特大橋水中基礎(chǔ)雙壁鋼圍堰施工技術(shù)研究

王振杰

(中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300000)

當(dāng)前我國城市水上交通路線主要由立交橋、江河湖泊上的橋梁及跨海峽海灣的跨境大橋組成。隨著水上交通施工技術(shù)的發(fā)展，深水基礎(chǔ)上的圍堰施工技術(shù)也在不斷提高，而特大橋的水中基礎(chǔ)雙壁鋼圍堰施工一直是深水施工技術(shù)的重點研究項目[1]。在現(xiàn)有圍堰施工技術(shù)中，梁之海[2]采用雙壁鋼圍堰施工法并結(jié)合實例對不同水深的河床裸巖狀態(tài)進(jìn)行了研究與分析，測試了特定條件下的懸空嵌巖狀態(tài)，并基于深水施工基礎(chǔ)優(yōu)化了雙壁鋼圍堰施工技術(shù)，提出了防傾覆的施工技術(shù)重點。劉曉敏等[3]采用MIDAS 數(shù)值仿真軟件，以某特大橋為基礎(chǔ)研究對象，計算了單構(gòu)件的仿真結(jié)構(gòu)，并設(shè)計不同水位深度下的雙壁鋼吊箱圍堰施工重點，同時在鋼材結(jié)構(gòu)施工基礎(chǔ)上設(shè)計了整套施工技術(shù)，極大提高了特大橋在不同水深環(huán)境下的穩(wěn)定性，減少了變形撓度?？何牟╗4]將BIM 技術(shù)應(yīng)用于大橋的雙壁鋼圍堰設(shè)計中，以衡陽東洲湘江大橋為例，在滿足深水施工的基礎(chǔ)上結(jié)合當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)情況，分析了該圍堰結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化特點，并選擇了合適的封底厚度與施工工序，在受力分析的基礎(chǔ)上經(jīng)過深化設(shè)計，模擬最優(yōu)的經(jīng)濟方案，縮短了工期，降低了施工成本。結(jié)合以上施工技術(shù)，以降低橋梁形變?yōu)榛A(chǔ)施工目的，設(shè)計本特大橋水中基礎(chǔ)雙壁鋼圍堰施工方案。

1 建立雙壁鋼圍堰力學(xué)模型

采用有限元分析軟件，分別以鋼材的材料特性、雙壁鋼圍堰荷載的靜力學(xué)特征為研究重點，建立雙壁鋼圍堰力學(xué)模型。

1.1 特大橋材料特性

特大橋的水中雙壁鋼圍堰主要分為內(nèi)外壁板、水平環(huán)板、水平桁架、隔艙板、內(nèi)支撐、封底六種實體單元。其中內(nèi)外壁板的鋼材厚約5-6 mm，在建模過程中使用梁單元結(jié)構(gòu)模擬豎肋薄板。水平環(huán)板與桁架的連接部位通常使用焊接方式，并在內(nèi)外壁板間以縱向分布作為支撐體，其厚約8.5-9 mm。隔艙板的鋼材料厚約8-9 mm，使用板單元模擬作為建模方式。內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)一般采用850×15 mm 的鋼管作為主材料，使用梁單元模擬方式建立力學(xué)模型。封底則主要使用混凝土作為填充材料，強度等級通常為C30，使用實體單元模擬方式建立力學(xué)模型。以上六種結(jié)構(gòu)中，統(tǒng)一使用Q235B 鋼材，其容許應(yīng)力的最小值1σ=175 MPa、最大值2σ=235 MPa，容許剪應(yīng)力 3σ為120 MPa，鋼彈性模量mμ=2.35×105MPa。封底使用的混凝土容重為23.6 kN/m3。豎肋薄板可分為豎桿與橫桿兩種材料，其承載力見表1。由表可知，無論是橫桿還是豎桿的豎肋，其斷面模式均為I8，且其材料均為16 Mn。

表1 豎肋承載特性

1.2 計算雙壁鋼圍堰荷載應(yīng)力

在計算雙壁鋼圍堰荷載壓力時需先計算其內(nèi)外水位的靜水壓力。將內(nèi)外水位控制在10 m 以下，則圍堰水頭的外部與艙內(nèi)水頭計算公式分別為：

式中，yF表示混凝土在單一模板下的最大側(cè)壓力(MPa) ；ip表示混凝土的密度系數(shù)；t0表示澆筑混凝土速度（m3/h）；1β和2β分別表示兩種添加劑的外加系數(shù)；vw表示當(dāng)前的水流速度（m3/s）。結(jié)合以上三種雙壁鋼圍堰應(yīng)力計算公式，可得到該特大橋的力學(xué)模型。

2 特大橋水中基礎(chǔ)雙壁鋼圍堰施工技術(shù)設(shè)計

基于荷載應(yīng)力以及材料特性設(shè)計特大橋在水中的基礎(chǔ)雙壁鋼圍堰施工技術(shù)，可得到雙壁鋼圍堰的拼接流程（見圖2）。

圖2 雙壁鋼圍堰拼接流程

拼裝時需保證雙壁鋼的拼接順序。首先拼裝1-2 層圍堰，然后拼裝3-4 層，最后拼裝5 層。通過豎向拼裝模式，將履帶吊在長邊的圍堰中，并接高不同的焊接點。支架需保證定位子碼的安裝支撐點，其導(dǎo)向裝置主要由對接鋼圍結(jié)構(gòu)與垂直圍堰組成，使用履帶將加工完成的鋼材結(jié)構(gòu)均運到構(gòu)件的安裝位置后，就可直接接入下口焊接點，并相互連接壁板、底板以及木板（拼裝布置見圖3）。

圖3 拼裝布置示意

圖中所有的焊接支架與底板、木板、壁板之間均使用角鋼作為焊接的連接點。在圍堰內(nèi)外壁上添加三角支撐平臺，并結(jié)合水平縫隙連接裝置，進(jìn)行雙壁鋼的圍堰施工接縫工程。下方焊接支架時，需將支架作為護筒頂面的受力結(jié)構(gòu)，將鋼板架作為護桶的頂面構(gòu)型，以此完成特大橋水中基礎(chǔ)雙壁鋼圍堰施工。

3 工程實例

3.1 工程概況

本實驗為驗證上述特大橋水中基礎(chǔ)雙壁鋼圍堰施工方法的優(yōu)越性，對不同水深的施工環(huán)境進(jìn)行測試。選擇縣道九臺至大坡公路中的一部分作為本項目的核心區(qū)域，起點位于K66+392，終點位于K68+492，全長2 100 m。在其中建一特大橋，長度1 046 m，橋兩側(cè)引道長約1 054 m，平面交叉處為3，該橋即半拉山松花江大橋。大橋位于吉林省北部松花江中游，在榆樹市大坡鎮(zhèn)和德惠市朝陽鄉(xiāng)之間跨越第二松花江。該特大橋作為公路橋梁連接兩岸，是居民及車輛橫跨兩岸的唯一通路。在重新施工前該橋已為危橋，為保障居民生命安全已全面禁行，為解決河流兩岸居民的出行問題，將該橋拆除并重建。

3.2 實驗儀器及參數(shù)

采用弦式鋼板計為應(yīng)力監(jiān)測儀器（見圖4）。

圖4 弦式鋼板計示意及參數(shù)

將弦式鋼板計焊接在特大橋水中基礎(chǔ)雙壁鋼圍堰表面，當(dāng)橋的鋼結(jié)構(gòu)因外力作用發(fā)生形變時，弦式鋼板計也會發(fā)生相應(yīng)形變，通過焊接部位的應(yīng)變壓強，將弦式鋼板計內(nèi)的振弦轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺⒅苯愚D(zhuǎn)變鋼板計內(nèi)部的振動頻率，此時的振動頻率會直接通過數(shù)字呈現(xiàn)。由此可讀取橋體的應(yīng)力變化值，但周邊環(huán)境溫度會導(dǎo)致應(yīng)力變化值出現(xiàn)一定的誤差，因此需計算該溫度下的修正結(jié)果，并結(jié)合鋼材料的彈性變化參數(shù)，得到最終應(yīng)力值[5]。采集數(shù)據(jù)時將智能讀數(shù)儀連接在鋼板計左側(cè)（見圖4），以讀取該位置的溫度與應(yīng)變系數(shù)。

為降低溫度對應(yīng)力值的影響，需進(jìn)行溫度修正。將弦式鋼板計置于恒溫環(huán)境中，不斷調(diào)整溫度，并記錄不同溫度下應(yīng)變值。重復(fù)上述內(nèi)容，在一定的溫度范圍內(nèi)可得到實測應(yīng)變增量與溫度增量的線性關(guān)系，通過該線性關(guān)系可實現(xiàn)溫度修正。

3.3 應(yīng)力測點布置

將弦式鋼板計焊接在橋梁之上，可以直接監(jiān)測橋梁該節(jié)點的應(yīng)變指數(shù)。在監(jiān)測特大橋的施工技術(shù)時，可布置如圖5 所示的測點。

圖5 特大橋測點布置

可分別對橋的內(nèi)外壁及豎肋應(yīng)力及內(nèi)支撐應(yīng)力進(jìn)行檢測。其中外壁板應(yīng)力監(jiān)測點為X-1、X-2、X-3、X-4，內(nèi)壁板應(yīng)力監(jiān)測點為X-5、X-6、X-7、X-8，豎肋應(yīng)力監(jiān)測點為Y-1、Y-2、Y-3，內(nèi)支撐應(yīng)力監(jiān)測點為Z-1、Z-2、Z-3、Z-4。內(nèi)外壁板中X-1 與X-5 距橋梁最左側(cè)距離為17.25 m，內(nèi)外壁板在左側(cè)橋梁兩個應(yīng)力監(jiān)測點的間距為15.37 m，X-2 與X-6 距橋梁中部的距離為18.35 m。豎肋應(yīng)力的監(jiān)測點分別位于三道豎直支撐體中點部位，而內(nèi)支撐應(yīng)力監(jiān)測點則置于內(nèi)支撐鋼板中部。

3.4 應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果分析

3.4.1 外壁板應(yīng)力監(jiān)測

通過智能讀數(shù)儀得到四個外壁板應(yīng)力與溫度，整理外壁板隨著內(nèi)外水位差的變化情況，外壁板測點應(yīng)力的變化值如圖6 所示。

圖6 外壁板測點應(yīng)力變化值

當(dāng)內(nèi)外壁水位差在4-6 m 時，橋外壁板的應(yīng)力處于最大值。在內(nèi)外壁水位差為5 m 時，X-4 測點應(yīng)力可達(dá)116.4 MPa，X-3 測點的應(yīng)力為109.2 MPa，X-2 和X-1 測 點 應(yīng) 力 分 別 為82.3 MPa 和70.6 MPa。從圖中曲線可知，橋梁兩側(cè)所承受的應(yīng)力最大，其形變更嚴(yán)重，X-4 測點的應(yīng)力變化值在不同的水位差下均為應(yīng)力變化的最大值。

3.4.2 內(nèi)壁板應(yīng)力監(jiān)測

在智能讀數(shù)儀中讀取X-5 至X-8 四個測點的應(yīng)力值，結(jié)合不同的內(nèi)外壁水位差，可得如圖7所示的監(jiān)測結(jié)果。

圖7 內(nèi)壁板測點應(yīng)力變化值

由圖可知，隨著內(nèi)外壁水位差的變化，四個測點的應(yīng)力變化值差距較大，其中X-5 測點的應(yīng)力從-51.3 MPa 變?yōu)?2.3 MPa，X-6 測點從-65.25 MPa 變 為66.27 MPa，X-7 測 點 從-46.5 MPa 變?yōu)?4.7 MPa，X-8 測 點 則 從-57.9 MPa 變 為58.7 MPa。通過以上數(shù)據(jù)可知，在內(nèi)壁板的應(yīng)力變化值中，X-6 測點承受的應(yīng)力最大，形變最明顯；X-7測點承受的應(yīng)力最小，形變量最小。

3.4.3 豎肋應(yīng)力監(jiān)測

豎肋的三個測點主要是對三條豎直支撐柱的應(yīng)力監(jiān)測，通過智能讀數(shù)儀的應(yīng)力與溫度值可得如圖8 所示的變化量。

圖8 豎肋測點應(yīng)力變化值

由圖可知，隨著內(nèi)外壁水位差逐漸增大，三個豎肋測點的應(yīng)力呈現(xiàn)明顯增加趨勢。其中Y-3測點所承受的應(yīng)力明顯小于Y-1 和Y-2 測點，該測點在內(nèi)外壁水位差為10 m 時應(yīng)力值為90.8 MPa；Y-1 與Y-2 測點在內(nèi)外壁水位差為10 m 時應(yīng)力值分別為112.3 MPa 和128.7 MPa?？梢姌蛑兄沃惺艿膽?yīng)力明顯小于兩側(cè)支撐柱。

3.4.4 內(nèi)支撐應(yīng)力監(jiān)測

在智能讀數(shù)儀中讀取Z-1 至Z-4 四個測點的應(yīng)力值，結(jié)合不同的內(nèi)外壁水位差，可得如圖9所示的監(jiān)測結(jié)果。

圖9 內(nèi)支撐測點應(yīng)力變化值

圖中，隨著內(nèi)外壁水位差的持續(xù)增加，應(yīng)力變化值先急速增加，到水位差為7-m 時增速變緩，直至不再變化。Z-1 至Z-4 四個測點在水位差為10 m 時的應(yīng)力變化值分別為88.6 MPa、117.4 MPa、129.8 MPa、138.6 MPa，其中位于下方的Z-3和Z-4 測點應(yīng)力變化較大。

3.5 橋梁變形結(jié)果監(jiān)測

在測量各測點應(yīng)力變化的同時，還需通過光學(xué)儀器測量雙壁鋼圍堰的形變結(jié)果，通過X-1、X-2、X-3、X-4 四個測點上壁板的撓度，得到不同水位差下四個測點的形變值（見表2）。

由表2、圖10 可知，隨著水位差不斷增加，四個測點的形變撓度也在不斷增長，整體呈上升趨勢。其中在0-6 m 前增長速度較為平緩，在6-9 m 處增長迅速，并在9-10 m 時幾乎暫緩增長，在10 m 后即使內(nèi)外壁水位差繼續(xù)增長，橋梁形變撓度也不會發(fā)生更大變化。在內(nèi)外壁水位差為10 m時，橋梁的最大撓度為5.27 mm，滿足設(shè)計規(guī)范要求，由此可見本文設(shè)計的特大橋水中基礎(chǔ)雙壁鋼圍堰施工技術(shù)能夠應(yīng)用于實際施工中。

圖1 雙壁鋼圍堰立面

圖10 橋梁形變趨勢擬合分析

表2 橋梁形變情況（mm）

4 結(jié)語

在特大橋水中基礎(chǔ)雙壁鋼圍堰施工中，為減小圍堰支護結(jié)構(gòu)承載力及應(yīng)力并保障橋梁安全，提出新的特大橋水中基礎(chǔ)雙壁鋼圍堰施工技術(shù)。其創(chuàng)新之處在于設(shè)計了雙壁鋼圍堰力學(xué)模型，計算了荷載應(yīng)力，并在工程實例中得到驗證。針對應(yīng)力監(jiān)測，設(shè)計了內(nèi)外壁應(yīng)力、豎肋應(yīng)力和內(nèi)支撐應(yīng)力等監(jiān)測項目，結(jié)果顯示各位置應(yīng)力變化值均在規(guī)范要求范圍內(nèi)。針對結(jié)構(gòu)形變量，對各位置撓度變化進(jìn)行了監(jiān)測，最大值為5.27 mm，滿足規(guī)范要求，設(shè)計結(jié)構(gòu)總體安全可靠。實驗涉及各結(jié)構(gòu)代表性位置應(yīng)力和形變監(jiān)測，但后續(xù)研究還需進(jìn)一步優(yōu)化該項技術(shù)。