主墩承臺鋼板樁水中圍堰設計與受力分析

劉 鵬

(湖南婁底路橋建設有限責任公司，湖南 婁底 417000)

主墩承臺鋼板樁水中圍堰設計與受力分析

劉 鵬

(湖南婁底路橋建設有限責任公司，湖南 婁底 417000)

基于陳家垅資水大橋9號主墩承臺鋼板樁水中圍堰工程實例，采用有限元軟件MIDAS CIVIL建立三維整體模型，對鋼板樁、內支撐梁和鋼管的組合結構進行空間受力分析，結果表明，該墩承臺鋼板樁水中圍堰結構在強度、穩定性、變形等方面都符合要求。

鋼板樁，圍堰設計，受力分析，內支撐

1 工程概況

陳家垅資水大橋為G354冷水江至新化公路上跨資水的重要橋梁之一，是湖南省重點工程婁底大道的重要組成路段，主橋上部結構采用(6×30 m)先簡支后連續T梁+(71 m+125 m+125 m+71 m)現澆變截面混凝土連續箱梁+(10×30 m)先簡支后連續T梁，橋梁全長為877.15 m；主橋下部結構采用鉆孔灌注樁基礎，鋼筋混凝土矩形門式橋墩，其中8號、9號主墩為水中墩，左、右承臺尺寸均為11.6 m(橫橋向)×9 m(順橋向)×4 m(高度)，承臺下設4根直徑2.2 m鉆孔樁。鋼板樁所處土層主要分布為卵石(156.27 m～151.27 m)、灰巖(151.27 m～143.50 m)，主墩最深入為常水位以下10.8 m處，水中基礎施工難度較大，基礎采取施工棧橋配合水上施工平臺輔助措施。

2 鋼板樁圍堰設計

以陳家垅資水大橋9號主墩圍堰為例，設計洪水頻率1/100，施工常水位+164.0 m，近5年11月～5月最高水位+166.0 m。根據設計圖紙、水文資料、鉆孔柱狀圖等地質資料以及現場踏勘情況，9號主墩承臺施工擬采用鋼板樁圍堰法，圍堰考慮能滿足在+166.0 m水位下施工，設計考慮鋼板樁需要進入河床灰巖1 m且鋼板樁底標高應低于承臺底2 m，計取鋼板樁長為18 m。承臺底標高為+153.206 m，頂標高為+157.206 m，圍堰頂高程為+166.706 m，圍堰底高程為+148.706 m，圍堰平面尺寸為30×12 m(考慮左右兩承臺作一個圍堰，圍堰順橋向模板安裝及施工操作空間計取2×1.5 m)。內支撐共設置五道：第一道～第二道內支撐圈梁采用雙拼工字鋼Ⅰ45b、支撐鋼管采用φ500×10；第三道～第四道內支撐圈梁采用雙拼工字鋼Ⅰ56b、支撐鋼管采用φ630×10；第五道內支撐圈梁采用雙拼工字鋼Ⅰ63b、支撐鋼管采用φ630×10，各層內支撐間距為3 m，3 m，2.5 m，2.5 m。鋼板樁采用國產拉森Ⅳ型(截面參數：面積242.5 cm2/m、慣性矩38 600 cm2/m、截面矩2 270 cm3/m)，材質為SY295。鋼板樁圍堰順橋向立面見圖1，內支撐平面布置見圖2。

3 鋼板樁圍堰受力計算

為簡化計算，常用土壓力等于0點的位置來代替正負彎矩轉折點的位置；同時做出如下假設以方便計算[1]：1)計算時取1 m寬單位寬度鋼板樁；2)彎矩為0的位置約束設置為鉸接，故等值梁相當于一個簡支梁；3)假設鋼板樁在基坑灰巖面及封底混凝土面以下0.5 m處固結，在MIDAS中限制全部約束。

3.1 計算工況

工況一：第一道內支撐安裝后，圍堰內抽水至+162.50 m。工況二：第二道內支撐安裝后，圍堰內抽水至+159.50 m。工況三：第三道內支撐安裝后，圍堰內抽水至+157.00 m。工況四：第四道內支撐安裝后，圍堰內抽水清卵石至+154.50 m。工況五：第五道內支撐安裝后，圍堰內抽水清卵石至+152.706 m。工況六：封底混凝土達到強度后，拆除第五道內支撐。

表1 土層地質參數，主、被動土壓力系數及被動土壓力修正系數

土層層頂標高/m層底標高/m容重kN/m3內摩擦角(°)KaKaKpKpK卵石+156.27151.2721.5380.2380.4484.19172.0471灰巖151.27143.50偏于安全,計算按卵石層參數考慮

分別可求出：

主動土壓力：Pa=γ卵Ka×y。

被動土壓力：Pb=γ卵KKp×y。

水壓力：Pw=γw×3.5。

根據各工況主動土壓力、被動土壓力、水壓力、反彎點距離y，再分別計算鋼板樁內力及內支撐反力[3]，見表2。

3.2 鋼板樁內力驗算

根據表2可知，鋼板樁最大彎矩(443kN·m)發生在工況一，計算如下：

結論：鋼板樁內力滿足要求。

3.3 內支撐有關驗算

表2 鋼板樁內力及內支撐反力

3.3.1 強度驗算

根據表2可知，第五道內支撐反力為621.0kN，為所有工況里面最大支撐反力，結構取受力最大的第五道內支撐進行驗算。該內支撐圈梁采用雙拼Ⅰ63b，支撐鋼管采用φ630×10，受力采用MIDASCIVIL建立有限元模型進行空間分析。整體建模時只考慮鋼板樁和內支撐組成的鋼板樁圍堰，土層與它們之間的相互作用以及內外水壓力差均作為荷載考慮[4]，其中鋼板樁采用殼單元模擬，內支撐采用梁單元模擬，其計算結果表明：鋼管最大軸力為2 340kN，內撐最大變形為6mm

結論：變形在容許范圍內，內撐圈梁和鋼管強度滿足要求。

3.3.2 穩定性驗算

強度計算結果表明：φ630×10mm鋼管最大軸力2 340kN。

已知： A=1.95×102cm2，I=9.36×104cm4。

查GB 50017—2003鋼結構設計規范，穩定系數φ=0.90。

σ=N/(Aφ)<[σ]=215 MPa。

[N]=[σ]×A×φ=215×103×1.95×10-2×

0.90=3 773 kN>2 340 kN。

結論：鋼管的穩定性滿足要求。

4 結語

鋼板樁圍堰施工前應根據實際地質、水文情況、橋型布置等做好方案設計[5]，明確施工工期、施工方法、工藝流程及鋼板樁型號、內支撐結構，并進行相關驗算。本文基于陳家垅資水大橋9號主墩承臺鋼板樁水中圍堰工程實例，采用有限元軟件MIDAS CIVIL建立三維整體模型對鋼板樁、內支撐梁和鋼管的組合結構進行空間受力分析，計算結果表明：該墩承臺鋼板樁水中圍堰結構在強度、穩定性、變形等方面符合要求。施工實踐證明了此方案設計合理性，對類似工程具有借鑒意義。

[1] 陳壽忠.橋梁深水基礎鋼板樁圍堰設計與驗算[J].建設科技,2016(12):113-116.

[2] 李學建.望虞河大橋主墩鋼板樁圍堰設計[J].交通科技,2010(S2):32-34.

[3] 崔 浩.鋼板樁圍堰的設計與施工[J].公路,2008(2):68-71.

[4] 王 禹,周順華,費志高,等.逆作法鋼板樁深水圍堰多點分層疊加下放內支撐施工技術與應用[J].湖南交通科技,2016(1):97-100.

[5] 駱宏成,樊 恩,錢 燁.蘇州界浦河大橋主墩承臺鋼板樁圍堰施工技術方案[J].公路交通科技(應用技術版),2012(4):171-175.

[6] GB 50017—2003，鋼結構設計規范[S].

Analysis on in-water cofferdam design and stress of major-pier cushion steel sheet pile

Liu Peng

(HunanLoudiHighwayBridgeConstructionCo.,Ltd,Loudi417000,China)

Based on in-water cofferdam engineering example of No.9 major-pier cushion steel sheet pile of Chejialongzishui bridge, applying finite element software MIDAS CIVIL, the paper establishes 3D integral model, and carries out spatial stress analysis for the steel sheet pile, interior bracing beam and steel tube composite structure. Results show that: the strength, stability and deformation of in-water cofferdam structure of the pier cushion steel sheet pile meet demands.

steel sheet pile, cofferdam design, stress analysis, interior bracing

1009-6825(2017)22-0177-03

2017-05-24

劉 鵬(1982- )，男，工程師

U443.15

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