雙壁鋼圍堰施工風險及抗浮穩(wěn)定性分析

羅亮

隨著我國橋梁工程的建設(shè)，雙壁鋼圍堰得到了廣泛的應(yīng)用，因為在進行深水橋梁基礎(chǔ)施工時，該結(jié)構(gòu)具有很大的優(yōu)勢，但由于雙壁鋼圍堰缺少技術(shù)規(guī)范以及施工經(jīng)驗，導致該結(jié)構(gòu)在施工過程中出現(xiàn)了許多安全事故，造成了經(jīng)濟損失。因此文章針對該現(xiàn)象進行了研究，主要內(nèi)容有：施工風險分析、施工風險控制、雙壁鋼抗浮穩(wěn)定性分析。通過以上內(nèi)容的分析對雙壁鋼圍堰施工提出了風險控制措施，并對穩(wěn)定性進行分析。因此文章為該類問題提供了理論依據(jù)和風險控制辦法。

圍堰種類大致可以分為兩類：一類是利用鋼板進行焊接的雙壁鋼圍堰；另一類是鎖口鋼管樁圍堰。目前我國對圍堰的研究取得了一些成果。胡啟生等人通過對橋梁基礎(chǔ)施工時，雙壁鋼圍堰的作用機理研究，分析了雙壁鋼圍堰的穩(wěn)定性，為該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用起到了推廣作用，同時也對該技術(shù)的發(fā)展方向和應(yīng)用前景進行了相應(yīng)的分析。李云飛通過分析表明了雙壁鋼圍堰施工全過程的關(guān)鍵技術(shù)，為該技術(shù)提供了完整的技術(shù)資料。叢義營，孫曉容通過對雙壁鋼圍堰的研究，介紹了雙壁鋼圍堰施工的精確控制技術(shù)，為該技術(shù)的應(yīng)用節(jié)約了較大的成本。王沖等人通過對雙壁鋼圍堰研究，分析了雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力，并進行了有限元分析。通過以上研究使雙壁鋼圍堰技術(shù)得到了推廣。

一、施工風險分析

1.工程概況

文章所依托工程為某主橋結(jié)構(gòu)，該橋梁采用雙塔斜拉橋，結(jié)構(gòu)為半漂浮體系。橋跨結(jié)構(gòu)布置：4×57.5+730+4×57.5=1190m，橋梁共 9 跨。該橋主墩施工應(yīng)用圓形雙壁鋼圍堰。總體布置如圖1所示。

圖1 總體布置圖

2.模糊故障樹法

文章在通過對雙壁鋼圍堰風險分析時，雙壁鋼圍堰在施工時，有較大風險的施工工序是通過施工流程和危險發(fā)生的程度確定的，存在風險的施工工序有：雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)的制造、圍堰的運輸和下放施工、澆筑封底的混凝土。雙壁鋼施工風險分析通過模糊故障樹法進行，該方法中的頂事件為雙壁鋼圍堰施工事故。中間事件為雙壁鋼圍堰施工工序。故障樹的底事件是將中間事件分解，確定施工工序下存在的風險。通過對以上內(nèi)容的分類和相關(guān)內(nèi)容分析繪制出結(jié)構(gòu)的施工風險模糊故障樹。風險模糊故障樹如圖2所示。

圖2 模糊故障樹圖

二、施工風險控制

1.制作工程控制

雙壁鋼圍堰進行焊接時，造成質(zhì)量不符合要求的因素有：環(huán)境原因、技術(shù)人員原因、制造胎架剛度原因、尺寸偏差原因等。針對該現(xiàn)象采取的措施有：

（1）圍堰焊接技術(shù)人員應(yīng)技術(shù)嫻熟，具有作業(yè)資質(zhì)。

（2）進行焊接時，對環(huán)境的要求是：溫度大于等于5℃，濕度小于等于80%，雨天不能進行露天焊接，當環(huán)境達不到規(guī)定要求時，需采取保護措施。

（3）圍堰制作前，應(yīng)進行焊接試驗，保證焊接的工藝。雙壁鋼圍堰壁的平面尺寸很大，因此在進行焊接時應(yīng)對焊縫引起的收縮值進行測試，保證其符合規(guī)定要求。

（4）焊縫施工完成后應(yīng)對該工藝進行質(zhì)量驗收，檢查外觀是否有裂紋、焊瘤以及漏焊的情況。同時應(yīng)對焊縫進行超聲波探傷。

2.下沉過程控制

雙壁鋼圍堰在下沉過程中會出現(xiàn)的主要問題有：定位控制不到位，圍堰著床位置不符合設(shè)計要求，最終導致傾覆。因此雙壁鋼圍堰下沉和著床時應(yīng)進行以下控制，來保證雙壁鋼圍堰著床的精度。

（1）圍堰在進行下放前，應(yīng)與氣象部門進行必要溝通，避免施工條件過于惡劣，施工環(huán)境較差。

（2）雙壁鋼圍堰下沉前應(yīng)對河床的標高進行測量，掌握河床的高差情況，防止結(jié)構(gòu)著床后出現(xiàn)傾斜和偏位。同時應(yīng)對河床進行清淤，對圍堰四周高差較大的地方進行整平。

（3）圍堰將進入覆蓋層時，刃角處應(yīng)進行混凝土的灌注，可以增加結(jié)構(gòu)的剛度和強度。當圍堰下沉困難時，可利用反壓、射水等進行輔助。當圍堰著床后，對結(jié)構(gòu)的高程及垂直度進行復測，規(guī)定要求：垂直度的偏差小于等于 H/300；圍堰頂面標高的偏差值為正負30mm。

三、抗浮穩(wěn)定性分析

1.有限元分析

文章通過有限元方法對雙壁鋼進行分析，根據(jù)該情況進行工況設(shè)置：

工況一：鋼圍堰的內(nèi)外水頭差為20m，所受浮力值大小為295208KN，圍堰的自重來平衡浮力。

工況二：鋼圍堰內(nèi)外產(chǎn)生的水頭差值為27.68m，所受浮力值大小為408585.47KN。圍堰的自重來平衡浮力，達到平衡狀態(tài)時，封底混凝土開始抵抗浮力。

工況三：鋼圍堰內(nèi)外產(chǎn)生的水頭差值為40m，所受浮力值大小為590416KN。該工況下，圍堰自重與封底混凝土及鋼護筒的粘結(jié)力共同抵抗浮力。

工況四：鋼圍堰內(nèi)外產(chǎn)生的水頭差值為51.46m，所受浮力值大小為759573.20kN。在此工況下，圍堰處于極限平衡狀態(tài)。

針對以上四種工況建立有限元模型，具體如圖3所示。封底混凝土以及夾艙混凝土型號為C30，樁基混凝土型號為C35，鋼護筒鋼材采用Q235。

圖3 雙壁鋼圍堰抗浮分析圖

2.安全系數(shù)取值

不同規(guī)范中安全系數(shù)的取值不相同，因此對取值進行了分析如表1所示。

表1 安全系數(shù)對比表

（1）安全性分析

在最不利工況下，對雙壁鋼圍堰封底混凝土的主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力進行計算可知：封底混凝土的主拉應(yīng)力小于C30混凝土抗拉強度設(shè)計值，即各值均小于1.39MPa；封底混凝土的主壓應(yīng)力最大值比抗壓強度設(shè)計值小，即5.6MPa<13.8MPa。當雙壁鋼圍堰抗浮穩(wěn)定性安全系數(shù)取為1.15 時，混凝土厚度為7.75m。最不利工況下，樁基最大反力為12227.6KN,樁基與混凝土的允許粘結(jié)力為13651.94KN，此時安全系數(shù)1.11<1.15，說明雙壁鋼圍堰的安全性滿足要求。

（2）經(jīng)濟性分析

雙壁鋼圍堰安全系數(shù)為1.0時，混凝土厚度為6.23m，封底混凝土為7422.7m3；

雙壁鋼圍堰安全系數(shù)為1.15時，混凝土厚度為7.75m，封底混凝土為9233.73m3?；炷翝仓吭黾恿?4.4%。不會造成材料的浪費。

四、結(jié)語

本文通過對雙壁鋼圍堰進行分析得出以下結(jié)論：

（1）雙壁鋼圍堰的施工風險分析可以采用模糊故障樹法。風險控制可分為雙壁鋼圍堰制作時的控制和下沉時的控制。

（2）文章通過實際工程設(shè)置不同工況對抗浮穩(wěn)定性進行分析，在最不利工況下進行安全性和經(jīng)濟性分析，當安全系數(shù)為1.15時，即滿足安全性要求也滿足經(jīng)濟性要求。