榕江特大桥主墩双壁钢围堰设计和计算

孔迎军,石 柱,刘驰宇

(湖南路桥建设集团公司,湖南长沙 410004)

1 工程概况

厦深铁路榕江特大桥在广东省揭东县地都镇跨越榕江,跨江主桥为4跨连续钢桁梁柔性拱桥,跨径组成为110 m+220 m+220 m+110 m,其中71～73号3个主墩位于榕江深水区,设计为低桩承台群桩基础。

主墩承台设计尺寸为26.8m×17.2m×6m,承台采用C40防腐混凝土,承台顶标高为-7.907,河床顶面标高为-7.33,承台完全埋在河床内。承台结构见图1。

桥位区域榕江江面宽850m,受下游入海口海水的潮汐影响,为感潮水域段,属不规则半日潮,每日两潮,日最大潮差2.65 m。主墩位置最大水深10 m,最大落潮流速1.36m/s。围堰封底后的最大抽水水头高达17.0 m。

主墩位置河床覆盖层厚度39m,主要为流塑状淤泥质土层和中粗砂层。见表1。

图1 承台结构图(单位:cm)

表1 主墩位置地质情况表

2 钢围堰的设计

2.1 钢围堰尺寸的确定

1)平面尺寸:双壁钢围堰根据承台结构形式设计为矩形,其内平面尺寸比承台设计尺寸大20 cm,该富余量也是围堰下沉过程中偏位、倾斜的控制值,则本围堰内腔尺寸为27m×17.4m。

2)舱壁厚度:双壁钢围堰舱壁厚度根据围堰受力需要确定,由于围堰内11根桩基成梅花形布置,围堰内撑位置的选择受限,在内撑位置一定的情况下,主要根据围堰壁体的强度和刚度确定舱壁厚度,经试算,本围堰舱壁厚度设计为1.5m。

3)高度尺寸:钢围堰的高度主要根据最高水位、河床冲刷线、封底混凝土位置及厚度三个因素确定,本围堰在最高水位时上口干舷高度1.0m,围堰刃脚低于河床冲刷线不小于1.0 m,封底混凝土厚度3m,本围堰的最终总高度设计为21m。

2.2 钢围堰的结构

钢围堰由壁体、刃脚、内撑等三大部分组成。见图2。

图2 双壁钢围堰结构总图(单位:cm)

壁体主要由隔舱板、箱形梁、水平环板、水平斜杆及内外壁板构成。在内撑位置设置竖向箱形梁作为一级支撑结构,水平设置环板和水平斜杆的组合桁架作为二级支撑结构,竖向设置角钢次梁为三级支撑结构,内外壁之间通过水平斜杆和水平环板连接而形成整体。围堰壁体根据吊装和运输条件分节、分块加工,在墩位组拼、焊接。

刃脚高度2.0m,作为围堰底节的组成部分一道加工,刃脚混凝土浇筑高度2.0 m,刃脚的设置主要是减少围堰在覆盖层中的下沉阻力,刃脚高度一般应小于封底混凝土厚度。

内撑作为围堰最重要的组成构件之一,其布置位置和结构选型主要影响到围堰整体结构的受力、围堰结构的经济合理性、承台分层施工高度以及围堰下沉、封底和承台作业的可操作性,作为受压构件,其稳定性是设计的主要指标,在满足强度的情况下,应尽量选择刚度较大的结构形式。本围堰由于受梅花形布置的桩基净间距限制,内撑选择了外形尺寸较小的组合工字钢结构,每层6根内撑构成两个三角形平面框架结构,与钢围堰箱形梁一起形成稳定结构体系,另外设置竖向和水平连杆,减小受压杆件的自由长度,竖向设置4层内撑。

钢围堰壁体上设置有补水管,补水管一般设置在顺水流方向的两个侧面,其直径应满足围堰内吹沙下沉时的补水需求,补水管竖向位置设置的确定主要考虑在围堰内需要进行吹沙下沉时补水管位于水面下,在围堰到达设计位置时,补水管位于河床以上。本围堰设置了4个直径300mm的补水管,并带有内外封闭盖板。

2.3 封底混凝土的设计

封底混凝土的主要作用是封水和抗浮,即封底混凝土与钢围堰和桩基结合成整体,使围堰内形成一个无水的干施工环境,同时在围堰内抽完水后,作用在封底混凝土底面的上浮力需要依靠围堰和封底混凝土自重以及封底混凝土与桩基间的摩阻力抵抗。

封底混凝土设计厚度的确定要满足两个条件:①在水压力作用下,封底混凝土的拉应力应满足规范要求;②封底混凝土与桩基间的摩阻力要满足抗浮需求。

封底混凝土要达到封水和抗浮的目的,施工质量非常关键,在浇筑封底混凝土前,必须将封底混凝土高度范围内的桩基钢护筒和围堰内壁清理干净,确保混凝土能与其结合紧密,同时要合理布置浇筑点,确保各个位置的混凝土厚度基本一致。

本围堰封底混凝土最终确定的设计厚度为3.0m,混凝土标号为C30。

3 钢围堰的结构计算

3.1 计算工况

工况一:钢围堰抽水后的抗浮以及封底混凝土强度计算。

工况二:钢围堰下沉到设计位置,浇筑完成封底混凝土,混凝土达到80%设计强度后,围堰内抽水,此时围堰承受最大侧压力。

工况三:浇筑完成第一次3m厚承台混凝土,混凝土达到80%设计强度后,拆除1号内撑,准备浇筑第二次承台混凝土。

工况四:浇筑完成第二次3m厚承台混凝土,混凝土达到80%设计强度后,拆除2号内撑,准备墩身施工。

3.2 计算荷载

3.2.1 钢围堰侧壁的水、土压力计算

计算水深10m,计算淤泥层厚度7m;

水容重γw=10 kN/m3;

水深h1=10 m。

水压力:P1=γw×h1=10 kN/m3×10m=100 kN/m2

主动土压力系数:Ka=tan2(45°-φ/2)=0.668

淤泥质土饱和容重γt=15 kN/m3;

围堰封底混凝土以上淤泥深度h2=7m。

主动土压力:e1=MQ=Ka×γt×h2=0.668×15 kN/m3×7 m=70.14 kN/m2

即封底混凝土以上作用在围堰侧壁上的最大侧压力:P侧=170.14 kN/m2。

3.2.2 水流冲击力计算

钢围堰迎水面宽度b=20m;

水中部分钢围堰高度h=10m;

水容重γw=10 kN/m3;

水流速度V=1.36 m/s;

重力加速度g=10m/s2;

矩形阻水结构物形状系数K=1.0。

水流冲击力:Fw=K×A×(γw×V2/2g)=184.96 kN

水流冲击力换算成作用在围堰侧壁上的均布压力:P冲=Fw/(b×h1)=0.9 kN/m2。

3.3 计算方式

钢围堰在侧面水压力作用下的结构计算,采用有限元软件建立1/2钢围堰模型进行分析,钢围堰和封底混凝土、刃脚混凝土、夹壁混凝土以及承台混凝土一同建模计算,模型主要由板单元、梁单元和混凝土实体单元组成,偏安全考虑,工况二的计算未考虑夹壁混凝土,工况三和工况四的计算分别按承台浇筑高度设置夹壁混凝土。

3.4 计算结果

3.4.1 钢围堰抗浮计算

钢围堰下沉到设计位置后,浇筑3m水下封底混凝土,封底混凝土达到80%设计强度后,围堰内抽水完成,钢围堰将承受很大的上浮力,上浮力主要靠钢围堰、封底混凝土自重以及封底混凝土与桩基的摩阻力共同克服,验算结果如下:

钢围堰内抽完水后的总上浮力:

F浮=V1×γw=106 229 kN;

钢围堰总重量:G1=47 680 kN;

封底混凝土自重:G2=V2×γc=28 004 kN。扣除钢围堰和封底混凝土自重后的上浮力:

F上=F浮-G1-G2=30 545 kN

F上依靠封底混凝土与桩基的摩阻力抵消,则封底混凝土与桩基间的摩阻力:

P=F上/A=97 kPa＜[P]=150 kPa

故钢围堰内抽水后,抗浮满足要求。

3.4.2 封底混凝土计算

封底混凝土底面承受方向向上的水压力,同时承受封底混凝土自重荷载。对作用封底混凝土上的荷载计算如下:

作用在封底混凝土底面的水压力:P1=200 kPa;

作用在封底混凝土顶面的第一次承台混凝土荷载:P2=78 kPa;

封底混凝土自重:P3=72 kPa。

建立1/2封底混凝土实体模型,与各桩基连接位置的封底混凝土设置固结约束,计算时不考虑钢围堰对封底混凝土侧面的约束作用(偏安全)。

施加在封底底面的实际均布荷载为:

P1-P3=128 kPa。

计算结果如下:

最大拉应力σ拉=1.137MPa＜0.8×[σ拉]=1.144MPa

最大压应力σ压=0.94 MPa＜0.8×[σ压]=11.44MPa

封底混凝土最大变形f=0.1 mm。

在水压力以及承台混凝土荷载作用下,封底混凝土强度满足设计要求,计算模型如图3。

图3 计算模型

3.4.3 钢围堰结构强度计算

在工况二、三、四中,钢围堰承受的最大侧压力为170.14 kN/m2,通过建立整体有限元模型对各工况下钢围堰进行的强度计算表明,工况二是钢围堰在侧压力作用下的最不利工况。各工况计算模型如图4,图5为钢围堰计算荷载布置图。

图4 钢围堰整体计算模型

图5 钢围堰计算荷载布置图

各工况计算结果如表2。

表2 钢围堰强度计算结果表

钢围堰各构件最大应力均小于设计强度,满足规范要求。

4 结束语

榕江特大桥主墩双壁钢围堰的施工已经顺利完成,该双壁钢围堰实施过程中经受了洪水期17m的高水压的考验,实践证明该钢围堰的设计是成功的,取得了一定的经济和社会效益,希望对其他类似围堰工程提供一定的参考意义。

[1]TB 10203-2002,铁路桥涵施工规范[S].

[2]JTJ 041-2000,公路桥涵施工技术规范[S].

[3]GB 50017-2003,钢结构设计规范[S].