.911。

根據《鋼結構設計標準》：η1=0.6552、η2=0.85；正應力σ=50.8＜215N/mm2。滿足施工要求。

（5）豎向斜腹桿N6

N6桿為受拉桿，經計算和最不利分析軸心拉力N3=35kN；根據《鋼結構設計標準》：η1=0.85、η2=0.85；正應力σ=-25＜215N/mm2。滿足施工受力要求。

3.焊接節點計算

根據結構分析，由于整個桁架形成受力整體且沒有集中荷載的參與，只需考慮最不利狀態。即：

（1）N4桿的豎向連接點

N4桿的焊接抗剪，依靠上下凹凸的榫頭裝置及外接8mm鋼板的焊接，大大增加了節點區域的抗剪切能力。該處的最大剪力值V=66.15kN，為結構安全考慮，按鋼板焊縫完全承擔剪力，則剪應力為：

故此處N4節點的焊縫滿足施工受力要求。

（2）N6與N3桿的節點連接

N6與N3的焊接節點，屬于正面角焊縫和側面角焊縫的圍焊，正面角焊縫是100mm，側面角焊縫肢背為50mm，正面角焊縫為25mm，焊縫的承載力為：

滿足施工受力要求。

三、施工整體流程

1.鋼圍堰首層拼裝，在岸邊挖一個拼裝平臺，平臺低于潮水面約1.5m，出口處用沙袋封堵至不漏水。底面用C20砼打15cm厚1.5m寬的環形墊層，作為拼裝平臺，平臺標高差＜1mm。將事先已經焊接好的各節段在汽車吊的輔助下完成拼裝焊接，要嚴格注意焊縫的密封性，焊接完后要灌水檢測密封性，不允許出現漏水的現象。

2.承臺位準備，在柱墩樁基施工完成后拆除樁基鉆孔平臺，將承臺位置挖深至承臺地約1.0m的位置。

3.浮運和初步定位，在低潮水位時挖開平臺口位置的沙袋，潮水升高后圍堰首層將浮起，用小船拉住圍堰首層至承臺位，在潮水平潮期將圍堰首層拖運并初步定位至承臺位置，然后下錨固定，注意此時一定要確保至少樁基完全在平臺范圍內。

4.水上拼裝，在水上浮吊的配合下開始對鋼圍堰進行水上拼裝，每拼裝一層進行水密性檢查，檢查完成后再注水下沉，開始拼裝下一層。

5.精確定位，在鋼圍堰最后一層拼裝完成鋼圍堰快要觸底時，組織測量班精確定位，并在完整錨定系統的配合下，完成精準定位下沉至承臺位置。

6.封底，在定位完成后采用鐵絲探勾的方法對于河床不平導致圍堰底部懸空的地方，從內部和外部采用沙袋填滿封死，確定周圍一圈封死后開始在圍堰內側灌注C20混凝土，測底封閉和固定好圍堰整體，封底過程中遇到潮水水位的變更，注意保持內外水位的平衡，水壓對底口尚未凝固的封底混凝土沖散，可在圍堰側位置臨時開通水口。

7.抽水清底，在封底混凝土凝固后開始將水抽出，并封堵之前在側壁上開的通水口。并適當降低雙壁內水位位置。抽水完成后進一步清底和下步承臺施工。

四、結語

由于我國南部和東南亞各國在實施的橋梁工程大多與此茅嶺江類似，有潮汐環境，且多在深水施工水中墩，采用雙壁鋼圍堰可以處理大部分水中墩施工的問題，對于以后水中基礎施工有一定的參考意義。