双壁钢围堰设计与施工要点分析

孙光

一、工程概况

茅岭江位于广西钦州市和防城港市的交界位置，河道汇水区域大，雨季河水涨落幅度较大。为入海河流在本工程施工位置，受到潮汐涨落影响有涨落潮的现象。其地区地表水系发达，从山上的雨水最终汇集到茅岭江，雨季水量较大，经常从山上刷下来大量杂草和树枝，在施工中容易对施工人员机械造成安全威胁。茅岭江的河流均发源于山区，河道纵坡较大，洪水暴涨暴落。

项目所在地处茅岭江每天会发生一次涨潮和落潮。经实测，单日最大涨潮和落潮差达2m。桥位处水体盐度高，在施工中需注意对铁质构件采取防腐蚀措施。

二、钢结构设计和计算

1.整体结构稳定性计算

根据水文数据该桥位区域最深水位为8.5m，取9m计算，由于围堰底口为反向斜口，且有坚固的混凝土封底作为支撑。只需计算结构薄弱处的抗倾覆和抗弯折整体稳定性即可。桁架整体全部采用∠100×100×10等边角钢。

（1）竖向隔离体法计算

取一个竖向区隔，每个节段宽0.75m，厚0.80m，底部受到的最大弯矩为M=198.45kN·m，最大剪力为V=66.15kN；考虑由于单根角钢的截面矩Ix1=179.51cm4；根据平行移轴公式，整体的整体截面惯性矩Ix=53248cm4；抗弯截面系数Wx=1331.2cm3；正应力σ=149＜215N/mm2；剪应力τ=17＜125N/mm2。故满足要求。

由于节段之间采用角焊缝，E43焊条现场焊接，焊接质量为三级，hf=7mm，考虑水密性的连续焊接lw为节段宽度75cm，内外各一条，he=0.7hf=4.9mm。整体截面惯性矩Ix=1176014706mm4；抗弯截面系数Wx=2940036mm3；正应力σ=67.5＜160N/mm2。

以上通过最不利和最薄弱环节计算认为本钢结构的整体稳定性满足实际工程要求。

（2）横向隔离体法计算

取底层的两个节段，整个钢围堰外径为18.6m，一圈为6个节段，每个节段的圆心角为60°，两个节段为120°。中间节段焊接处为薄弱截面。根据微积分思想和对近似二铰拱的分析，计算该位置的截面弯矩为：

其中f=ρgh；取不利深度为9m，但每层为一个整体，近似取平均深度为8.25m，有f=80.85kN·m；进一步有M=100.74kN·m。

在该截面处内外竖向焊缝的组合中，截面惯性矩Ix=2352029412mm4；抗弯截面系数Wx=5880073.5mm3；正应力σ=17.13＜160N/mm2。故满足要求。

2.构件计算

（1）水平弦杆N1与N2计算

N1杆是轴向受力的二力杆件，且由于其与内侧钢板的焊接，导致其竖向翼缘增大，轴向承载力增大，满足要求。N2为外侧弦杆，为受弯构件，每个节段为1.5m，每个节段为两个单元格，所以每根杆件的最从属高度为75cm。

选最不利的9m位置计算，杆件受的弯矩M=4.65kN·m；抗弯截面系数Wx=25.06cm3；正应力σ=185＜215N/mm2。故满足实际工程要求。

由于杆件与平面钢板紧密焊接，整个立体桁架成为整体，故不考虑杆件的局部受压稳定性。

（2）水平腹杆N3

经计算和最不利分析轴心拉力N3=35kN；根据《钢结构设计标准》（GB50017-2017）：η1=0.85，η2=0.85；正应力σ=-25＜215N/mm2。满足施工要求。

（3）立杆N4

内测立杆N4属于轴心受力杆，由于钢板焊接后的加强作用，轴心受力的N4内侧杆符合施工受力要求。外侧N4杆为受弯构件，按最底层位置，最不利杆件计算，杆的最大弯矩值取9m深处的平均压应力，M=4.65kN·m；M/W=185＜215N/mm2。满足施工受力要求。

由于杆件与平面钢板紧密焊接，整个立体桁架成为整体，故不考虑杆件的局部受压稳定性。

（4）水平杆N5

最不利的N5杆为受压直杆，取最不利位置分析N=49.6kN，根据《钢结构设计标准》，N3杆件长80cm，取斜平面计算长度l0=72cm，λ0=36.8，根据《钢结构设计标准》，按Q235钢材且b类截面查表，得稳定系数ψ0=0.911。

根据《钢结构设计标准》：η1=0.6552、η2=0.85；正应力σ=50.8＜215N/mm2。满足施工要求。

（5）竖向斜腹杆N6

N6杆为受拉杆，经计算和最不利分析轴心拉力N3=35kN；根据《钢结构设计标准》：η1=0.85、η2=0.85；正应力σ=-25＜215N/mm2。满足施工受力要求。

3.焊接节点计算

根据结构分析，由于整个桁架形成受力整体且没有集中荷载的参与，只需考虑最不利状态。即：

（1）N4杆的竖向连接点

N4杆的焊接抗剪，依靠上下凹凸的榫头装置及外接8mm钢板的焊接，大大增加了节点区域的抗剪切能力。该处的最大剪力值V=66.15kN，为结构安全考虑，按钢板焊缝完全承担剪力，则剪应力为：

故此处N4节点的焊缝满足施工受力要求。

（2）N6与N3杆的节点连接

N6与N3的焊接节点，属于正面角焊缝和侧面角焊缝的围焊，正面角焊缝是100mm，侧面角焊缝肢背为50mm，正面角焊缝为25mm，焊缝的承载力为：

满足施工受力要求。

三、施工整体流程

1.钢围堰首层拼装，在岸边挖一个拼装平台，平台低于潮水面约1.5m，出口处用沙袋封堵至不漏水。底面用C20砼打15cm厚1.5m宽的环形垫层，作为拼装平台，平台标高差＜1mm。将事先已经焊接好的各节段在汽车吊的辅助下完成拼装焊接，要严格注意焊缝的密封性，焊接完后要灌水检测密封性，不允许出现漏水的现象。

2.承台位准备，在柱墩桩基施工完成后拆除桩基钻孔平台，将承台位置挖深至承台地约1.0m的位置。

3.浮运和初步定位，在低潮水位时挖开平台口位置的沙袋，潮水升高后围堰首层将浮起，用小船拉住围堰首层至承台位，在潮水平潮期将围堰首层拖运并初步定位至承台位置，然后下锚固定，注意此时一定要确保至少桩基完全在平台范围内。

4.水上拼装，在水上浮吊的配合下开始对钢围堰进行水上拼装，每拼装一层进行水密性检查，检查完成后再注水下沉，开始拼装下一层。

5.精确定位，在钢围堰最后一层拼装完成钢围堰快要触底时，组织测量班精确定位，并在完整锚定系统的配合下，完成精准定位下沉至承台位置。

6.封底，在定位完成后采用铁丝探勾的方法对于河床不平导致围堰底部悬空的地方，从内部和外部采用沙袋填满封死，确定周围一圈封死后开始在围堰内侧灌注C20混凝土，测底封闭和固定好围堰整体，封底过程中遇到潮水水位的变更，注意保持内外水位的平衡，水压对底口尚未凝固的封底混凝土冲散，可在围堰侧位置临时开通水口。

7.抽水清底，在封底混凝土凝固后开始将水抽出，并封堵之前在侧壁上开的通水口。并适当降低双壁内水位位置。抽水完成后进一步清底和下步承台施工。

四、结语

由于我国南部和东南亚各国在实施的桥梁工程大多与此茅岭江类似，有潮汐环境，且多在深水施工水中墩，采用双壁钢围堰可以处理大部分水中墩施工的问题，对于以后水中基础施工有一定的参考意义。