芒稻河特大橋超長鋼板樁圍堰結構優化設計*

李洪濤，林海峰，沈文煜，卓為頂，劉 釗

(1.江蘇省交通工程建設局，江蘇 南京 210001； 2.東南大學，江蘇 南京 211189；3.南京工程學院，江蘇 南京 211167)

1 工程概況

芒稻河特大橋屬于江蘇省五峰山過江通道北接線工程，主橋為預應力混凝土剛構-連續梁組合體系，跨徑76.72m+3×130m+81.72m，如圖1所示。其33～35號墩位于主航道內，橋墩為薄壁混凝土墩身，承臺平面為矩形且位于河床下，采用鉆孔灌注樁群樁基礎。

圖1 主橋跨立面(單位:cm)

芒稻河為長江支流三級航道，橋址處平均流速1.3m/s，土層主要為粉土和粉砂。結合本橋基礎形式及水文地質等條件后，確定承臺施工采用鋼板樁圍堰[1-2]。由于33～35號承臺施工過程中，抽水后內外水頭差最大值可達19m，在充分研究的基礎上，提出圍囹支撐采用水中整體下放，先支撐后抽水的方案。在此以33號承臺為例，展示超長鋼板樁圍堰的結構優化設計過程。

2 鋼板樁圍堰初步設計

2.1 圍堰平面布置及鋼板樁選型

圍堰平面布置主要考慮承臺墩身尺寸及工作空間[3]，本橋33號承臺尺寸為39.45m×14.40m×5m(長×寬×高)，考慮到承臺長寬比>2，宜采用矩形圍堰，內壁宜比承臺寬1.0～1.5m，確定其平面尺寸為42m×16.8m。

考慮到該圍堰尺度大、內外水頭差大，選用截面模量較大的拉森Ⅳw型鋼板樁[4]。為保證圍囹內支撐在不影響橋墩施工的情況下抵抗靜水壓，在圍堰內設雙菱形斜撐及長邊中部2道對口撐[5]，如圖2所示。

圖2 圍堰平面

2.2 圍堰立面設計

2.2.1鋼板樁長度確定

考慮到設計水位為4.000m，圍堰頂應高于設計水位，確定圍堰頂標高為5.000m。33號承臺底標高為-15.000m，河床面標高為-9.960m，為了滿足圍堰嵌固深度及抗浮要求，取鋼板樁總長為34m，封底混凝土厚度為4m，圍堰立面布置如圖3所示。

圖3 圍堰正立面

2.2.2圍囹支撐立面位置及桿件選型基本步驟

1)確定圍堰頂、底層的支撐位置 為保證鋼板樁上口的面內剛度，一般在水面附近設置頂層支撐；為不影響承臺施工，在承臺頂設置最下層支撐。

2)確定圍堰支撐的層數 根據最大內外水頭差及層間距≥2m的原則，確定中間支撐層數量，本橋33號墩設5層內撐。

3)確定中間支撐的布置位置 將鋼板樁側向三角形靜水壓荷載按面積相等的原則劃分為3部分(A1～A3)，并在各部分水壓面積的形心處設置支撐，記各道支撐間距為h1～h4，如圖4所示。對于本橋33號墩，計算出各圍囹內支撐位置，如表1所示。

圖4 內支撐豎向布置示意

表1 本橋33號墩內支撐桿件設計

4)確定內支撐桿件材料 根據各層圍囹支撐的受力，選擇不同的型鋼桿件，確保各層圍囹支撐桿件應力滿足安全要求。

2.3 施工步驟及控制工況

芒稻河特大橋鋼板樁圍堰施工采用鋼圍囹水中整體下放及整體拆除技術，具體施工步驟為：①插打鋼板樁直至鋼板樁合龍；②帶水吸泥至-11.000m，將第1～5道內支撐分層整體下放至設計標高；③水下抄墊第1，5道內支撐與鋼板樁之間空隙；④圍堰內水下吸泥、清淤至-18.500m，搭設封底平臺澆筑封底混凝土；⑤待封底混凝土養護完畢，抄墊第2～4道內支撐，一次性抽完圍堰內的水；⑥承臺施工完畢后，在承臺與鋼板樁空隙間回填砂、土混合物，頂部澆筑0.5m高混凝土冠梁，拆第5道內支撐；⑦完成墩身施工，向圍堰內注水至內外水位一致，拔除鋼板樁；⑧利用整體提升系統，將圍囹內支撐逐層吊出水面割除。

按施工步驟，在封底混凝土達到設計強度后，抽凈圍堰內水時圍堰處于最不利狀態，下面以該工況為例，對33號鋼板樁圍堰進行詳細的建模分析。

2.4 有限元模型建立

為模擬相鄰鋼板樁間存在豎向錯動現象，利用Midas Civil有限元軟件，建立鋼板樁和圍囹的三維有限元梁格模型，鋼板樁和內支撐采用梁單元，考慮到相鄰鋼板樁存在豎向錯動，并可繞鎖口轉動，其連接按剛度等效原則采用虛擬鏈桿進行模擬，如圖5所示。通過耦合垂直于鋼板樁方向和豎向自由度來模擬圍囹與鋼板樁之間的抄墊；利用“土彈簧”模擬底部土體對鋼板樁的約束作用；基坑以上土體以主動土壓的形式施加在結構上。鋼板樁和圍囹支撐的三維有限元模型如圖6所示。

圖5 梁格法單元示意

圖6 圍堰計算模型

在利用梁單元建立鋼板樁過程中需特別注意一點，鋼板樁采用梁格法，鋼板樁在受力計算時，應以鋼板樁的鎖口連線作為中性軸來承受外界荷載。因此，不能直接使用單根拉森鋼板樁的截面特性進行建模。通過換算，梁格法中單根拉森鋼板樁的截面特性取值：寬600mm，側厚210mm，壁厚18mm，面積135.3cm2，慣性矩34 020cm4。

鋼板樁圍堰的主要荷載計算如下。

1)動水壓力計算 在鋼板樁圍堰計算模型中，流水壓力簡化施加在設計水位線以下0.3倍水深處，流水壓力計算式為：

(1)

式中：Fw為流水壓力合力(kN)；K為圍堰形狀系數，矩形取1.3；Ab為阻水面積，計算至一般沖刷線處；γw為水的重度；v為設計流速，取v=2m/s；g為重力加速度。

2)土彈簧剛度計算 土彈簧剛度按下式取值：

ks,i=aibmizi

(2)

式中：ks,i為第i土層彈簧剛度；ai為第i土層厚度；b為樁的計算寬度；mi為第i土層的水平地基抗力系數；zi為第i土層深度。

33號圍堰處土彈簧取值如表2所示。

表2 圍堰側向土彈簧剛度計算

3)主動土壓力計算 鋼板樁圍堰施工范圍內土層為粉土和粉砂，均為強透水性土層，其中粉土厚度為0.2～8.2m，天然密度為1.87g/cm3，內摩擦角為30.9°，黏聚力為7kPa；粉砂厚度為2.2～40.1m，天然密度為1.89g/cm3，內摩擦角為17.3°，黏聚力為6.9kPa。土壓力計算時考慮采用水土分算法按下式計算：

(3)

式中：Pak為土壓力；γf為土的浮重度；hs為土層厚度；Ka,i為主動土壓系數，Ka,i=tan2(45-φi/2)；ci為黏聚力；h為距水面高度。

主動土壓力計算簡圖如圖7所示。

圖7 主動土壓力計算簡圖

2.5 初步計算結果

計算結果表明，鋼板樁變形和應力均較大，如圖8所示。對口撐穩定性驗算結果為205.1MPa，超過穩定臨界應力205MPa，不滿足規范要求[6]。

圖8 優化前計算結果

3 鋼板樁圍堰的優化設計及對比

針對初步設計計算結果中鋼板樁變形、應力較大，內支撐穩定性不滿足規范要求等情況，對鋼板樁圍堰進行優化設計。

3.1 鋼板樁優化

為提高鋼板樁的剛度，提出將外側鋼板樁加焊H型鋼形成焊接組合鋼板樁，用于圍堰的短邊方向(即迎水面和背水面)，鋼板樁分布情況如圖9所示，鋼板樁與組合樁連接如圖10所示。

圖9 在圍堰短邊設置組合鋼板樁

圖10 鋼板樁與組合樁示意

焊接組合鋼板樁截面特性按表3取值。

表3 焊接組合鋼板樁截面特性值

組合鋼板樁大幅度提高了鋼板樁的抗彎慣性矩[7]，極大地增強了圍堰抵抗側向荷載的能力。

3.2 層間支撐設計

圍囹內支撐中，對口撐計算長度大，在靜水壓力和自重作用下易發生平面外彎壓失穩。為提高對口撐穩定性，提出增加豎向層間支撐[8]，如圖11所示，其中豎桿采用φ299×12鋼管，斜桿采用[18。

圖11 層間豎向支撐布置示意

3.3 優化后的結果對比

優化后計算結果表明，鋼板樁變形和應力明顯減小，對口撐穩定性驗算結果滿足規范要求。圍堰受力及變形結果如圖12所示。

圖12 優化后計算結果

鋼板樁圍堰優化前后的主要計算結果如表4所示，鋼板樁應力最大值出現在圍堰短邊的鋼板樁與封底混凝土接觸處，優化后降低56%；鋼板樁最大變形出現在短邊頂部，優化后降低18.8%；內支撐最大應力出現在第5道對口撐處，優化后降低17.2%；通過增加層間支撐，對口撐穩定性達到規范要求。

表4 優化前后鋼板樁圍堰結構的計算包絡值對比

4 結語

1)結合芒稻河特大橋承臺施工的鋼板樁圍堰設計，探討了超長鋼板樁圍堰的平面布置、鋼板樁長度及內支撐選型的基本方法，提出了雙菱形斜撐與對口撐結合的矩形圍囹支撐平面布置方式，在內支撐立面設計中提出了一種基于靜水壓力等分原則的圍囹豎向間距定量化設計方法。

2)考慮到相鄰鋼板樁間存在錯動和轉動等現象，提出采用梁單元模擬鋼板樁和內支撐，相鄰鋼板樁之間的連接采用虛擬鏈桿模擬，建立鋼板樁圍堰梁格法模型，并對圍堰初步設計進行驗算。

3)針對初步設計中穩定性不滿足，提出在圍堰短邊采取H型組合鋼板樁和增加內支撐層間支撐的結構優化措施。結構優化后鋼板樁最大應力、變形明顯減小，內支撐強度及穩定性均顯著提高。

4)芒稻河特大橋的鋼板樁圍堰施工采用先支撐后抽水方案，鋼圍囹采用水中整體下放及整體拆除技術，大幅度縮短施工工期，通過對鋼板樁圍堰的結構優化設計，既保證了圍堰施工過程安全，又降低了施工成本，取得了良好的社會和經濟效益。