深水基礎(chǔ)雙壁鋼套箱圍堰設(shè)計(jì)與計(jì)算

李靜

（中鐵十四局集團(tuán)第二工程有限公司，山東 泰安 271000）

1 工程概況

巴河特大橋中心樁號(hào)K6+829，全長(zhǎng)1500m。全橋共36 個(gè)墩臺(tái)，其中7#～25#位于巴河河道中；主橋（70+120+70）m 連續(xù)梁跨越巴河，21#、22#為主墩，20#、23#為邊墩。本文以21#、22#主墩為例，介紹深水基礎(chǔ)雙壁鋼套箱圍堰設(shè)計(jì)與計(jì)算。橋梁位于巴河下游孫鎮(zhèn)河段，全長(zhǎng)約5km。枯水期，上游流量較小且經(jīng)常出現(xiàn)斷流情況；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際考察，圍堰設(shè)防水位標(biāo)高為+14.854m，當(dāng)水位大于+14.854m 時(shí)，圍堰內(nèi)灌水，水位退去后繼續(xù)抽水施工。

2 方案選擇

通常深水基礎(chǔ)主要施工方法為雙壁鋼套箱、鋼吊箱以及鋼板樁圍堰，結(jié)合該工程地理位置、水文、地質(zhì)情況及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，經(jīng)過多種施工方案比選和現(xiàn)場(chǎng)考察，確定21#、22#主墩采用雙壁鋼套箱施工，滿足經(jīng)濟(jì)適用、安全可靠、施工質(zhì)量要求。

3 雙壁鋼套箱設(shè)計(jì)

3.1 雙壁鋼套箱根據(jù)承臺(tái)尺寸設(shè)計(jì)為矩形，結(jié)構(gòu)尺寸為33.96m*16.7m，每邊比承臺(tái)尺寸大10cm。內(nèi)外壁之間距離為1.5m，全高為23.5m，分成四節(jié)，第四節(jié)（底節(jié)）為5.15m，第三、二、一節(jié)分別為5.35m、6.1m、6.9m。頂面標(biāo)高為15.951m，比設(shè)計(jì)控制水位高1m。

3.2 側(cè)板面板厚為6mm，豎向隔板厚為16mm，水平環(huán)向間距為0.8～1.2m，豎向設(shè)置∠75×50×6 角鋼，水平環(huán)板采用12mm 板件焊接成∠型構(gòu)件，水平連桿為∠100×10 角鋼，材質(zhì)均為Q235B。

3.3 隔艙板豎向采用16mm 鋼板，水平環(huán)板采用16mm 鋼板與側(cè)板焊接，水平斜桿采用∠100×10 角鋼與水平環(huán)板交錯(cuò)支撐每套圍堰設(shè)置20 個(gè)隔艙。

3.4 雙壁鋼套箱設(shè)置3 層內(nèi)支撐，內(nèi)支撐使用HN450*200 型鋼及Ф1000 螺旋管，分別在9.68m、14.78m、20.78m 處設(shè)置。

3.5 圈梁采用HN450*200 型鋼及14mm 鋼板制作，與鋼套箱壁板雙面焊接，在圈梁下部每隔5m 設(shè)置一道牛腿，采用25#工字鋼制作，圈梁分別在9.68m、14.78m、20.78m 處設(shè)置。

3.6 鋼套箱分四節(jié)施工，每節(jié)分16 塊，每塊重量不超過14 噸，每節(jié)套箱連接采用焊接連接，每道焊口處焊接H40 型鋼加固。

3.7 鋼套箱底節(jié)整體下沉到位后鋼套箱內(nèi)壁澆筑8m高C30 混凝土，以增強(qiáng)刃角強(qiáng)度和剛度。

4 計(jì)算參數(shù)

4.1 材料參數(shù)

為與施工階段結(jié)合使用，鋼套箱圍堰采用允許應(yīng)力法進(jìn)行計(jì)算。

4.1.1 Q235B 鋼參數(shù)：容許剪應(yīng)力[τ]=85MPa，容許彎曲應(yīng)力為[σ]=145MPa；臨時(shí)結(jié)構(gòu)考慮1.3 倍應(yīng)力擴(kuò)大系數(shù)。擴(kuò)大后為：[σ]=1.3*145=188MPa，[τ]=1.3*85=110MPa。

4.1.2 鋼彈性模量：Es=2.06×105MPa。

4.2 計(jì)算工況

對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合各工序的施工時(shí)間安排情況，計(jì)算內(nèi)容及水位控制如表1 所示。

表1 圍堰施工步驟及各步驟關(guān)鍵計(jì)算內(nèi)容

4.3 計(jì)算荷載

4.3.1 水壓力：按照水頭差進(jìn)行計(jì)算，三角形荷載進(jìn)行布置，控制水位為+14.854m，圍堰底標(biāo)高為-7.549m，圍堰水頭差為：h外=22.403m。

4.3.2 水流力：水流力簡(jiǎn)化為倒三角形荷載，水面處水壓力為Pw=CwρV2，河床處水壓力為0。

ρ-水密度，取1t/m3；V-水流流速；L=32.7m，b=16.7m，L/B=32.7m/16.7m=1.96；Cw-水流阻力系數(shù)，Cw=1.3；2m/s水流力：pw1=CwρV2=1.3*1*22=5.2KPa。

5 圍堰結(jié)構(gòu)計(jì)算

圍堰抽水工況水位以+14.854m 進(jìn)行控制，用MIDAScivil2016 建模，模型考慮施工階段影響。

鋼套箱側(cè)板厚為1.5m，面板厚為6mm，豎向隔板為16mm 鋼板，豎向設(shè)置∠75×50×6 角鋼，水平環(huán)板采用12mm 板件焊接成L 型構(gòu)件，水平連桿為∠100×10 角鋼。

5.1 側(cè)板計(jì)算

面板計(jì)算結(jié)果如圖1-2 所示。

圖1 組合應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖2 剪應(yīng)力圖（單位：MPa）

面 板 受 力：σ=114MPa ＜[σ]=188MPa，τ=65MPa ＜[τ]=110MPa，滿足要求。

5.2 隔倉(cāng)板計(jì)算

隔倉(cāng)板計(jì)算結(jié)果如圖3-4 所示。

圖3 組合應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖4 剪應(yīng)力圖（單位：MPa）

隔倉(cāng)板受力：σ=125MPa＜[σ]=188MPa，τ=67MPa＜[τ]=110MPa，滿足要求。

5.3 水平環(huán)板計(jì)算

水平環(huán)板為280×12+150×12mm（肋板），考慮50 倍板厚參與共同受力。

其截面特性為：A=6960mm2，iv=69mm，L=1.3m，λ=L/iv=1300/69=19，查表得：φ=0.973

穩(wěn) 定 應(yīng) 力 計(jì) 算 如 下：σmax1=N/ψA+M/ΥxW=13*104/0.973*6960+4.8*107/1.15*642435.9=65MPa ＜188MPa，滿足要求。

5.4 折角加勁板計(jì)算

折角加勁板計(jì)算結(jié)果如圖5、6 所示。

圖5 組合應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖6 剪應(yīng)力圖（單位：MPa）

水平斜桿受力：σ=30MPa＜[σ]=188MPa，τ=17MPa＜[τ]=110MPa，滿足要求。

5.5 圍堰整體變形計(jì)算

圍堰整體變形計(jì)算結(jié)果如圖7 所示。

圖7 圍堰變形圖（mm）

圍堰整體變形為8mm。

5.6 圈梁計(jì)算

圈梁受力如圖8、9 所示。

圖8 組合應(yīng)力圖（單位：MPa）

斜桿受力：σ=77.7MPa＜[σ]=188MPa，τ=76.6MPa＜[τ]=110MPa，滿足要求。

5.7 內(nèi)支撐計(jì)算

內(nèi)支撐最大軸力為：N 壓= -197t

5.7.1 φ630*12 鋼管參數(shù)如表2 所示。

圖9 剪應(yīng)力圖（單位：MPa）

表2 參數(shù)表（mm）

內(nèi) 撐 參 數(shù) 計(jì) 算：A=23298mm2，ix=iy=218mm，Wx=3.53*106mm3，L=5.36m，λ=L/ix=25，等效彎曲系數(shù)：βmx=1；b類截面，查得＆x=0.9533。

穩(wěn) 定 性 計(jì) 算：σ =N/ψxA =197*104/0.9533*23298 =89MPa＜[σ]=188MPa

5.7.2 φ1000*12 鋼管參數(shù)如表3 所示。

表3 參數(shù)表（mm）

內(nèi) 撐 參 數(shù) 計(jì) 算：A=37246mm2，ix=iy=349mm，Wx=9.1*106mm3，L=12.8m，λ=L/ix=37，等效彎曲系數(shù)：βmx=1。b類截面，查的＆x=0.9103；穩(wěn)定性計(jì)算：σ=N/ψxA=307*104/0.9103*37246=91＜[σ]=188MPa，滿足要求。

6 結(jié)論

本文介紹了雙壁鋼套箱圍堰的設(shè)計(jì)和應(yīng)力計(jì)算，根據(jù)該工程的地形、地貌、水文、地質(zhì)情況和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從面板、隔倉(cāng)板、水平環(huán)板、水平桿、圈梁和內(nèi)支撐等材料和桿件的選擇和科學(xué)合理的布局，通過Midas 軟件的計(jì)算，各組成構(gòu)件均滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求，后續(xù)通過深水基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的施工驗(yàn)證了鋼套箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均滿足要求，為本項(xiàng)目后續(xù)基礎(chǔ)施工提供了技術(shù)保障。