劉 鵬

(湖南婁底路橋建設(shè)有限責(zé)任公司，湖南 婁底 417000)

主墩承臺(tái)鋼板樁水中圍堰設(shè)計(jì)與受力分析

劉 鵬

(湖南婁底路橋建設(shè)有限責(zé)任公司，湖南 婁底 417000)

基于陳家垅資水大橋9號(hào)主墩承臺(tái)鋼板樁水中圍堰工程實(shí)例，采用有限元軟件MIDAS CIVIL建立三維整體模型，對(duì)鋼板樁、內(nèi)支撐梁和鋼管的組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間受力分析，結(jié)果表明，該墩承臺(tái)鋼板樁水中圍堰結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度、穩(wěn)定性、變形等方面都符合要求。

鋼板樁，圍堰設(shè)計(jì)，受力分析，內(nèi)支撐

1 工程概況

陳家垅資水大橋?yàn)镚354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(diǎn)工程婁底大道的重要組成路段，主橋上部結(jié)構(gòu)采用(6×30 m)先簡(jiǎn)支后連續(xù)T梁+(71 m+125 m+125 m+71 m)現(xiàn)澆變截面混凝土連續(xù)箱梁+(10×30 m)先簡(jiǎn)支后連續(xù)T梁，橋梁全長為877.15 m；主橋下部結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，鋼筋混凝土矩形門式橋墩，其中8號(hào)、9號(hào)主墩為水中墩，左、右承臺(tái)尺寸均為11.6 m(橫橋向)×9 m(順橋向)×4 m(高度)，承臺(tái)下設(shè)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?guī)r(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(chǔ)施工難度較大，基礎(chǔ)采取施工棧橋配合水上施工平臺(tái)輔助措施。

2 鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)

以陳家垅資水大橋9號(hào)主墩圍堰為例，設(shè)計(jì)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(jù)設(shè)計(jì)圖紙、水文資料、鉆孔柱狀圖等地質(zhì)資料以及現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況，9號(hào)主墩承臺(tái)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(shè)計(jì)考慮鋼板樁需要進(jìn)入河床灰?guī)r1 m且鋼板樁底標(biāo)高應(yīng)低于承臺(tái)底2 m，計(jì)取鋼板樁長為18 m。承臺(tái)底標(biāo)高為+153.206 m，頂標(biāo)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(tái)作一個(gè)圍堰，圍堰順橋向模板安裝及施工操作空間計(jì)取2×1.5 m)。內(nèi)支撐共設(shè)置五道：第一道～第二道內(nèi)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(nèi)支撐圈梁采用雙拼工字鋼Ⅰ56b、支撐鋼管采用φ630×10；第五道內(nèi)支撐圈梁采用雙拼工字鋼Ⅰ63b、支撐鋼管采用φ630×10，各層內(nèi)支撐間距為3 m，3 m，2.5 m，2.5 m。鋼板樁采用國產(chǎn)拉森Ⅳ型(截面參數(shù)：面積242.5 cm2/m、慣性矩38 600 cm2/m、截面矩2 270 cm3/m)，材質(zhì)為SY295。鋼板樁圍堰順橋向立面見圖1，內(nèi)支撐平面布置見圖2。

3 鋼板樁圍堰受力計(jì)算

為簡(jiǎn)化計(jì)算，常用土壓力等于0點(diǎn)的位置來代替正負(fù)彎矩轉(zhuǎn)折點(diǎn)的位置；同時(shí)做出如下假設(shè)以方便計(jì)算[1]：1)計(jì)算時(shí)取1 m寬單位寬度鋼板樁；2)彎矩為0的位置約束設(shè)置為鉸接，故等值梁相當(dāng)于一個(gè)簡(jiǎn)支梁；3)假設(shè)鋼板樁在基坑灰?guī)r面及封底混凝土面以下0.5 m處固結(jié)，在MIDAS中限制全部約束。

3.1 計(jì)算工況

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

表1 土層地質(zhì)參數(shù)，主、被動(dòng)土壓力系數(shù)及被動(dòng)土壓力修正系數(shù)

土層層頂標(biāo)高/m層底標(biāo)高/m容重kN/m3內(nèi)摩擦角(°)KaKaKpKpK卵石+156.27151.2721.5380.2380.4484.19172.0471灰?guī)r151.27143.50偏于安全,計(jì)算按卵石層參數(shù)考慮

分別可求出：

主動(dòng)土壓力：Pa=γ卵Ka×y。

被動(dòng)土壓力：Pb=γ卵KKp×y。

水壓力：Pw=γw×3.5。

根據(jù)各工況主動(dòng)土壓力、被動(dòng)土壓力、水壓力、反彎點(diǎn)距離y，再分別計(jì)算鋼板樁內(nèi)力及內(nèi)支撐反力[3]，見表2。

3.2 鋼板樁內(nèi)力驗(yàn)算

根據(jù)表2可知，鋼板樁最大彎矩(443kN·m)發(fā)生在工況一，計(jì)算如下：

結(jié)論：鋼板樁內(nèi)力滿足要求。

3.3 內(nèi)支撐有關(guān)驗(yàn)算

表2 鋼板樁內(nèi)力及內(nèi)支撐反力

3.3.1 強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)表2可知，第五道內(nèi)支撐反力為621.0kN，為所有工況里面最大支撐反力，結(jié)構(gòu)取受力最大的第五道內(nèi)支撐進(jìn)行驗(yàn)算。該內(nèi)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(jìn)行空間分析。整體建模時(shí)只考慮鋼板樁和內(nèi)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(nèi)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(nèi)支撐采用梁?jiǎn)卧M，其計(jì)算結(jié)果表明：鋼管最大軸力為2 340kN，內(nèi)撐最大變形為6mm

結(jié)論：變形在容許范圍內(nèi)，內(nèi)撐圈梁和鋼管強(qiáng)度滿足要求。

3.3.2 穩(wěn)定性驗(yàn)算

強(qiáng)度計(jì)算結(jié)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，穩(wěn)定系數(shù)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(jié)論：鋼管的穩(wěn)定性滿足要求。

4 結(jié)語

鋼板樁圍堰施工前應(yīng)根據(jù)實(shí)際地質(zhì)、水文情況、橋型布置等做好方案設(shè)計(jì)[5]，明確施工工期、施工方法、工藝流程及鋼板樁型號(hào)、內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)算。本文基于陳家垅資水大橋9號(hào)主墩承臺(tái)鋼板樁水中圍堰工程實(shí)例，采用有限元軟件MIDAS CIVIL建立三維整體模型對(duì)鋼板樁、內(nèi)支撐梁和鋼管的組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間受力分析，計(jì)算結(jié)果表明：該墩承臺(tái)鋼板樁水中圍堰結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度、穩(wěn)定性、變形等方面符合要求。施工實(shí)踐證明了此方案設(shè)計(jì)合理性，對(duì)類似工程具有借鑒意義。

[1] 陳壽忠.橋梁深水基礎(chǔ)鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)與驗(yàn)算[J].建設(shè)科技,2016(12):113-116.

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

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

[4] 王 禹,周順華,費(fèi)志高,等.逆作法鋼板樁深水圍堰多點(diǎn)分層疊加下放內(nèi)支撐施工技術(shù)與應(yīng)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(tái)鋼板樁圍堰施工技術(shù)方案[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2012(4):171-175.

[6] GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)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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