双壁钢套箱围堰浮运稳定性分析

程　斌　林贤光

(1.武汉城市职业学院　湖北　武汉：430064；2.湖北省路桥集团有限公司　湖北　武汉：430056)

双壁钢围堰施工技术是桥梁深水施工中的一种新技术。它是一个带有单斜面韧脚的圆形(矩形、圆端形或异形)双壁全焊水密钢结构筒体，有自浮能力，筒体内外壁由钢板围焊而成，筒体上下均不设盖板或底板，下口以环形单斜面韧脚封闭，上口敞开，以方便施工时，往里灌注混凝土或注水。围堰内外壁之间以刚性支撑联接，并设竖向隔舱板，把围堰壳体分成若干个互不相通的隔舱，以保证钢围堰在水中悬浮阶段于壳内注水下沉时围堰的稳定及着床时能分舱注水或灌注混凝土，以适应河床面的高差和调整围堰的倾斜度。双壁钢围堰韧脚根据墩位处岩层面倾斜情况，可做成高低韧脚形状，使围堰下沉到岩面时，与岩面吻合密贴[1]。双壁钢围堰底节围堰下水后,通过导向船四角的导向架和锚绳、拉缆共同作用，将围堰浮运至施工现场，在钢围堰浮运定位过程中，必须对浮运时的稳定性进行验算。

1　工程概况

武穴长江大桥桥位北岸位于湖北武穴市余祥村上游，下距武穴市市区约4.5公里，主桥起点桩号为K159+344.891。主桥桥型方案为主跨808米双塔斜拉桥，双塔双索面半漂浮体系，钻石型索塔，空间扇形斜拉索。桥跨(主桥、滩桥)组合为：(56+100+56)m连续箱梁+(6×30)m预应力混凝土连续T梁+(56+100+56)m连续箱梁+(80+290+808+75+75+75)mPK钢箱混合梁斜拉桥+40m简支组合梁，桥梁全长2051.5m，其中主桥斜拉桥长1403m(不含桥台)，详见图1。

图1　桥型布置图

2　钢围堰设计参数

武穴长江大桥15#墩围堰为哑铃型双壁钢套箱结构，平面尺寸为62.4m×32.4m，壁厚1.8m，围堰顶高程为+22.15m，底高程为-12.0m，总高度34.15m，围堰最大设防水位+17.0m。总排水量52000立方米，自重3200吨，围堰自带钻孔平台,详见图2 。

图2　15#墩围堰浮运图

围堰结构用钢材质主要为Q235B，围堰加劲肋采用AH32(屈服强度≥315MPa)球扁钢。材料技术条件符合《桥梁用结构钢》(GB714-2000)的要求。钢材的屈服强度σs按照《桥梁用结构钢》(GB/T 714-2000)采用。钢材力学性能：允许抗拉、抗压和抗弯应力[σ]=170MPa；工厂贴角焊缝抗剪[τ]=100MPa；工地手工焊缝抗剪[τ]=80MPa。

2.1　围堰组成

围堰由双壁侧板、底隔舱、内支撑等组成[2]。

2.2　围堰侧板结构

围堰侧板壁板采用8mm、9mm、10mm厚三种钢板，对应的竖向加劲肋分别为160×8球扁钢、160×9球扁钢、160×11球扁钢，角钢布置最大间距为424mm。双壁水平环内斜撑为∠75×10角钢，隔舱板及水平环板分别由16mm厚和12mm厚钢板制造。水平环板有三种间距，分别为1800mm、1500mm、1300mm。

2.3　底隔舱结构

底隔舱壁板采用8mm厚钢板，160×8球扁钢作加劲肋，球扁钢布置间距为500mm。隔舱板及水平环板分别由16mm厚和12mm厚钢板制造。

2.4　围堰内支撑结构

围堰内支撑分两部分制造，中间在钻孔平台处断开，第一层内支撑高9.912m，内支撑顶标高为+22m，第二层内支撑高6.756m，内支撑顶标高为+9.2m。

3　稳定性计算

所谓稳定性是指船舶在外力矩作用下偏离其初始平衡位置而倾斜,当外力矩消失后能够自行恢复到初始平衡状态的能力[3]。围堰体积庞大，自重大，浮运时的稳定性至关重要，满足浮运稳定性的两条要求：

(1)稳心M高于重心G，详见图3。

(2)围堰抗倾安全系数K取1.3以上。

图3　浮体稳心、重心、浮心关系图

图中B为浮心，G为重心，M为稳心,ω为水的密度,△为船的排水量。MR(+)表示浮力和重力形成的力矩能够保证浮体稳定(稳心M在重心G上面)；MR(-)表示浮力和重力形成的力矩加速浮体倾覆(稳心M在重心G下面)。

安全系数MR(+)≥K×外荷载产生弯矩，K取1.3及以上[4]。

3.1　围堰的重心计算

钢围堰的重心为所有材料对X、Y、Z轴的静矩/自重，一般而言，围堰为对称结构，重心在X和Y轴的交点上，Z轴则需计算后求得，或者采用CAD实体进行统计，详见图4 。

图4　15#围堰实体图

围堰上面无移动荷载，围堰的重心位置不会发生变化，根据三维建模统计的围堰重心见表1。

表1　15#墩双壁钢围堰重心计算表(从围堰底计算)

3.2　围堰的浮心计算

浮体浮心的概念为浮体浸没部分排水的型心,可以用CAD程序画出实体来统计, 根据围堰的吃水深度和围堰横向及纵向尺寸，横倾的最大角度不超过arctan(3.64/32.4)=6.4°，纵倾的最大角度不超过arctan(3.64/62.4)=3.3°，因此在浮运过程中钢围堰的浮心分为以下五种情况来画图统计，其他情况用内插法求解，详见图5 及表2。

(1) 水平状态的浮心：

(2) 3°横倾的浮心：

(3) 6°横倾的浮心：

(4) 1.5°纵倾的浮心：

(5) 3°纵倾的浮心：

图5　CAD实体图计算15#围堰浮心(24m高)

围堰高度(m)状态围堰浮心X(m)围堰浮心Y(m)围堰浮心Z(m)24水平状态00-1．1133243°横倾0-1．4092-1．1474246°横倾0-2．8010-1．2484241．5°纵倾-3．84670-1．1629243°纵倾-7．6850-1．3117

3.3　围堰的稳心计算

用CAD图解法求出15#围堰的稳心，详见图6及表3。

表3　15#双壁钢围堰稳心计算(浮运高度24m，从液面计算)

3.4　双壁钢围堰恢复力矩MR计算

围堰恢复力矩计算详见表4。

3.5　浮运过程围堰的外力倾覆弯矩计算

围堰浮运过程可能受到的倾覆荷载有动水阻力荷载和风荷载，按照最不利组合见表5及表6。15#围堰下水的选择时机为2017年1月，最低水位7.67m，最高水位15.6m，多年平均水位8.84～11.40m；按照历时最低水位7.67m计算，委托九江航道部门测量的围堰浮运航迹线的河床深度最浅有6m，预备绞吸船作为航道清理设备，桥址区的范围先用绞吸船清理整平河床，减少围堰内抽砂工作量。可能出现的最大流速为1m/s，围堰走上水，按照6km/h折算流速，围堰的动水设计流速为1+6000/3600≈2.7(m/s)。

表4　15#围堰恢复力矩MR计算表(浮运高度24m)

表5　15#围堰浮运流水阻力计算表

注：1.流水压力合力的着力点，假定在设计水位线以下0.3倍水深处;2.参考规范：《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)，P32。

图6　CAD图解法求解15#围堰稳心

参数数值参数数值高度(m)24．00基本风压(kN/m2)0．30长度(m)62．40纵向风荷载(kN/m2)381．14宽度(m)32．40横向风荷载(kN/m2)0．30吃水深度(m)3．64力臂(m)10．18横向阻风面积(m2)659．66基本风压(kN/m2)0．30纵向阻风面积(m2)1270．46横倾弯矩(kN·m)3880．00

风荷载按照GB50009-2012《建筑结构荷载规范》里面的推荐基本风压计算，对应的风速为小于10m/s，故6级风以下才能进行围堰浮运。当外力倾覆弯矩超过恢复力矩时，围堰浮运会出现侧倾。可能出现的弯矩组合见表7。

表7　15#围堰外力弯矩组合表

3.6　浮运过程围堰的稳定性安全系数

根据上述的计算，15#围堰浮运的安全系数见表8。

表8　围堰浮运稳定性评价表

综上所述，15#双壁钢围堰24m一次性下水的稳定性安全系数K均大于1.3，满足浮运安全需要。

3.7　围堰浮运总马力计算

双壁钢围堰水上运输需要计算围堰浮运阻力，根据阻力计算结果配置浮运总马力，详见表9。

表9　围堰浮运阻力统计表

3.8　围堰浮运编队

设两艘主拖轮，在围堰正后部采取硬顶形式编队，其船艏分别向左右各出操纵缆、连接缆、交叉缆[5-6]。

在围堰右后舷和围堰左后舷设旁拖船，采取旁拖形式编队，各出拖缆、八字缆、尾缆。武穴105轮在围堰右前带首缆帮助用舵稳船，编队均用直径28mm钢缆，详见图7围堰浮运编队图。

图7　围堰浮运编队图

4　结语

通过分析, 武穴长江大桥15#墩围堰稳定性满足稳定性要求，围堰浮整个航程约5公里，围堰船队缓速顶推，顶推过程2个小时完成，整个浮运作业约3小时完成(离码头和左舷拖轮编队0.5小时，上行时间1小时，临时靠泊0.5小时),于2017年2月28日成功浮运。此分析为同类型钢围堰浮运提供一种详细的计算分析方法。

[1]徐成双.双壁钢围堰技术在北江特大桥深水基础施工中的应用[D].广州:华南理工大学,2011.

[2]王永刚，赵全江.陶乐黄河特大桥主墩双壁钢围堰设计与施工[J].铁道标准设计,2010,(3):53-56.

[3]杨益斌.沪通长江大桥主墩钢沉井浮运施工技术[J].中国科技纵横,2016,(12):77-78.

[4]盛振邦,杨尚荣,陈雪深.船舶静力学[M].上海：上海交通大学出版社，1992.

[5]陈宁贤,邓永锋.天兴洲长江大桥3号主塔墩钢吊箱围堰施工[J].铁道科学与工程学报,2006,3(4):74-78.

[6]陶建山.超大哑铃形底节双壁钢围堰横移下水技术[J].桥梁建设,2016,46(3):103-108.