蘇宏岸 石九州 任 毅

中建三局基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司 湖北 武漢 430064

1 工程概況

武漢市羅家灣灄水河大橋全長845 m，寬32.5 m。主墩（12#、13#）承臺為分離式矩形墩，均嵌入灄水河強風化片巖中，單個承臺尺寸為13.5 m×13.5 m×3.5 m，左右幅承臺間距3 m。其中，12#墩處常年水深超過8 m，承臺埋深5.1 m，覆蓋層厚2.1 m，主要為砂卵石，下臥巖層為強、中風化片巖（圖1）。

圖1 12#墩基礎(chǔ)布置

2 施工方案初步設(shè)計

本橋基礎(chǔ)為矩形布設(shè)，承臺處于深水條件，覆蓋層較薄，下臥巖層堅硬，鋼板樁與鋼管柱圍堰難以實施，初步選定采用雙壁鋼套箱圍堰進行承臺施工。雙壁鋼套箱圍堰具有強度高、剛度大、防水性能好的特點[1-3]，其結(jié)構(gòu)靈活多變，應(yīng)用方式多樣，通過結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化，以及堰底基巖開槽輔助下沉等措施，能較好地適應(yīng)本橋梁墩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及地質(zhì)特點。

2.1 圍堰初步設(shè)計

該主墩承臺圍堰設(shè)計為矩形雙壁鋼套箱圍堰，長35.20 m，寬18.70 m，堰壁間厚度1.35 m，內(nèi)壁距承臺1.25 m。圍堰鋼材總質(zhì)量約574.1 t，總設(shè)計高度為18 m，設(shè)計頂標高為＋22.404 m，超出施工期間（枯水期）最高水位40 cm。

圍堰設(shè)計為上下2個節(jié)段，首節(jié)高10 m，第2節(jié)段高8 m，各分為18塊以方便預(yù)制拼裝。壁體主要由豎肋、水平加勁板、壁間支撐、隔倉板、支撐加強板及內(nèi)外壁板構(gòu)成。

豎肋采用∠75 mm×50 mm×5 mm，圍堰水平加勁板、支撐加強板及隔倉板均采用厚12 mm鋼板，壁間支撐采用∠100 mm×8 mm，內(nèi)外壁板厚6 mm。內(nèi)外壁之間通過壁間支撐連接而形成整體，圍堰內(nèi)設(shè)有2層內(nèi)支撐，以使圍堰整體受力（圖2）。

圖2 12#墩圍堰布置

2.2 基礎(chǔ)施工方案設(shè)計

基礎(chǔ)施工采用“先樁后堰”的施工順序，利用水上鋼平臺完成樁基施工后，對樁基護筒進行接長，下部焊接牛腿作為臨時吊裝支座，頂部架設(shè)貝雷梁作為下放吊臂，以實現(xiàn)鋼圍堰各節(jié)段的原位拼裝和懸吊下放。鋼圍堰各塊預(yù)制完成后，在臨時吊裝支座上進行第1節(jié)段拼裝，拼裝完成并質(zhì)量檢驗合格后利用懸吊下放系統(tǒng)下放，待其自浮后定位，并進行第2節(jié)段的拼裝。圍堰整體拼裝完成并質(zhì)量檢驗合格后進行刃角混凝土澆筑，達到強度要求后注水下沉，到位后進行封底、抽水，以實現(xiàn)圍堰內(nèi)無水環(huán)境下的承臺施工。

3 施工過程分析

由于當前行業(yè)并沒有一套系統(tǒng)的標準來規(guī)范雙壁鋼圍堰的設(shè)計和應(yīng)用，基礎(chǔ)施工方案設(shè)計主要依賴于工程經(jīng)驗。然而，不合理的方案設(shè)計會帶來較大的施工安全隱患或者材料浪費，因此，依托準確的受力計算進行合理的圍堰施工方案設(shè)計十分重要。

根據(jù)初步設(shè)計方案，采用Midas Civil有限元分析軟件建立鋼圍堰模型，分下放、著床、抽水等多個工況對圍堰施工過程中的各種不利情況進行了受力模擬分析[4]。分析時，內(nèi)外壁板、水平加勁板、隔倉板及支撐加強板采用板單元，豎楞采用梁單元，水平桁架采用桁架單元，整體模型建成后，分下放、著床以及抽水3組工況進行加載和計算。

3.1 圍堰下放工況分析

圍堰下放時，對應(yīng)吊點位置，在內(nèi)壁水平環(huán)板與支撐加強板位置焊接6個承插式耳板，每個耳板可連接4根精軋螺紋鋼作為圍堰吊點（圖3）。建模中，考慮耳板底板與精軋螺紋鋼連接區(qū)域為局部受壓，故設(shè)置邊界為點彈簧。

圖3 圍堰吊點布置及下放示意

根據(jù)計算結(jié)果（圖4、圖5），第1節(jié)段圍堰下放過程中，耳板最大應(yīng)力發(fā)生在底板吊點處，為253.6 MPa，小于Q235鋼端面承壓強度設(shè)計值325 MPa；另外，豎向板頂部鈍角處有應(yīng)力集中現(xiàn)象，達到201.3 MPa，鋼圍堰最大應(yīng)力發(fā)生在內(nèi)壁板與豎向板頂部接觸處，為111.3 MPa，均小于抗拉、抗壓和抗彎強度設(shè)計值215 MPa。

圖4 耳板模型

圖5 耳板應(yīng)力云圖

耳板近內(nèi)壁側(cè)2個吊點總反力分別為321、317 kN，遠側(cè)2個吊點總反力分別為165、168 kN，這也反映了單個耳板的4處吊點并不是均衡受力，耳板結(jié)構(gòu)形式與吊點分布影響了力的分配。

3.2 圍堰著床工況分析

圍堰設(shè)計底標高位于中分化片巖中，由于該地層地質(zhì)堅硬，圍堰依靠自重下沉困難，故對圍堰下放位置的河床進行成槽施工，以便圍堰順利下放至設(shè)計高程。當圍堰靠自身重力自浮穩(wěn)定后，向圍堰內(nèi)注水，使圍堰著床，當圍堰刃角著床時，圍堰外水頭高為11.9 m，圍堰壁間注水水頭高為7 m。建模邊界條件假設(shè)：刃腳上節(jié)點只限制豎直方向位移，巖層面位置限制水平方向位移[5]。

此工況中，雖然圍堰并未安裝內(nèi)支撐，但由于圍堰壁間水頭與圍堰外水頭差距較小，模擬計算結(jié)果顯示，圍堰結(jié)構(gòu)最大變形僅1.9 mm；內(nèi)外壁板最大應(yīng)力151.0 MPa，水平環(huán)板、豎向加強板等連接板最大應(yīng)力46.0 MPa，均小于設(shè)計強度標準。另外，水平桁架穩(wěn)定性和背楞正應(yīng)力、剪應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

3.3 圍堰抽水工況分析

當封底混凝土達到設(shè)計強度后，分階段抽水并進行內(nèi)支撐安裝。此過程分為3個工況分別進行驗算，工況1為抽水至第1道內(nèi)支撐下0.5 m；工況2為抽水至第2道內(nèi)支撐下0.5 m，第1道內(nèi)支撐已安裝；工況3為抽水至圍堰底并完成內(nèi)部開挖，此時所有內(nèi)支撐均已安裝完畢。該模擬分析中，均以刃腳上節(jié)點限制豎直方向位移，各工況內(nèi)外壁巖面位置限制水平方向位移。經(jīng)計算，抽水工況3為此過程中的最不利工況（圖6～圖9）。

圖6 抽水工況3圍堰整體變形

圖7 抽水工況3圍堰外壁板應(yīng)力

圖8 抽水工況3水平環(huán)板應(yīng)力

圖9 抽水工況3支撐加強板應(yīng)力

綜上，該工況下圍堰存在較大變形，最大達到11.7 mm，各部件應(yīng)力水平較高，特別是環(huán)板、支撐加強板等輔助板局部最大應(yīng)力達到了211.4 MPa，均接近強度設(shè)計值215 MPa[6]，這說明圍堰結(jié)構(gòu)雖然基本滿足規(guī)范要求，但局部設(shè)計不盡合理，存在一定的安全隱患，需進行優(yōu)化。

4 方案優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)初步方案模擬計算結(jié)果，圍堰結(jié)構(gòu)中最大應(yīng)力主要發(fā)生在各構(gòu)件連接處，如內(nèi)支撐對應(yīng)位置的內(nèi)壁板、水平環(huán)板，這也反映了鋼圍堰內(nèi)部力傳遞的實際情況。在圍堰的初步設(shè)計中，也對該類位置采取了一定的結(jié)構(gòu)加強措施，例如在內(nèi)支撐位置內(nèi)外壁間增設(shè)豎向加強板、水平環(huán)板局部加寬等，但是根據(jù)模擬計算結(jié)果來看，效果并不理想。

對此，結(jié)合初步方案設(shè)計計算結(jié)果，針對性地進行了鋼圍堰施工方案的優(yōu)化設(shè)計，主要如下：

1）圍堰吊裝時，采用6組貼片式耳板替換承插式耳板，以解決承插式耳板吊點荷載分配不均的問題，具有更好的穩(wěn)定性。另外，貼片式耳板通過開槽焊接的方式，能很好地保證連接強度，同時耳板與內(nèi)壁板貼合，力的傳遞路徑基本在一個平面上，能有效避免局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，降低耳板應(yīng)力水平（圖10、圖11）。

圖10 承插式耳板示意

圖11 貼片式耳板示意

2）內(nèi)支撐對應(yīng)位置的支撐加強板調(diào)整為豎向通長，提高圍堰結(jié)構(gòu)的整體剛度，保證圍堰結(jié)構(gòu)內(nèi)部力傳遞的合理性。

3）將背楞與水平桁架布設(shè)模數(shù)進行匹配，確保水平桁架角點處對應(yīng)有豎楞，使豎楞、桁架與水平環(huán)板一起形成有效連接的空間網(wǎng)格狀骨架，確保內(nèi)外壁之間力的傳遞合理，避免局部應(yīng)力的集中[7-8]。

經(jīng)優(yōu)化調(diào)整后，再次建模進行驗算對比，得出最不利工況計算結(jié)果（表1）。

由表1可以發(fā)現(xiàn)，鋼圍堰經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整后，各結(jié)構(gòu)部件應(yīng)力水平均有了一定程度的降低，整體變形也有減小。這說明，結(jié)合初步方案設(shè)計模擬結(jié)果進行的針對性優(yōu)化調(diào)整具有良好的效果，圍堰結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布較優(yōu)化前更為合理。

表1 圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果對比

5 結(jié)語

1）基礎(chǔ)施工方案初步設(shè)計中，通過有限元分析軟件進行模擬分析，結(jié)合分析結(jié)果進行優(yōu)化設(shè)計，能較好地反映初步設(shè)計方案是否合理，彌補經(jīng)驗計算無法揭示的局部設(shè)計瑕疵。

2）在圍堰下放吊點布設(shè)時，與承插式耳板相比，貼片式耳板的傳力更為直接，應(yīng)力分布也更加合理，具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢。

3）雙壁鋼圍堰豎楞、水平環(huán)板、桁架、豎向加強板等需各自實現(xiàn)直接連接，以形成有效的空間網(wǎng)絡(luò)骨架，確保力的合理傳遞以及整體穩(wěn)定。