某跨海大桥钢围堰结构设计及力学行为分析

王立祠

（河北省交通规划设计院，石家庄050051）

1 工程概况及围堰结构参数

青连铁路ZQ-5标段跨胶州湾特大桥，全长8941.27m，上部结构为40孔50m跨径简支箱梁。其中，第153#～193#墩跨上跨胶州湾，跨度长2000.80m，采用钢围堰进行基础及下部施工。

钢板桩围堰采用拉森IV型钢板桩，材质Q295bz，围堰顶标高均为+3.5m，封底混凝土采用C30混凝土。本文以具有代表性的153#墩（围堰尺寸14.4m×10.4m、15m钢板桩）为例进行设计检算。采用容许应力法计算，材料容许应力：Q295bz钢板桩的容许弯曲正应力为 [σ]＝295/1.2×0.75＝184MPa；Q235B钢材的应力为：弯曲正应力[σ]＝170MPa，剪应力[τ]＝100MPa[1]。

2 钢围堰计算

2.1 入土深度计算

2.1.1 取1m宽钢板桩进行入土深度计算

钢板桩入土深度采用等直梁法进行计算，最终通过计算得到封底混凝土底面至弯矩零点的距离t，最小入土深度T=kt，其中，k为经验系数，一般取1.1~1.2，本文取1.2。拟定钢板桩入土深度t=10m，对10m范围内的主动土一侧与被动土一侧的土层重度 γa、γp、内摩擦角φa、φp进行加权平均值计算：γa平均=19.6k N/m3，φa平均=21.1°；γp平均=19.8k N/m3，φp平均=21.2°。

主动土压力系数：Ka=tan2（45°-21.1°/2）=0.47；被动土压力系数：Kp=tan2（45°+21.2°/2）=2.13。

1）计算开挖面至钢板桩上土压力等于零的点的距离y：

式中，H2为地面标高到封底混凝土高度，计算土压力强度时，应考虑钢板桩墙与土的摩擦作用，将钢板桩墙土压力乘以修整系数；K为被动土压力修正系数，查表后得1.624；

2）按简支梁计算等值梁支点反力（即Ra和P0）；

3）根据Ra和钢板桩被动土压力等于板桩底端力矩，由此可求得x，建模计算得P0=31.4k N。

总入土深度：t=x+y=2.56+0.78=3.34m。因此，钢板桩的入土深度T=1.2t=4.008m，封底标高为-4.156m，钢板桩桩底标高为-11.5m，实际入土深度为7.344m＞4.008m，钢板桩总长度15m，满足计算需求。

2.1.2 基坑底抗涌起计算

根据前述计算，钢板桩长度15m，以此计算钢板桩内外土的参数。根据Prandtl公式计算抗涌安全系数：

式中，c为土的黏聚力，k Pa；D为基础挡墙入土深度，m；H为基坑开挖深度，m；γ为基坑外侧土的平均重度；q为地面超载。根据Prandtl公式，要求Ks≥1.1～1.2，其中，Nq=tan2（45°+φ/2）eπtanφ，Nc=（Nq-1）/tanφ，由此可得 Ks=5.98＞1.2，故抗涌起满足要求。

2.2 钢板桩受力计算

用MIDAS软件进行有限元计算分析，分为5个施工工况：（1）降水开挖至2.344m处，在开挖面以下0.78m固接；（2）3.0m处安装第一道内支撑；（3）降水开挖至-0.656m；（4）-0.116m 处安装第2层内支撑；（5）降水开挖至封底底-4.156m。其中，工况（1）时，钢板桩围堰应力σ=（17.4×103）/（2270×10-6）=7.7MPa＜184MPa。根据（2）～（5）工况下的钢板桩受力分析结果，得出钢板桩应力情况均满足要求，第1道支撑最大反力为45.1k N/m，第二道支撑最大反力为220k N/m[2]。

2.3 围囹及内支撑计算

第1层围囹选用400mm×400mm×20mm H型钢，内支撑角撑采用 400mm×400mm×20mm H型钢，对撑采用 400mm×400mm×20mm H型钢；第2层围囹选用500mm×200mm×20mm双拼工字钢，内支撑角撑采用400mm×400mm×20mm H型钢，对撑采用400mm×400mm×20mm H型钢。其中，第1道围囹所受最大环向荷载为45.1k N/m，第2道围囹所受最大环向荷载为220k N/m。第1道内支撑最大位移为0.83mm，围囹及内支撑最大组合应力为26.9MPa＜170MPa，强度与刚度均满足要求。

第2道内支撑最大位移为3.1mm，围囹及内支撑最大组合应力为120.6MPa＜170MPa，强度与刚度均满足要求。对撑最大轴力为1050k N，自由长度为L=9.5m。回旋半径：i=16.81cm，面积：A=251cm2；长细比：λ=57，由此查稳定系数表得 φ=0.823，σ=N/φA=50.78MPa＜[σ]=170MPa，稳定性满足要求。

2.4 封底计算

2.4.1 封底混凝土强度计算

封底混凝土所受荷载：

其中，γ水、γ混分别为水和混凝土的容重；h水、h混分别为其高度。

封底混凝土计算采用MIDAS软件建立实体单元进行模拟，根据模拟结果可知：封底混凝土最大拉力应为0.61MPa＜1.43MPa；封底混凝土最大竖向位移为0.04mm，满足要求。

2.4.2 抗浮计算

围堰可看作近似密封体，抽水完成后，在水的浮力作用下有可能连同封底混凝土连同钢板桩向上位移，出现失稳现象。围堰抗浮主要来自结构的自重以及与土层摩擦、封底混凝土与钢护筒摩阻力，混凝土与封底之间的摩阻力考虑为150k Pa。

抗浮力计算如下：

封底混凝土自重：G=（13.5×9.5-0.785×1.252×10）×1×24=2783.6k N；

封底混凝土与钻孔之间的摩擦力：F=3.14×1.25×10×1×150=5887.5k N；

钢板桩及围囹自重G1=1628.6 k N；

合计抗浮力为：2783.6+5887.5+1628.6=10 299.7k N；

浮力：F=10×（3.5+3.156+1）×（13.5×9.5-0.785×1.252×10）=8879.7k N；

则抗浮系数 K=10 299.7/8879.7=1.16＞1.05，满足要求[3]。

3 结论及建议

根据上述对具有代表性的153#墩海上承台围堰的计算，整体验算结果表明钢板桩及内支撑受力均满足要求，该围堰类型及内支撑布置形式可为其他类似围堰工程的设计及施工提供参考，但在施工过程中需保证以下事项，以确保结构安全：

1）钢板桩围堰施工严格按照各墩施工图纸进行施工，确保围囹及内支撑位置、材料准确；

2）钢板桩围堰顶底标高控制准确，钢板桩入土深度不得少于4.008m，以满足抗涌要求；

3）按照各墩围堰图纸所布设围囹情况均可满足现场施工需要，验算通过；但海中地质情况复杂，钢板桩吸泥开挖时注意地质情况变化，如地质情况差则需加设承台位置的临时支撑，待封底混凝土浇筑完成后方可拆除。