【摘要】雙壁鋼圍堰作為橋梁深水基礎施工的圍水結(jié)構(gòu)，近年來在水深流急的區(qū)域橋梁復合式基礎的外圍結(jié)構(gòu)廣泛應用。本文以資水特大橋作為工程實例，通過對本大橋16#墩雙壁鋼圍堰施工階段及鋼圍堰施工完成后在各種荷載作用的結(jié)構(gòu)強度、剛度及穩(wěn)定性等方面進行分析計算，為鋼圍堰的安全施工奠定了理論基礎，對類似工程施工具有借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】雙壁鋼圍堰；施工階段；計算；分析

1.工程概況

資水特大橋坐落于湖南省桃江縣境內(nèi)資水干流下游河段上，大橋結(jié)構(gòu)為2-24m簡支梁+10-32m簡支梁+49.9+4×80+49.9連續(xù)梁+16m簡支梁，連續(xù)梁為跨越資水河的主跨，主跨與既有線橋?qū)撞贾茫戮€位于既有線上游，線間距25～40m，主跨位置線間距為40m。

本橋14～16號墩處在資水河中間，河水深8～11米，為設計通航的主墩，且河床砂卵石層比較厚，樁基成孔困難。加上資水河水位隨季節(jié)性變化較大，洪峰水位比正常水位高出10米以上，施工風險大。

其中15#、16#墩位均設12根Φ1.5m鉆孔樁，承臺為10.6m×14.6m×3m，15#、16#采用雙壁鋼圍堰施工承臺和樁基。根據(jù)現(xiàn)場施工條件，15#、16#為深水基礎，特別是16#墩的鋼圍堰最長，受力最為復雜，故選取16#深水墩基礎鋼圍堰來計算圍堰的強度、剛度及穩(wěn)定性。

2.雙壁鋼圍堰的結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)橋墩承臺的尺寸大小，16#雙壁鋼圍堰設計為矩形。因雙壁鋼圍堰需要拆除，雙壁鋼圍堰內(nèi)部尺寸比承臺外圍尺寸每邊放大0.5m，以便內(nèi)壁作為承臺模板使用，雙壁鋼圍堰內(nèi)外壁間距1.2m；承臺尺寸為10.6m×14.6m，雙壁圍堰均設計成內(nèi)徑11.6m×15.6m、外徑14m×18m的矩形。圍堰結(jié)構(gòu)豎向采用10#槽鋼作為勁性骨架，周邊為∠140×140×14角鋼焊接成壁厚1.2m的矩形框架，框架內(nèi)外焊接15mm厚的鋼板做內(nèi)外壁，形成大斷面雙壁鋼圍堰。短邊分成2個隔艙，長邊分3個隔艙，四邊共分10個隔艙。

雙壁鋼圍堰設計頂標高按施工水位36.47m考慮。16#墩考慮封底砼厚度約3m，圍堰的高度暫定為20.54m，重約522t；具體高度根據(jù)墩位處的水深做相應調(diào)整，沿高度分別分成8節(jié)，底節(jié)高度為2.5m，每節(jié)質(zhì)量約65t。（鋼圍堰結(jié)構(gòu)形式見圖1、圖2）。

3.鋼圍堰處的水文及地質(zhì)

根據(jù)對資水特大橋進行的實地勘測和詳細調(diào)查所進行的防洪評估及湖南省水利廳的審查情況，本橋設計采用水文資料主要數(shù)據(jù)如下：設計流量Qp=20667m3/s，設計水位Hp=41.63m，設計流速Vp=3.86m/s，橋位河段防洪標準為二十年一遇，達標后左岸防洪堤頂高程為41.54m。

橋址區(qū)域內(nèi)表層為第四系人工成因?qū)樱≦4ml）素填土，（Q4md）雜填土等，第四系全新統(tǒng)沖洪積（Q4al+pl）粉質(zhì)粘土，粉質(zhì)黏土、粉細砂，細圓礫土等。

4.計算荷載

16#鋼圍堰的計算荷載包括：

①鋼圍堰的結(jié)構(gòu)自重；

②在鋼圍堰頂部布置的15片貝雷梁，每一片長18米，重1.62噸，共重24.3噸；

③在貝雷梁上間距30cm布置的工字鋼，每米重量24.1kg，總重26.028噸；

④Q235厚7mm的防滑鋼板，按18×18米滿布，共重17.8038噸；

⑤滿載的混凝土罐車40噸；

⑥3臺沖擊鉆孔機械3×15=45噸；

⑦施工人員荷載：保守考慮滿布人群，按每平米0.4噸計算，總計129.6噸；

⑧攪拌運輸車每臺前后軸總重為40噸，考慮2臺布置，并且考慮1.15的動載系數(shù)，共計92噸；

⑨作用在鋼圍堰上的流水壓力，設計流速取3.86m/s；

⑩鋼圍堰1.2m雙壁內(nèi)的3m厚封底混凝土自重。

5.結(jié)構(gòu)計算模型

雙壁鋼圍堰采用空間結(jié)構(gòu)計算軟件midas7.41進行結(jié)構(gòu)分析計算，內(nèi)外壁板均取用3維板單元，豎向的槽鋼及水平橫撐均偏安全的取用3維梁單元進行計算，全鋼圍堰結(jié)構(gòu)共分為24283個節(jié)點，29852個單元，其中板單元12078個，梁單元17774個。結(jié)構(gòu)計算模型見圖3。

模型的邊界條件：鋼圍堰底部固結(jié)，在沖刷線以下的結(jié)構(gòu)部分，采用土彈簧模擬結(jié)構(gòu)與巖石的相互作用。

6.鋼圍堰應力計算

16#敦考慮封底砼厚度約3m，圍堰的高度暫定為20.54m，重約522t；沿高度分別分成4節(jié)，底節(jié)節(jié)段高度為5m，施工共分為5個階段。

6.1施工階段應力計算

⑴施工第一節(jié)鋼圍堰

在第一節(jié)鋼圍堰施工中，由圖4～圖5中可以看出，鋼圍堰的雙壁及槽鋼橫向連接等的應力最大僅為1.8MPa。在這一節(jié)的圍堰施工中，由于內(nèi)外水流壓力是平衡的，所以圍堰結(jié)構(gòu)受到的荷載主要是結(jié)構(gòu)自身的重力，因此結(jié)構(gòu)的應力較小。

⑵施工第二節(jié)鋼圍堰

在第二節(jié)鋼圍堰施工中，采用空間結(jié)構(gòu)計算軟件進行結(jié)構(gòu)分析計算，鋼圍堰結(jié)構(gòu)的板頂最大應力為1.68MPa，板底最大應力為1.6MPa，梁單元的最大應力為2.3MPa。在第二節(jié)的圍堰施工中，內(nèi)外水流的壓力依然也是平衡的，因此圍堰結(jié)構(gòu)的應力也比較小。

⑶施工第三節(jié)鋼圍堰

在第三節(jié)鋼圍堰施工中，經(jīng)軟件計算，鋼圍堰結(jié)構(gòu)的板頂最大應力為2.33MPa，板底最大應力為2.35MPa，梁單元的最大應力為3.46MPa。在第三節(jié)的圍堰施工中，圍堰結(jié)構(gòu)的應力依然較小。

⑷施工第四節(jié)鋼圍堰

在第四節(jié)鋼圍堰施工中，經(jīng)軟件計算，鋼圍堰結(jié)構(gòu)的板頂最大應力為3.12MPa，板底最大應力為3.15MPa，梁單元的最大應力為4.68MPa。在第四節(jié)的圍堰施工中，結(jié)構(gòu)應力較小，最大僅為4.7 MPa。

6.2鋼圍堰施工完成后，在各種荷載作用下的計算結(jié)果

⑴應力計算結(jié)果

通過軟件計算，在各種荷載作用下，鋼圍堰雙壁鋼板的板頂單元最大應力為102MPa，板底單元最大應力為96MPa，且板頂及板底的最大應力是由于局部的應力集中所導致；梁單元的最大應力為68MPa。

⑵位移計算結(jié)果

在各種荷載作用下，由圖6的結(jié)構(gòu)變位圖可以看出，雙壁鋼圍堰在各種荷載的作用下，最大位移為沿水流方向的位移4.9mm。

6.3鋼圍堰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算

由圖7可以看出，鋼圍堰結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下的結(jié)構(gòu)彈性穩(wěn)定系數(shù)為35.7。

6.4整體抗浮驗算

由于圍堰內(nèi)抽干水后，內(nèi)外水壓力差形成的力將對其產(chǎn)生向上浮力，將由圍堰自重、支護自重、圍堰艙內(nèi)注水及混凝土自重來平衡。

7.結(jié)語

資水特大橋深水基礎采用雙壁鋼圍堰施工技術(shù)，通過科學分析計算鋼圍堰在施工階段中和完成后各種荷載作用下的工況應力、剛度、穩(wěn)定性等，保證了大橋主墩深水基礎安全順利完工，同時為項目節(jié)約了成本，為今后類似橋梁工程基礎施工積累了豐富的經(jīng)驗。

參考文獻

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