三門峽黃河公鐵兩用特大橋6#墩墩雙壁鋼套箱圍堰設(shè)計(jì)

連延金

(中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司，天津 300300)

三門峽黃河公鐵兩用特大橋?yàn)槊晌魅A中鐵路規(guī)劃的運(yùn)三鐵路及運(yùn)三公路跨越黃河的共用橋梁，位于河南省三門峽市，起訖里程DK639+106.184—DK644+769.938。橋軸線與河道主流線夾角約83°，橋梁全長 5 663.754 m，其中公鐵合建段長 1 762.733 m。主橋?yàn)?1跨連續(xù)鋼桁結(jié)合梁橋，橋跨布置為1聯(lián)(84+9×108+84)m，主橋全長 1 140 m。主橋布置如圖1所示。

圖1 主橋立面示意(單位：m)

三門峽黃河公鐵兩用特大橋主橋位于距三門峽大壩上游28.90 km處。三門峽水庫汛期有3個月為低水位，標(biāo)高約+303.808 m，汛期敞泄，水流速度較大。非汛期為高水位，一般達(dá)+316.808 m，非汛期蓄水，河水無流速。庫區(qū)水位一年中約9個月時間水深維持在15 m；調(diào)水調(diào)沙期間(6月—8月)庫區(qū)水位落差變化達(dá)13 m。

橋位處主要為第四系全新統(tǒng)至中更新統(tǒng)沖積、沖洪積砂質(zhì)新黃土、砂層、砂質(zhì)老黃土、黏質(zhì)老黃土[1]。

1 圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

三門峽黃河公鐵兩用特大橋6#墩基礎(chǔ)采用“先平臺后圍堰”的施工方法，設(shè)計(jì)水位+316.808 m。6#墩承臺底標(biāo)高+298.438 m，水深18.37 m。承臺平面尺寸42.3 m×24.6 m，厚4.5 m;加臺平面尺寸為38.4 m×13.6 m，厚2.0 m。承臺分2次澆筑，第1次澆筑承臺高3.0 m，第2次澆筑承臺高3.5 m(含加臺)。圍堰采用雙壁鋼套箱圍堰，雙壁鋼套箱圍堰平面尺寸為46.5 m×28.8 m，高度為22.9 m，分3節(jié)，底節(jié)側(cè)板高13.6 m，中節(jié)側(cè)板高5.3 m，頂節(jié)側(cè)板為單壁板，高度為4.0 m。圍堰共設(shè)置2道內(nèi)支撐，底層內(nèi)支撐采用φ820 mm×10 mm 鋼管，頂層內(nèi)支撐采用φ1200 mm×12 mm 鋼管。6#墩圍堰頂高程為+317.308 m，圍堰底高程為+294.408 m。承臺底高程為+298.438 m，封底混凝土厚3.5 m，采用C30混凝土水下封底。圍堰布置如圖2所示。

圖2 圍堰布置示意(單位：m)

1.2 圍堰構(gòu)造

鋼套箱圍堰主要包括以下部分：

1)圍堰雙壁側(cè)板。圍堰底節(jié)和中節(jié)采用雙壁側(cè)板，圍堰內(nèi)外壁板厚6 mm，內(nèi)外壁板上均設(shè)置豎向∠63×6角鋼加勁肋，肋的間距約350 mm。雙壁鋼套箱圍堰下沉過程中需要澆筑壁板混凝土，壁板混凝土可以增強(qiáng)壁板抵抗水頭差的能力；同時，增加圍堰自重，增強(qiáng)圍堰的下沉能力[2-3]。

2)水平環(huán)板。水平環(huán)板采用300 mm×12 mm+150 mm×10 mm和250 mm×12 mm+120 mm×10 mm鋼板焊接成L形鋼板，間距0.7～1.2 m。同一水平面內(nèi)水平環(huán)板用∠90×8，∠100×10和∠125×10角鋼連接，使內(nèi)外壁板組合成整體。

3)隔艙。內(nèi)外壁板間設(shè)豎向隔艙板，將整個圍堰分隔為30個密封艙。隔艙板采用厚14 mm鋼板，隔艙板通長布置，水平環(huán)板穿過開槽的隔艙板。隔艙板內(nèi)外壁板處焊接600 mm×12 mm通長補(bǔ)強(qiáng)板，與隔艙板形成工字形截面共同承受水平環(huán)板傳遞的力。

4)刃腳。雙壁鋼圍堰需要通過13.6 m厚的砂土，刃腳尖部受力情況較為復(fù)雜，刃尖夾角采用43°角，高度2.3 m。在刃尖1.5 m部分的鋼板厚20 mm，刃尖部分斜板上設(shè)置∠63×6的加勁肋，且用C20混凝土將刃腳填實(shí)。

5)圍堰單壁側(cè)板。頂節(jié)圍堰為單壁板，高4 m，壁板、豎肋與底節(jié)和中節(jié)相同，隔艙板切割成梯形，水平環(huán)板用HW250×250和∠160×10代替，圍堰單壁側(cè)板在高水位時安裝。

1.3 主要材料設(shè)計(jì)指標(biāo)

雙壁鋼圍堰內(nèi)外壁板、隔艙板、豎肋、內(nèi)支撐、水平角鋼等均為Q235鋼板，容許拉應(yīng)力[σ]=170 MPa，容許剪應(yīng)力[τ]=100 MPa。

采用C30封底混凝土，其容許應(yīng)力：無箍筋及斜筋時的主拉應(yīng)力[σ]=0.73 MPa，剪應(yīng)力[τ]=1.1 MPa。

2 圍堰結(jié)構(gòu)計(jì)算

圍堰結(jié)構(gòu)在施工中有多個施工狀態(tài)，為了解圍堰結(jié)構(gòu)的受力情況，驗(yàn)算圍堰結(jié)構(gòu)是否安全，需要對不同施工狀態(tài)下的圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力及位移計(jì)算。

雙壁鋼套箱圍堰施工的一般工序：鋼圍堰底節(jié)制作→底節(jié)在平臺上拼裝→底節(jié)下水、刃腳混凝土澆筑→中節(jié)圍堰拼裝、下沉→著床→清淤下沉、接高、壁板混凝土澆筑→下放至設(shè)計(jì)要求的高程位置→鋼圍堰內(nèi)清基→水下封底混凝土澆筑→鋼圍堰內(nèi)抽水→樁基樁頭處理→承臺施工[4-6]。

在圍堰下水過程中，澆筑底節(jié)壁板混凝土之前圍堰受力較大，所以底節(jié)圍堰入水自浮狀態(tài)時的受力情況要清楚。在圍堰施工過程中，圍堰內(nèi)抽水后、承臺施工前為最不利工況，必須對該工況進(jìn)行計(jì)算。由于封底混凝土是墩臺施工時阻水結(jié)構(gòu)一部分，其受力安全是施工順利進(jìn)行的保證，因此，需對封底混凝土變形、應(yīng)力及封底混凝土抗浮系數(shù)進(jìn)行檢算[7-8]。

2.1 計(jì)算荷載

1)自重

采用MIDAS/Civil中的自重自動加載。

2)靜水壓力

取設(shè)防水位，高程為+316.808 m，靜水壓力的計(jì)算公式為[9]

Fw=γgh

(1)

式中：γ為水的質(zhì)量密度，取1×103kg/m3；g為重力加速度值，取9.8 m/s2；h為計(jì)算點(diǎn)水深。

該圍堰水壓計(jì)算起點(diǎn)標(biāo)高為+316.808 m，終點(diǎn)標(biāo)高為+294.408 m。計(jì)算可知，在模型最底端的靜水壓力為219.5 kPa。

3)主動土壓力

根據(jù)工程地質(zhì)情況，河床標(biāo)高+308.000 m，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)資料，主墩所穿過的土層均為砂土。由于現(xiàn)場未能取得準(zhǔn)確的土層參數(shù)，故本計(jì)算根據(jù)《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊：橋涵地基和基礎(chǔ)》中提供的參考值進(jìn)行計(jì)算。砂土重度取19.5 kN/m3，浮重度取9.5 kN/m3,內(nèi)摩擦角取20°。

對于砂土，由于黏聚力很小，因此按無黏性土?xí)r的主動土壓力公式進(jìn)行計(jì)算[9]。

P=γ浮h土·tan2(45°-φ/2)

(2)

式中：γ浮為土體的浮重度，為飽和重度扣除浮力后的值；h土為砂土深度；φ為土體的內(nèi)摩擦角。

4)水流力

圍堰是按照設(shè)防水位+316.808 m設(shè)計(jì)的，在高水位時水流處于靜止?fàn)顟B(tài)，水流力可以忽略不計(jì)。

2.2 計(jì)算工況

工況1：圍堰入水自浮。圍堰入水后，接高完成，澆筑刃腳混凝土，圍堰質(zhì)量 1 162.4 t，刃腳混凝土質(zhì)量916.8 t，圍堰投影面積274.9 m2，吃水深度h′=(1 162.4+382.0×2.4)/274.9=7.6 m。

此時圍堰底距河床面1.208 m。圍堰受力狀態(tài)如圖3所示。

圖3 工況1圍堰受力狀態(tài)(單位：m)

工況2：封底混凝土施工完成，圍堰內(nèi)水抽干，此時雙壁板內(nèi)混凝土澆筑至承臺頂面，注水高度9 m，此狀態(tài)圍堰受力最為不利；同時，封底混凝土底部承受向上的靜水壓力及封底混凝土的結(jié)構(gòu)自重，需對封底混凝土的受力情況進(jìn)行計(jì)算。圍堰受力狀態(tài)如圖4所示。

圖4 工況2圍堰受力狀態(tài)(單位：m)

2.3 計(jì)算模型

采用MIDAS/Civil 2012建立工況1、工況2的模型。模型中圍堰的壁板、隔艙板采用板單元模擬，水平環(huán)板和豎向加勁肋均采用梁單元模擬，水平角鋼采用桁架單元模擬。由于封底混凝土為非線性材料，為了得到更真實(shí)的結(jié)果，采用大型通用有限元計(jì)算軟件ABAQUS建立工況2的封底混凝土模型，用實(shí)體單元模擬，封底混凝土與鋼護(hù)筒之間固結(jié)(同時約束位移和轉(zhuǎn)角)[10-11]。

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

2.4.1 工況1計(jì)算結(jié)果分析

圍堰內(nèi)、外壁板最大組合應(yīng)力10.1 MPa，豎肋最大組合應(yīng)力8.8 MPa，隔艙板最大組合應(yīng)力 12.5 MPa。壁板、豎肋、隔艙板最大組合應(yīng)力位置出現(xiàn)在刃腳混凝土頂面附近。水平環(huán)板最大組合應(yīng)力130.2 MPa，出現(xiàn)在刃腳混凝土頂面上一層水平環(huán)板位置，最大變形1.1 mm。2.4.2 工況2計(jì)算結(jié)果分析

1)雙壁鋼圍堰受力分析

圍堰內(nèi)、外壁板最大組合應(yīng)力142.3 MPa，豎肋最大組合應(yīng)力160.6 MPa，壁板、豎肋最大組合應(yīng)力位置出現(xiàn)在刃腳混凝土頂面附近。隔艙板最大組合應(yīng)力56.3 MPa，隔艙板最大組合應(yīng)力位置出現(xiàn)在頂層內(nèi)支撐處。水平環(huán)板最大組合應(yīng)力160.2 MPa，出現(xiàn)在頂層內(nèi)支撐水平環(huán)板位置。最大變形17.0 mm，出現(xiàn)在圍堰頂節(jié)單壁板位置。

2)封底混凝土受力分析

經(jīng)計(jì)算可知，封底混凝土最大豎向位移為0.02 mm，位于封底中心護(hù)筒中間位置。封底混凝土最大豎向位移處(中心處)的主拉應(yīng)力約為0.26 MPa，小于規(guī)范允許值0.73 MPa；封底混凝土的最大剪切應(yīng)力為0.16 MPa，小于規(guī)范允許值1.1 MPa，出現(xiàn)在與鋼護(hù)筒接觸部位的底部位置，僅限于局部很小范圍。說明封底混凝土的受力均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

3)封底混凝土抗浮計(jì)算

抗浮系數(shù)計(jì)算公式[12]

(3)

式中：G為圍堰總重量；G封底混凝土為封底混凝土重量；G水為圍堰壁板內(nèi)水重量；G刃腳混凝土為刃腳混凝土重量；G壁板混凝土為圍堰壁板內(nèi)混凝土重量；F護(hù)筒黏結(jié)力為封底混凝土與鋼護(hù)筒之間的黏結(jié)力，封底混凝土與鋼護(hù)筒之間的握裹力取0.12 MPa ；F刃腳為圍堰刃腳排水重量；F壁板為圍堰壁板排水重量；F封底混凝土為封底混凝土浮力。

由式(3)計(jì)算得k=1.05>1.0?？芍獾谆炷潦前踩?。

2.4.3 內(nèi)支撐計(jì)算

在工況2狀態(tài)下，內(nèi)支撐受力最大，底層內(nèi)支撐最大組合應(yīng)力86.6 MPa，頂層內(nèi)支撐最大組合應(yīng)力65.4 MPa，均滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)論

通過對三門峽黃河公鐵兩用特大橋6#墩雙壁鋼圍堰的分析可知：

1)雙壁鋼圍堰在鋼管內(nèi)支撐處的桿件，出現(xiàn)了一定程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在相應(yīng)處的隔艙板和水平環(huán)板構(gòu)造設(shè)計(jì)上，均作了加強(qiáng)處理，以確保整個結(jié)構(gòu)的受力安全。

2)一般情況下，將鋼圍堰內(nèi)的水抽至封底混凝土頂面時為最不利工況，此時結(jié)構(gòu)受力相對較大。封底混凝土應(yīng)滿足抗彎、抗剪強(qiáng)度要求和抗浮穩(wěn)定性要求。

3)雙壁鋼圍堰底節(jié)進(jìn)行壁板混凝土填充，一方面增加了圍堰的自重，提高了抗浮能力；另一方面底節(jié)下部原是靜水壓力最大的一節(jié)，但由于雙壁間填充了混凝土，截面面積和抗壓能力提高，應(yīng)力有顯著降低，最大應(yīng)力轉(zhuǎn)移至底節(jié)的上部。因此，對深水鋼圍堰，可通過加長底節(jié)填充混凝土的長度來改善受力。

4)雙壁鋼圍堰頂節(jié)采用單壁板的形式，可以根據(jù)黃河水位情況決定是否進(jìn)行拼裝，一方面節(jié)約了圍堰的用鋼量，另一方面單壁板重量較小，在施工時可以加快進(jìn)度。

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