黃岡公鐵兩用長(zhǎng)江大橋主橋圍堰設(shè)計(jì)及計(jì)算

摘 要:根據(jù)新建武漢至黃岡城際鐵路WGSG標(biāo)段投標(biāo)階段黃岡公鐵兩用長(zhǎng)江大橋主橋主墩雙壁鋼吊箱圍堰的設(shè)計(jì)及計(jì)算進(jìn)行編寫(xiě)。該橋主塔墩基礎(chǔ)尺寸大，承臺(tái)平面尺寸為51.2×34.2m，其中主墩航道繁忙，水深23-24m，且覆蓋層較淺，采用先圍堰后平臺(tái)施工方案，文章對(duì)雙壁鋼吊箱圍堰進(jìn)行了設(shè)計(jì)及計(jì)算。

關(guān)鍵詞:黃岡公鐵兩用長(zhǎng)江大橋;雙壁鋼吊箱圍堰;設(shè)計(jì)及計(jì)算

中圖分類號(hào):TP 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3198(2010)06-0286-02

1 工程概況

黃岡公鐵兩用長(zhǎng)江大橋全長(zhǎng)4010.81m，主橋采用(81+243+567+243+81)m鋼桁斜拉橋方案，長(zhǎng)1215m，公鐵合建。主塔為鋼筋混凝土主塔，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。

本工程主橋施工區(qū)域水深、流急，其中主墩航道繁忙，水深23-24m，且覆蓋層較淺。長(zhǎng)江水位變化大，長(zhǎng)江汛期對(duì)橋梁基礎(chǔ)施工影響大。2#、3#主塔墩基礎(chǔ)采用31-3.0m鉆孔樁。承臺(tái)橫橋向?qū)?1.2m，承臺(tái)順橋向?qū)?4.2m，承臺(tái)厚6.5m，承臺(tái)頂高程+9.0m，樁長(zhǎng)40.5-47.5m。

2 主塔墩基礎(chǔ)施工方案

2#、3#主墩采用先圍堰后平臺(tái)水上施工方案，分別從兩岸修建施工棧橋至2#、3#主墩配合施工。施工次序?yàn)?雙壁鋼吊箱圍堰制造、底節(jié)下水→浮運(yùn)、定位→插打部分鋼護(hù)筒→圍堰掛樁→鋼護(hù)筒插打完畢，鉆孔樁施工→圍堰接高、下沉、二次掛樁→清基封底→圍堰內(nèi)抽水→承臺(tái)、塔座施工→塔柱施工。每個(gè)主塔墩安排6臺(tái)KTY-3000型全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)進(jìn)行31根3.0鉆孔樁施工，鉆孔樁施工時(shí)在平臺(tái)頂設(shè)置1臺(tái)100t龍門吊機(jī)。每個(gè)主墩施工配備150t、200t浮吊各1臺(tái)。

3 雙壁鋼吊箱圍堰設(shè)計(jì)

圍堰的設(shè)防水位按二十年一遇考慮為+25.8m，抽水水位按+24.0m控制，圍堰頂標(biāo)高取+26.3m。圍堰分兩節(jié)，底板及底節(jié)在工廠加工好后，整體浮運(yùn)到墩位，第一次掛樁定位于14根支撐鋼護(hù)筒上，其頂面標(biāo)高控制在+26.3m，作為鉆孔施工平臺(tái)，鉆孔樁施工完畢，接高圍堰，并將圍堰整體下放至設(shè)計(jì)標(biāo)高(圍堰底標(biāo)高-3.0m)，第二次掛樁定位，封底、抽水，澆筑承臺(tái)。

圍堰平面尺寸為55.4m(橫橋向)×38.4m(順橋向)×29.3m(高)，壁厚2m。

4 雙壁鋼吊箱圍堰設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 工況分析

工況一:圍堰底節(jié)整體浮運(yùn)到墩位后，精確定位后插打定位鋼護(hù)筒

底隔艙面積706 m2，雙壁面積338 m2

圍堰吃水深度:3920/(706+338)=3.75m

側(cè)板內(nèi)外壁承受對(duì)壓水頭荷載。

工況二:圍堰作為鉆孔平臺(tái)，進(jìn)行鉆孔樁施工

鋼吊箱由14根定位鋼護(hù)筒承載，鉆孔過(guò)程中雙壁隔艙灌水高度根據(jù)根據(jù)水位變化相應(yīng)調(diào)節(jié)。

工況三:鉆孔樁全部施工完成后，水上接高圍堰頂節(jié)，下放至設(shè)計(jì)標(biāo)高

工況四:澆注封底混凝土

工況五:抽水，澆注第一層承臺(tái)

工況六:澆注第二層承臺(tái)

工況七:拆除內(nèi)支架，進(jìn)行塔柱施工

4.2 圍堰結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.2.1 雙壁側(cè)板

(1)圍堰壁板。

圍堰壁板采用δ=8mm，L75×8mm角鋼加勁。加勁肋布置:最大間距為350mm，跨度有800、1000mm。考慮30倍δ8mm板參與共同受力，其截面特性為:

A=3006 mm2;I=2983066 mm4;W=51879 mm3

①1000段加勁肋允許最大水頭:

由σ=MW=0.350×h×1.02×10710×51.9×103=170 Mpa(加勁肋按Mmax=1/10qL2計(jì)算)

則壁板加勁肋允許最大水頭為:

h=10×170×51.9×1030.350×1.02×107=25.2 m

由σ=MW=h×1.0×0.3502×6×10716×82×1000=170 Mpa得

雙壁板允許最大水頭為:h=23.7m

故1000mm段壁板允許水頭為18.8m。

②800段加勁肋允許最大水頭:

由σ=MW=0.35×h×0.82×10710×51.9×103=170 Mpa(加勁肋按Mmax=1/10qL2計(jì)算)

則壁板加勁肋允許最大水頭為:

h=10×170×51.9×1030.350×0.82×107=39.4 m

由σ=MW=h×0.8×0.3502×6×10716×82×800=170 Mpa得

雙壁板允許最大水頭為:h=23.68m

故800mm段壁板允許水頭為23m。

(2)圍堰水平環(huán)及內(nèi)支架計(jì)算。

圍堰水平環(huán)受力控制工況為工況五，采用midas軟件建立1/4整體模型，壁板內(nèi)灌注的混凝土采用實(shí)體單元，面板采用加勁板單元，其余為梁?jiǎn)卧?/p>

①內(nèi)、外壁各11.65m水頭。

計(jì)算得到水平環(huán)最大應(yīng)力(絕對(duì)值):

8×1000段水平環(huán)最大組合應(yīng)力:30 Mpa

11×800段水平環(huán)最大組合應(yīng)力:98.6 Mpa

10×1000段水平環(huán)最大組合應(yīng)力(非內(nèi)支架對(duì)應(yīng)位置):66.5 Mpa

10×1000段水平環(huán)最大組合應(yīng)力(內(nèi)支架對(duì)應(yīng)位置):188 Mpa(未計(jì)加強(qiáng)板)

表1 桿件穩(wěn)定驗(yàn)算表

桿件L100×10L125×12Nmax(t)-11.6-18.2A(mm2)19262891i(cm)1.962.46L(mm)22362236λ=L/i114910.470.61η=0.6+0.0015λ0.7710.737σ=Nmax/A//η(MPa)-165-140是否滿足要求滿足滿足②內(nèi)壁10.3m水頭，外壁13m水頭。

計(jì)算得到水平環(huán)最大應(yīng)力(絕對(duì)值):

8×1000段水平環(huán)最大組合應(yīng)力:29 Mpa

11×800段水平環(huán)最大組合應(yīng)力:106 Mpa

10×1000段水平環(huán)最大組合應(yīng)力(非內(nèi)支架對(duì)應(yīng)位置):67.8 Mpa

10×1000段水平環(huán)最大組合應(yīng)力(內(nèi)支架對(duì)應(yīng)位置):174 Mpa(未計(jì)加強(qiáng)板)

③內(nèi)壁13m水頭，外壁10.3m水頭。

計(jì)算得到水平環(huán)最大應(yīng)力如下:

8×1000段水平環(huán)最大組合應(yīng)力:26.7 Mpa

11×800段水平環(huán)最大組合應(yīng)力:105.5 Mpa

10×1000段水平環(huán)最大組合應(yīng)力(非內(nèi)支架對(duì)應(yīng)位置):90.8 Mpa

10×1000段水平環(huán)最大組合應(yīng)力(內(nèi)支架對(duì)應(yīng)位置):196 Mpa(未計(jì)加強(qiáng)板)

④圍堰下沉工況。

側(cè)板內(nèi)外壁承受對(duì)壓水頭取值為h=10.0m。

計(jì)算得到水平環(huán)最大應(yīng)力如下:

8×1000段水平環(huán)最大組合應(yīng)力:169.3 Mpa

11×800段水平環(huán)最大組合應(yīng)力:80.9 Mpa

10×1000段水平環(huán)最大組合應(yīng)力:74.3 Mpa

⑤拆除底層內(nèi)支架，塔柱施工。

拆除內(nèi)支架之前，可使雙壁內(nèi)水位高于承臺(tái)頂部標(biāo)高7.5m，即調(diào)節(jié)雙壁內(nèi)水位標(biāo)高保證雙壁內(nèi)水位標(biāo)高在+16.5m左右，水位+25.8m進(jìn)行檢算。側(cè)板承受水頭外壁為h=25.8-16.5=9.3m，內(nèi)壁16.5-9=7.5m。

計(jì)算得到水平環(huán)最大應(yīng)力如下:

8×1000段水平環(huán)最大組合應(yīng)力:33.5 Mpa

11×800段水平環(huán)最大組合應(yīng)力:72.5 Mpa

10×1000段水平環(huán)最大組合應(yīng)力:136 Mpa

4.2.2 底龍骨

龍骨截面為HN700×300，所受荷載有:混凝土自重、浮力、底板及自身的重力;混凝土自重與浮力的合力為7.2t/m2(作用在底板上)。

建立1/2整體模型，龍骨局部位置加強(qiáng)后，計(jì)算得到龍骨最大應(yīng)力值為154.5MPa，吊點(diǎn)位置處最大反力為98.3t。

4.2.3 內(nèi)支架

內(nèi)支架上下弦桿采用HM588×300型鋼，斜桿采用2[28b截面，豎桿采用2[25b截面，平聯(lián)采用2L125×12截面。內(nèi)支架高3.2m。

(1)圍堰掛樁工況。

布置6臺(tái)鉆機(jī)，每臺(tái)鉆機(jī)及其鉆具按150t計(jì)。側(cè)板及底隔艙共重2118.4t，其自重主要由浮力平衡(側(cè)板內(nèi)外壁間的面積為338m2，則需控制側(cè)板壁板內(nèi)水頭比壁板外水頭低6.5m以上);底板、底龍骨重量為571t，該重量由吊桿承擔(dān)，加上吊桿自身重量，吊桿總數(shù)為136根，則每個(gè)吊桿力為12t。考慮水頭變化影響，側(cè)板按照30%壓重作用在內(nèi)支架上，水流流速按照4m/s計(jì)算得到每個(gè)定位樁處水平力61t。

計(jì)算結(jié)果如下:

2L125×12桿件最大組合應(yīng)力:σmax=84.5MPa

HM488×300桿件最大組合應(yīng)力:σmax=102MPa

2[28b桿件應(yīng)力: σmax=63.6MPa，σmin=-136.2MPa

2[25b桿件應(yīng)力: σmax=7.6MPa，σmin=-66.7MPa

(2)圍堰封底吊掛工況。

圍堰封底時(shí)，按每根吊桿受力100t計(jì)算，由程序計(jì)算得到:

2L125×12桿件最大組合應(yīng)力:σmax=35.9MPa

HM488×300桿件最大組合應(yīng)力:σmax=128MPa

2[28b桿件應(yīng)力: σmax=163.9MPa，σmin=-135.5MPa

2[25b桿件應(yīng)力: σmax=26.22MPa，σmin=-20.69MPa

(3)圍堰封底完成后抽水工況。

建立1/4整體模型，按+25.8m的設(shè)計(jì)水位對(duì)底層內(nèi)支架進(jìn)行驗(yàn)算。

則程序計(jì)算得到:

2L125×12桿件組合應(yīng)力:σmax=58MPa，σmin=-68.8MPa

HM488×300桿件組合應(yīng)力:σmax=19MPa，σmin=-137.5MPa

2[28b桿件組合應(yīng)力:σmax=27.3MPa，σmin=-63.2MPa

2[25b桿件組合應(yīng)力:σmax=3.6MPa，σmin=-52MPa

最大軸力值為: -119t

最大Mx值為: 10.1t#8226;m

絕對(duì)值最大My值為: 3.0t#8226;m

驗(yàn)算H588×300桿件強(qiáng)度與穩(wěn)定:

取上述桿件的各種內(nèi)力的最大值進(jìn)行驗(yàn)算。

Nc=-119t

Mx=10.1t#8226;m，My=3.0t#8226;m

A =192.5cm2

Wx=2926.2cm3，Wy=541 cm3

ix=20.8cm，iy=7.0cm

Lx=400.0cm，Ly=200.0cm

λx=Lx/ix=400.0/20.8=19，λy=Ly/iy=200.0/7=29

查表可得 x=0.983，y=0.939

N′Bx=8574t，N′By=3680t

γx=1.05，γy=1.2

βmx=βmy=βtx=βty=1.0

η=1.0

γtx=1.05，γty=1.0

NA+MxγxWx+MyγyWy=119×100164.4+10.1×100001.05×2926.2+3.0×100001.2×541=151MPa

NφxA+βmxMxγxWx1-0.8NN′Ex+ηβbyMyγbyWy=119×1000.983×164.4+1.0×10.1×100001.05×2926.2×1-0.8×1198574+1.0×1.0×3.0×100001.0×541=162 MPa

NφyA+ηβtxMxγtxWx+βmyMyγyWy1-0.8×NN′Ey=

119×1000.983×164.4+1.0×1.0×10.1×100001.05×2926.2+

1.0×3.0×100001.2×541×1-0.8×1193680=154 MPa

因此內(nèi)支架上、下弦強(qiáng)度及整體穩(wěn)定滿足要求。

4.2.4 圍堰封底混凝土計(jì)算

按照抽水水位+24m計(jì)算，建立封底混凝土及樁的空間數(shù)值模型，取18m的樁長(zhǎng)。計(jì)算按參數(shù)進(jìn)行，考慮了圍堰自重、封底混凝土自重、側(cè)板內(nèi)混凝土自重和側(cè)板內(nèi)充水自重等的影響。允許粘結(jié)力取值為15.0t/m2。

由樁底反力減去樁身自重后，可得到樁與封底混凝土的粘結(jié)力。

計(jì)算結(jié)果如下表2所示:

表2 樁與封底砼粘結(jié)力計(jì)算表

樁號(hào)粘結(jié)力

(t)鋼護(hù)筒直徑

(m)單位面積允許

粘結(jié)力(t/m2)封底混凝土

高度(m)粘結(jié)應(yīng)力

(t/m2)是否滿

足要求1478.63.2153.514.43滿足23663.2153.511.04滿足33443.2153.510.37滿足4470.83.2153.514.20滿足5520.13.2153.514.69滿足6505.23.2153.514.24滿足7500.83.2153.514.10滿足8380.23.2153.511.47滿足9511.43.2153.514.42滿足10532.53.2153.515.06滿足11534.43.2153.515.02滿足由以上計(jì)算結(jié)果可知局部粘結(jié)力滿足要求。

封底混凝土應(yīng)力:經(jīng)計(jì)算得到封底混凝土最大主拉應(yīng)力為0.71MPa。封底混凝土應(yīng)力滿足受力要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

雙壁鋼吊箱圍堰屬于水上橋梁施工的大臨設(shè)施，在水上施工得到了廣泛應(yīng)用。該橋主塔墩基礎(chǔ)尺寸大，承臺(tái)平面尺寸為51.2×34.2m。橋址處航運(yùn)極為繁忙;正橋橋位處水流速度大，主塔墩覆蓋層淺;長(zhǎng)江水位變化大，長(zhǎng)江汛期對(duì)橋梁基礎(chǔ)施工影響大。本橋雙壁鋼吊箱圍堰的設(shè)計(jì)及計(jì)算將為今后類似工程提供參考與借鑒。