海上高樁橋墩封底混凝土防滲措施研究

陳小龍，翟建國，曾 健

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040；3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040；4.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430040)

0 引言

橋墩是橋梁的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，橋墩可靠性直接影響橋梁安全。陸上橋墩一般需考慮風(fēng)荷載、沉降等因素影響，水下橋墩還需考慮波浪水平?jīng)_擊力與豎向波托力與波吸力作用。

目前，國內(nèi)外對水下高樁橋墩封底混凝土滲水問題的研究較少，為此，依托援馬爾代夫中馬友誼大橋，進(jìn)行受力性能分析，并提出防滲措施，以有效解決滲漏問題。

1 工程概況

援馬爾代夫中馬友誼大橋全長1 390m，跨越Gaadhoo Koa海峽，連接環(huán)礁上馬累島、機(jī)場島(珊瑚爾島)和胡魯馬累島，是馬爾代夫最重要的島嶼連接線工程。該橋由主橋、兩岸引橋及機(jī)場側(cè)填海路基組成，其中主橋長760m，由19～22號高樁橋墩支撐，橋墩鋼管樁水下凈長度為60m。

19～22號橋墩采用六邊形整體式承臺(鋼吊箱)，如圖1所示。22號橋墩鋼吊箱于2016年3月18日下放到位，并焊接鋼護(hù)筒橫聯(lián)、拉壓桿、吊桿；于2016年3月24日澆筑封底混凝土，混凝土強(qiáng)度等級為C35，厚2m，用量約650m3，首封及補(bǔ)澆過程順利，于12h內(nèi)完成；2016年3月28日，試塊強(qiáng)度達(dá)30MPa，進(jìn)行抽水作業(yè)，抽水結(jié)束后2d內(nèi)混凝土封水效果良好，封底混凝土與鋼護(hù)筒、壁體之間均無明顯間縫，無漏水現(xiàn)象，割除拉壓桿、吊桿及鋼護(hù)筒之間的橫聯(lián)；2016年3月30日，7根鋼護(hù)筒與封底混凝土之間陸續(xù)出現(xiàn)滲水現(xiàn)象；2016年4月9日，4號鋼護(hù)筒附近出現(xiàn)寬度>1cm的裂縫，5號鋼護(hù)筒與壁體之間出現(xiàn)縫隙，隨涌浪作用，個(gè)別裂縫出現(xiàn)冒水現(xiàn)象。此時(shí)19號橋墩已完成抽水，拉壓桿、吊桿及鋼護(hù)筒橫聯(lián)尚未割除，20～22號橋墩鋼吊箱尚未下放。為保證施工質(zhì)量，需分析滲水原因，并提出預(yù)防措施。

圖1 高樁橋墩承臺

2 有限元分析

橋墩由水下鋼管樁與水面鋼吊箱及內(nèi)部封底混凝土組成，鋼管樁尺寸大，受力復(fù)雜，需單獨(dú)進(jìn)行分析。

2.1 水下鋼管樁

水下鋼管樁長達(dá)60m，鋼管樁底部深入海床巖石，頂部在封底混凝土作用下與鋼吊箱剛性固結(jié)。由于樁基在水中自由長度過大，在波浪及水流荷載作用下產(chǎn)生樁基水平力，樁頂存在較大負(fù)彎矩。樁頂負(fù)彎矩使樁基和封底混凝土接觸面產(chǎn)生額外的拉壓應(yīng)力，因此需進(jìn)行水流力與波浪力計(jì)算。鋼管樁承受的荷載與彎矩如圖2所示。

圖2 鋼管樁承受的荷載與彎矩

2.1.1水流力計(jì)算

水流力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式為：

(1)

式中：Fw為水流力標(biāo)準(zhǔn)值；v為水流設(shè)計(jì)流速，v施工=2.99m/s，v下放=1.00m/s；Cw為水流阻力系數(shù)，取0.8；ρ為海水密度，取1.025t/m3；A為計(jì)算構(gòu)件在與流向垂直平面上的投影面積。

施工時(shí)單位面積水流力為：

(2)

下放時(shí)單位面積水流力為：

(3)

2.1.2波浪力計(jì)算

波浪作用于鋼吊箱上將引起局部反射，鋼吊箱干涉波波高Hd大于原始波波高H，小于波浪遇直立墻發(fā)生完全反射時(shí)的立波波高2H。

鋼吊箱吃水深度內(nèi)，可按下列公式計(jì)算局部反射波波高、局部反射系數(shù)等：

Hr=KrH

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：Hr為局部反射波波高；Kr為局部反射系數(shù)；L為波長；d為水深；T為鋼吊箱吃水深度；η為原始波波峰在靜水面以上的高度；h0為原始波波浪中心線對靜水面的超高值。

干涉波波高計(jì)算如下：

Hd=H+Hr

(8)

假想的完全反射波波高計(jì)算如下：

(9)

水深d處的壓強(qiáng)為：

(10)

水面處的壓強(qiáng)為：

(11)

鋼吊箱底板波托力或波吸力按三角形荷載考慮，最大荷載取鋼吊箱壁體側(cè)面波浪力，作為箱底處的波浪力。

2.1.3計(jì)算結(jié)果

各工況下波浪力計(jì)算結(jié)果如表1所示，高水位浪高0.75，2.34，3.47m時(shí)的零浪面分別為0.63，1.97，3.00m。低水位浪高3.47m時(shí)的零浪面的2.96m。

表1 各工況下波浪力計(jì)算結(jié)果 kPa

考慮現(xiàn)場波流條件，原始波波高為1.5m，周期為13s，流速為1.2m/s，鋼管樁在水流力與波浪力作用下的位移如圖3所示，由圖3可知，鋼管樁樁頂最大水平位移較小，僅為10.4mm。

圖3 鋼管樁位移云圖(單位：m)

2.2 鋼吊箱及封底混凝土

2.2.1有限元模型

根據(jù)鋼吊箱實(shí)際尺寸，采用有限元軟件ANSYS建立有限元模型，如圖4所示。鋼吊箱自重350t，采用Q235鋼，泊松比為0.3?；炷翉?qiáng)度等級C35，泊松比0.167，密度2 400kg/m3。

圖4 鋼吊箱有限元模型

2.2.2計(jì)算結(jié)果

對荷載進(jìn)行組合，選取7種具有代表性的工況進(jìn)行計(jì)算：①工況1 自重+高水位波托力(抽水但無水平力，封底混凝土厚1.3m)；②工況2 自重+低水位波托力+承臺荷載(低水位澆筑1.5m高承臺，但無水平力，封底混凝土厚2m)；③工況3 自重+高水位波托力+樁基水平力(抽水但無腰梁水平力，封底混凝土厚1.3m)；④工況4 自重+低水位波托力+樁基水平力+承臺荷載(低水位澆筑1.5m高承臺，無腰梁水平力，封底混凝土厚2m)；⑤工況5 自重+高水位波托力(抽水但無水平力，封底混凝土厚2m)；⑥工況6 自重+高水位波托力+樁基水平力(抽水，封底混凝土厚2m)；⑦工況7 自重+低水位波托力+樁基水平力(抽水，封底混凝土厚2m)。

計(jì)算得工況1～7下封底混凝土最大應(yīng)力分別為0.667，0.266，1.470，0.375，0.208，0.865，0.447MPa，最大豎向合力分別為41，-55，41，-55，25，25，-18kN，以工況3為例，封底混凝土頂面與底面應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 工況3封底混凝土應(yīng)力云圖(單位：Pa)

3 不同因素對滲水的影響

3.1 荷載作用

1)僅在豎向荷載作用下，封底混凝土應(yīng)力水平較低，對滲水影響較小。

2)樁基水平力對鋼護(hù)筒周圍混凝土局部應(yīng)力的影響較大，腰梁水平力對迎水面混凝土及鋼護(hù)筒周圍混凝土局部應(yīng)力的影響較大，易引起局部開裂，導(dǎo)致滲水。

3)封底混凝土開裂面與抽水后混凝土在豎向荷載和水平荷載共同作用下的應(yīng)力分布較類似，易引起斜裂縫，導(dǎo)致滲水。

3.2 拉壓桿和吊桿卸載影響

1)封底混凝土澆筑時(shí)，在底板上共布置56根拉壓桿及20根吊桿，用于承擔(dān)鋼吊箱及封底混凝土自重、波托力與波吸力作用，有效降低局部應(yīng)力，防水開裂，避免滲水。

2)抽水完成后割除拉壓桿和吊桿，內(nèi)力釋放，使封底混凝土形成附加應(yīng)力，混凝土與鋼護(hù)筒筒壁及鋼吊箱內(nèi)壁接觸緊密，避免滲水。

3.3 施工質(zhì)量問題

1)鋼吊箱腰梁底板與鋼管樁鋼護(hù)筒間采用抱箍封孔，由于鋼管樁在波浪力作用下水平晃動，底板在波托力及波吸力作用下上下起伏，封孔質(zhì)量存在問題，導(dǎo)致封孔處出現(xiàn)射水現(xiàn)象。

2)現(xiàn)場采用沙袋堵孔，雖減少了底部射水現(xiàn)象，但仍存在水流，封底混凝土質(zhì)量仍較低，且減小了封底混凝土有效厚度。

3)鋼護(hù)筒周圍封底混凝土拉應(yīng)力水平較高，在封底混凝土質(zhì)量降低及有效厚度減少的情況下易發(fā)生破壞，鋼護(hù)筒周圍首先出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，隨著樁基的晃動滲水越來越嚴(yán)重。

4)滲水后，鋼護(hù)筒和封底混凝土間的約束減弱，混凝土澆筑木板在鋼護(hù)筒處支撐減弱，跨度增大，導(dǎo)致混凝土沿著應(yīng)力較大的區(qū)域開裂。

4 滲水橋墩防滲措施

4.1 排水

沿裂縫區(qū)域鑿出20cm深排水溝，排水溝上鋪鋼板封蓋，將滲水通過暗溝強(qiáng)排，壁體開孔通向外側(cè)連通鋼管，防止承臺混凝土在強(qiáng)度增加過程中受海水侵蝕，排水量約30m3/h。

4.2 拉壓桿轉(zhuǎn)換

對已割除的拉壓桿進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換。由于前期封底混凝土澆筑高度約2m，故需鑿除部分鋼護(hù)筒周圍混凝土(鑿除過程中滲水變多)，確保拉壓桿牛腿不進(jìn)入承臺鋼筋區(qū)域。

4.3 加裝支撐架

在4根鋼護(hù)筒上安裝支撐架，采用HN900×300×16×28型鋼橫梁，橫梁與鋼吊箱壁體及內(nèi)支撐連接，內(nèi)支撐抄墊連接時(shí)段選擇在最高水位。整個(gè)支撐架施加4 900kN的向上預(yù)頂力。

4.4 增加承臺混凝土澆筑次數(shù)

將承臺混凝土澆筑次數(shù)由原來的2次增至3次，澆筑厚度分別為0.8，0.8，2.4m。計(jì)劃低水位開始澆筑，高水位澆筑完成(8h內(nèi)澆筑完成)，并將混凝土緩凝時(shí)間縮短至10h。

5 未下放橋墩防滲措施

1)在鋼護(hù)筒周圍底板上焊接豎向φ28mm短鋼筋，增加底板與封底混凝土之間的黏結(jié)力。

2)鋼吊箱腰梁下放到位后，除焊接拉壓桿、吊桿外，增焊鋼護(hù)筒橫聯(lián)，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體剛度。

3)封底混凝土改為2次澆筑，首層封底混凝土厚1.5m(便于焊接封底混凝土內(nèi)鋼護(hù)筒橫聯(lián)，并保證第2層封底混凝土質(zhì)量)，第2層封底混凝土厚0.5m。

4)在1.5m厚封底混凝土頂面焊接鋼護(hù)筒橫聯(lián)，增加結(jié)構(gòu)整體剛度。

5)在橫聯(lián)上鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片，在第2層封底混凝土范圍內(nèi)鋼護(hù)筒四周焊接剪力釘，增加鋼護(hù)筒與封底混凝土之間的黏結(jié)力。

6)對拉壓桿和吊桿進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換但不割除(原設(shè)計(jì)不考慮轉(zhuǎn)換)，待第2層封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后、承臺鋼筋綁扎前割除拉壓桿和吊桿。

采取防滲措施后，20～22號鋼吊箱封底混凝土均未出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，可知防滲措施有效解決了水下高樁橋墩封底混凝土滲水問題。

6 結(jié)語

以援馬爾代夫中馬友誼大橋?yàn)橐劳?，由于該橋水下鋼管樁尺寸大且受力?fù)雜，因此對其承受的荷載、位移進(jìn)行計(jì)算。選取7種具有代表性的工況，采用有限元軟件ANSYS對鋼箱梁及封底混凝土進(jìn)行數(shù)值模擬分析。根據(jù)現(xiàn)場勘察及計(jì)算結(jié)果，針對滲水橋墩和未下放橋墩提出不同的防滲措施，滲水橋墩防滲措施包括排水、拉壓桿轉(zhuǎn)換、加裝支撐架、增加承臺混凝土澆筑次數(shù)等，未下放橋墩防滲措施包括在鋼護(hù)筒周圍底板上焊接豎向短鋼筋、在橫聯(lián)上鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片等。工程實(shí)踐表明，本文采取的防滲措施達(dá)到良好防滲效果，可為類似工程提供參考。