三门峡黄河公铁两用特大桥6#墩墩双壁钢套箱围堰设计

连延金

(中国铁建大桥工程局集团有限公司，天津 300300)

三门峡黄河公铁两用特大桥为蒙西华中铁路规划的运三铁路及运三公路跨越黄河的共用桥梁，位于河南省三门峡市，起讫里程DK639+106.184—DK644+769.938。桥轴线与河道主流线夹角约83°，桥梁全长 5 663.754 m，其中公铁合建段长 1 762.733 m。主桥为11跨连续钢桁结合梁桥，桥跨布置为1联(84+9×108+84)m，主桥全长 1 140 m。主桥布置如图1所示。

图1 主桥立面示意(单位：m)

三门峡黄河公铁两用特大桥主桥位于距三门峡大坝上游28.90 km处。三门峡水库汛期有3个月为低水位，标高约+303.808 m，汛期敞泄，水流速度较大。非汛期为高水位，一般达+316.808 m，非汛期蓄水，河水无流速。库区水位一年中约9个月时间水深维持在15 m；调水调沙期间(6月—8月)库区水位落差变化达13 m。

桥位处主要为第四系全新统至中更新统冲积、冲洪积砂质新黄土、砂层、砂质老黄土、黏质老黄土[1]。

1 围堰结构设计

1.1 总体设计

三门峡黄河公铁两用特大桥6#墩基础采用“先平台后围堰”的施工方法，设计水位+316.808 m。6#墩承台底标高+298.438 m，水深18.37 m。承台平面尺寸42.3 m×24.6 m，厚4.5 m;加台平面尺寸为38.4 m×13.6 m，厚2.0 m。承台分2次浇筑，第1次浇筑承台高3.0 m，第2次浇筑承台高3.5 m(含加台)。围堰采用双壁钢套箱围堰，双壁钢套箱围堰平面尺寸为46.5 m×28.8 m，高度为22.9 m，分3节，底节侧板高13.6 m，中节侧板高5.3 m，顶节侧板为单壁板，高度为4.0 m。围堰共设置2道内支撑，底层内支撑采用φ820 mm×10 mm 钢管，顶层内支撑采用φ1200 mm×12 mm 钢管。6#墩围堰顶高程为+317.308 m，围堰底高程为+294.408 m。承台底高程为+298.438 m，封底混凝土厚3.5 m，采用C30混凝土水下封底。围堰布置如图2所示。

图2 围堰布置示意(单位：m)

1.2 围堰构造

钢套箱围堰主要包括以下部分：

1)围堰双壁侧板。围堰底节和中节采用双壁侧板，围堰内外壁板厚6 mm，内外壁板上均设置竖向∠63×6角钢加劲肋，肋的间距约350 mm。双壁钢套箱围堰下沉过程中需要浇筑壁板混凝土，壁板混凝土可以增强壁板抵抗水头差的能力；同时，增加围堰自重，增强围堰的下沉能力[2-3]。

2)水平环板。水平环板采用300 mm×12 mm+150 mm×10 mm和250 mm×12 mm+120 mm×10 mm钢板焊接成L形钢板，间距0.7～1.2 m。同一水平面内水平环板用∠90×8，∠100×10和∠125×10角钢连接，使内外壁板组合成整体。

3)隔舱。内外壁板间设竖向隔舱板，将整个围堰分隔为30个密封舱。隔舱板采用厚14 mm钢板，隔舱板通长布置，水平环板穿过开槽的隔舱板。隔舱板内外壁板处焊接600 mm×12 mm通长补强板，与隔舱板形成工字形截面共同承受水平环板传递的力。

4)刃脚。双壁钢围堰需要通过13.6 m厚的砂土，刃脚尖部受力情况较为复杂，刃尖夹角采用43°角，高度2.3 m。在刃尖1.5 m部分的钢板厚20 mm，刃尖部分斜板上设置∠63×6的加劲肋，且用C20混凝土将刃脚填实。

5)围堰单壁侧板。顶节围堰为单壁板，高4 m，壁板、竖肋与底节和中节相同，隔舱板切割成梯形，水平环板用HW250×250和∠160×10代替，围堰单壁侧板在高水位时安装。

1.3 主要材料设计指标

双壁钢围堰内外壁板、隔舱板、竖肋、内支撑、水平角钢等均为Q235钢板，容许拉应力[σ]=170 MPa，容许剪应力[τ]=100 MPa。

采用C30封底混凝土，其容许应力：无箍筋及斜筋时的主拉应力[σ]=0.73 MPa，剪应力[τ]=1.1 MPa。

2 围堰结构计算

围堰结构在施工中有多个施工状态，为了解围堰结构的受力情况，验算围堰结构是否安全，需要对不同施工状态下的围堰结构进行应力及位移计算。

双壁钢套箱围堰施工的一般工序：钢围堰底节制作→底节在平台上拼装→底节下水、刃脚混凝土浇筑→中节围堰拼装、下沉→着床→清淤下沉、接高、壁板混凝土浇筑→下放至设计要求的高程位置→钢围堰内清基→水下封底混凝土浇筑→钢围堰内抽水→桩基桩头处理→承台施工[4-6]。

在围堰下水过程中，浇筑底节壁板混凝土之前围堰受力较大，所以底节围堰入水自浮状态时的受力情况要清楚。在围堰施工过程中，围堰内抽水后、承台施工前为最不利工况，必须对该工况进行计算。由于封底混凝土是墩台施工时阻水结构一部分，其受力安全是施工顺利进行的保证，因此，需对封底混凝土变形、应力及封底混凝土抗浮系数进行检算[7-8]。

2.1 计算荷载

1)自重

采用MIDAS/Civil中的自重自动加载。

2)静水压力

取设防水位，高程为+316.808 m，静水压力的计算公式为[9]

Fw=γgh

(1)

式中：γ为水的质量密度，取1×103kg/m3；g为重力加速度值，取9.8 m/s2；h为计算点水深。

该围堰水压计算起点标高为+316.808 m，终点标高为+294.408 m。计算可知，在模型最底端的静水压力为219.5 kPa。

3)主动土压力

根据工程地质情况，河床标高+308.000 m，根据现场地质资料，主墩所穿过的土层均为砂土。由于现场未能取得准确的土层参数，故本计算根据《铁路工程设计技术手册：桥涵地基和基础》中提供的参考值进行计算。砂土重度取19.5 kN/m3，浮重度取9.5 kN/m3,内摩擦角取20°。

对于砂土，由于黏聚力很小，因此按无黏性土时的主动土压力公式进行计算[9]。

P=γ浮h土·tan2(45°-φ/2)

(2)

式中：γ浮为土体的浮重度，为饱和重度扣除浮力后的值；h土为砂土深度；φ为土体的内摩擦角。

4)水流力

围堰是按照设防水位+316.808 m设计的，在高水位时水流处于静止状态，水流力可以忽略不计。

2.2 计算工况

工况1：围堰入水自浮。围堰入水后，接高完成，浇筑刃脚混凝土，围堰质量 1 162.4 t，刃脚混凝土质量916.8 t，围堰投影面积274.9 m2，吃水深度h′=(1 162.4+382.0×2.4)/274.9=7.6 m。

此时围堰底距河床面1.208 m。围堰受力状态如图3所示。

图3 工况1围堰受力状态(单位：m)

工况2：封底混凝土施工完成，围堰内水抽干，此时双壁板内混凝土浇筑至承台顶面，注水高度9 m，此状态围堰受力最为不利；同时，封底混凝土底部承受向上的静水压力及封底混凝土的结构自重，需对封底混凝土的受力情况进行计算。围堰受力状态如图4所示。

图4 工况2围堰受力状态(单位：m)

2.3 计算模型

采用MIDAS/Civil 2012建立工况1、工况2的模型。模型中围堰的壁板、隔舱板采用板单元模拟，水平环板和竖向加劲肋均采用梁单元模拟，水平角钢采用桁架单元模拟。由于封底混凝土为非线性材料，为了得到更真实的结果，采用大型通用有限元计算软件ABAQUS建立工况2的封底混凝土模型，用实体单元模拟，封底混凝土与钢护筒之间固结(同时约束位移和转角)[10-11]。

2.4 计算结果分析

2.4.1 工况1计算结果分析

围堰内、外壁板最大组合应力10.1 MPa，竖肋最大组合应力8.8 MPa，隔舱板最大组合应力 12.5 MPa。壁板、竖肋、隔舱板最大组合应力位置出现在刃脚混凝土顶面附近。水平环板最大组合应力130.2 MPa，出现在刃脚混凝土顶面上一层水平环板位置，最大变形1.1 mm。2.4.2 工况2计算结果分析

1)双壁钢围堰受力分析

围堰内、外壁板最大组合应力142.3 MPa，竖肋最大组合应力160.6 MPa，壁板、竖肋最大组合应力位置出现在刃脚混凝土顶面附近。隔舱板最大组合应力56.3 MPa，隔舱板最大组合应力位置出现在顶层内支撑处。水平环板最大组合应力160.2 MPa，出现在顶层内支撑水平环板位置。最大变形17.0 mm，出现在围堰顶节单壁板位置。

2)封底混凝土受力分析

经计算可知，封底混凝土最大竖向位移为0.02 mm，位于封底中心护筒中间位置。封底混凝土最大竖向位移处(中心处)的主拉应力约为0.26 MPa，小于规范允许值0.73 MPa；封底混凝土的最大剪切应力为0.16 MPa，小于规范允许值1.1 MPa，出现在与钢护筒接触部位的底部位置，仅限于局部很小范围。说明封底混凝土的受力均满足相关规范要求。

3)封底混凝土抗浮计算

抗浮系数计算公式[12]

(3)

式中：G为围堰总重量；G封底混凝土为封底混凝土重量；G水为围堰壁板内水重量；G刃脚混凝土为刃脚混凝土重量；G壁板混凝土为围堰壁板内混凝土重量；F护筒黏结力为封底混凝土与钢护筒之间的黏结力，封底混凝土与钢护筒之间的握裹力取0.12 MPa ；F刃脚为围堰刃脚排水重量；F壁板为围堰壁板排水重量；F封底混凝土为封底混凝土浮力。

由式(3)计算得k=1.05>1.0。可知，封底混凝土是安全的。

2.4.3 内支撑计算

在工况2状态下，内支撑受力最大，底层内支撑最大组合应力86.6 MPa，顶层内支撑最大组合应力65.4 MPa，均满足规范要求。

3 结论

通过对三门峡黄河公铁两用特大桥6#墩双壁钢围堰的分析可知：

1)双壁钢围堰在钢管内支撑处的杆件，出现了一定程度的应力集中现象，在相应处的隔舱板和水平环板构造设计上，均作了加强处理，以确保整个结构的受力安全。

2)一般情况下，将钢围堰内的水抽至封底混凝土顶面时为最不利工况，此时结构受力相对较大。封底混凝土应满足抗弯、抗剪强度要求和抗浮稳定性要求。

3)双壁钢围堰底节进行壁板混凝土填充，一方面增加了围堰的自重，提高了抗浮能力；另一方面底节下部原是静水压力最大的一节，但由于双壁间填充了混凝土，截面面积和抗压能力提高，应力有显著降低，最大应力转移至底节的上部。因此，对深水钢围堰，可通过加长底节填充混凝土的长度来改善受力。

4)双壁钢围堰顶节采用单壁板的形式，可以根据黄河水位情况决定是否进行拼装，一方面节约了围堰的用钢量，另一方面单壁板重量较小，在施工时可以加快进度。

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