孫俊昌,張 晨,余學(xué)林

(中南檢測(cè)技術(shù)有限公司,湖北 武漢 430040)

建造水下基礎(chǔ)的關(guān)鍵是解決深水帶來(lái)的一系列問(wèn)題[1]。如何在深水中安全、迅速、經(jīng)濟(jì)地建設(shè)橋梁下部結(jié)構(gòu),已成為國(guó)內(nèi)外工程人員重點(diǎn)研究的問(wèn)題?；訃叩膽?yīng)用越來(lái)越多,具體形式也較多[2],有鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土板樁圍堰、雙壁鋼圍堰、單壁鋼圍堰和鎖扣樁圍堰等多種圍堰形式。而鎖扣鋼管樁圍堰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,施工周期短,施工樁基時(shí)即可插打鋼管樁,對(duì)起重設(shè)備要求低,材料可回收利用,適用于軟弱覆蓋地層河床。為確保鎖扣鋼管樁圍堰結(jié)構(gòu)安全,施工前需進(jìn)行施工過(guò)程仿真分析,掌握鋼圍堰的應(yīng)力分布規(guī)律、穩(wěn)定性和變形情況。

1 工程概況

某斜拉橋主墩樁基承臺(tái)及塔座施工采用鎖扣鋼管樁圍堰,鋼管樁為Φ820×12 mm,鎖扣為Φ180×6 mm和I20b型鋼組合形式,大小鋼管間兩側(cè)采用豎向加勁板加固并與連接的鋼管滿(mǎn)焊,Φ180×6 mm鋼管切口與下一段的I20b型鋼咬合,鎖扣內(nèi)壓注防水材料。順橋向每側(cè)打設(shè)25根鎖扣鋼管,橫橋向每側(cè)打設(shè)36根鎖扣鋼管,按矩形布置,圍堰鋼管平面尺寸為38.5 m×28.6 m。

鋼管樁設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為32 m(樁頂標(biāo)高+19.00 m,樁底標(biāo)高-13.00 m),打入承臺(tái)以下16 m;第一層圍囹、第二層圍囹采用2HN700×300H型鋼,第三層圍囹、第四層圍囹采用3HN700×300H型鋼,1#斜撐采用2I56a型鋼,2#斜撐、3#斜撐采用Φ820×12 mm鋼管,封底混凝土為4 m厚的C30混凝土。鋼構(gòu)件為Q345鋼材。

根據(jù)當(dāng)?shù)厮臍庀筚Y料,取鋼圍堰外設(shè)計(jì)水位標(biāo)高為+18.00 m。

2 鋼圍堰施工流程

鋼圍堰關(guān)鍵施工流程如下。

插打鎖扣鋼管樁(同時(shí)進(jìn)行樁基施工)→下放各層圍囹→完整安裝第一層圍囹→清理鋼圍堰底部淤泥→在鋼圍堰封底混凝土四角位置插打抗拔鋼管樁→清理樁基鋼護(hù)筒、鎖扣鋼管樁、封底混凝土抗拔鋼管樁表面泥巴(確保封底混凝土與其良好黏結(jié))→澆筑封底混凝土。

水下完整安裝第三層內(nèi)撐,中間三根長(zhǎng)內(nèi)撐桿全部安裝。安裝必須確保圍囹與鎖扣鋼管樁緊密連接。

水下安裝一部分第四層內(nèi)撐,通過(guò)短內(nèi)撐將圍囹與樁護(hù)筒連接,確保圍囹與鎖扣鋼管樁緊密連接,在第四層圍囹與鋼護(hù)筒之間安裝短內(nèi)撐。

抽水至+12.00 m水位,完整安裝第二層內(nèi)撐,確保圍囹與鎖扣鋼管樁緊密連接。

抽水至+8.00 m水位,加固第三層內(nèi)撐。

抽水至+6.00 m水位,完善安裝第四層內(nèi)撐(四角四根斜內(nèi)撐和中間三根長(zhǎng)內(nèi)撐桿)。

抽水至封底混凝土。

承臺(tái)施工、拆除第四層內(nèi)撐,承臺(tái)下部與鎖扣樁之間空隙填筑砂土,承臺(tái)頂(標(biāo)高+8.00 m)與鎖扣樁接觸位置澆筑50 cm厚C30混凝土作為圈梁。

拆除第三層內(nèi)撐→圍堰內(nèi)回水至+11.00 m水位→拆除第二層兩端兩根長(zhǎng)內(nèi)撐桿。

圍堰內(nèi)回水至+18.00 m水位→拆除第一層內(nèi)撐和第二層內(nèi)撐。

拆除所有鎖扣鋼管樁。

3 有限元模型

使用midas Civil有限元程序建立鋼圍堰整體模型,進(jìn)行施工階段仿真分析。荷載:考慮自重、靜水壓力、流水壓力、風(fēng)荷載及土壓力[3],根據(jù)具體情況施加在不同施工階段。

邊界條件:鋼管樁底部邊界條件為鉸接;樁基鋼護(hù)筒底部邊界條件為固結(jié);第一層和第二層內(nèi)撐的圍囹與鎖扣鋼管樁之間為剛性連接;由于第三層和第四層內(nèi)撐是水下安裝,與鎖扣鋼管樁之間的連接采用剛性連接,但釋放轉(zhuǎn)動(dòng)自由度;承臺(tái)澆筑完畢后,承臺(tái)頂與鎖扣鋼管樁之間澆筑混凝土作為圈梁,邊界條件采用節(jié)點(diǎn)彈性支撐,只約束鎖扣鋼管樁向圍堰內(nèi)側(cè)的位移自由度,鋼管樁插入土中部分按照“m”法建立節(jié)點(diǎn)彈性支撐[4]。

單元:鋼構(gòu)件為梁?jiǎn)卧?封底混凝土利用實(shí)體單元模擬。鎖扣鋼管樁圍堰整體有限元模型如圖1所示。

圖1 鎖扣鋼管樁圍堰整體有限元模型

4 計(jì)算工況

要確保鎖扣鋼管樁圍堰受力安全可靠,必須保證各層圍囹與周?chē)i扣鋼管樁緊密連接,防止鋼圍堰受力前期產(chǎn)生過(guò)大變形。鋼圍堰設(shè)計(jì)水位標(biāo)高為+18.00 m,根據(jù)鋼圍堰施工流程及結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn),施工過(guò)程仿真分析共設(shè)置10個(gè)計(jì)算工況,如表1所示。

表1 鋼圍堰計(jì)算工況

5 計(jì)算分析結(jié)果

工況六為抽光水的階段,此時(shí)圍堰內(nèi)外水壓力差最大,接下來(lái)施工承臺(tái);工況七在承臺(tái)施工完畢,圍堰拆除第四層內(nèi)撐。圍堰在這兩個(gè)工況受力最為不利,因此重點(diǎn)分析這兩個(gè)最不利工況的計(jì)算結(jié)果。

5.1 工況六計(jì)算分析結(jié)果

(1)鎖扣鋼管樁圍堰受力情況

鎖扣鋼管樁圍堰最大組合應(yīng)力如圖2所示,由圖2可知最大組合應(yīng)力為-224.1 MPa,發(fā)生在第一層內(nèi)撐的圍囹。第三層內(nèi)撐的內(nèi)撐桿最大組合應(yīng)力為-172.9 MPa。

圖2 工況六鎖扣鋼管樁圍堰最大組合應(yīng)力圖(單位:MPa)

(2)鎖扣鋼管樁圍堰變形情況

鎖扣鋼管樁圍堰最大變形為10.42 cm,發(fā)生在迎水面鎖扣鋼管樁頂部。

(3)第三層內(nèi)撐中間長(zhǎng)內(nèi)撐桿穩(wěn)定性驗(yàn)算

中間長(zhǎng)內(nèi)撐桿為受壓彎構(gòu)件,根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50017—2017)[5]進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。

中間長(zhǎng)內(nèi)撐桿長(zhǎng)度l=26.4 m,計(jì)算長(zhǎng)度l0=μl=26.4 m,其中計(jì)長(zhǎng)度系數(shù)μ=1.0。Φ820×12 mm鋼管的慣性半徑ix=iy=28.57 cm。

長(zhǎng)細(xì)比λx=λy=l0/ix=26.4×102/28.57=92.4,由此可得穩(wěn)定系數(shù)φx=0.481。

彎矩作用平面內(nèi)的穩(wěn)定計(jì)算

符合規(guī)范要求。

5.2 工況七計(jì)算分析結(jié)果

(1)鎖扣鋼管樁圍堰受力情況

鎖扣鋼管樁圍堰最大組合應(yīng)力為-226.3 MPa發(fā)生在第一層內(nèi)撐的圍囹。第三層內(nèi)撐的內(nèi)撐桿最大組合應(yīng)力為-173.8 MPa。

(2)鎖扣鋼管樁圍堰變形情況

鎖扣鋼管樁圍堰最大變形為10.44 cm,發(fā)生在迎水面鎖扣鋼管樁頂部。

(3)第三層內(nèi)撐中間長(zhǎng)內(nèi)撐桿穩(wěn)定性驗(yàn)算

同理可得

符合規(guī)范要求。

5.3 整體穩(wěn)定性分析

在工況七對(duì)鋼圍堰進(jìn)行整體穩(wěn)定性分析,根據(jù)圍堰內(nèi)外水位變化,確定屈曲分析荷載組合項(xiàng)。不變荷載:圍堰自重、土壓力;可變荷載:風(fēng)荷載、封底混凝土上浮力、圍堰外+18.00 m流水壓力、圍堰外+18.00 m至-1.00 m靜水壓力。計(jì)算結(jié)果如圖3所示,第三層內(nèi)撐桿最先屈曲,臨界荷載系數(shù)λ=4.658,鋼圍堰整體穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求。

圖3 工況七鎖扣鋼管樁圍堰整體穩(wěn)定性分析

6 結(jié) 語(yǔ)

施工過(guò)程中必須保證鎖扣鋼管樁圍堰各層圍囹與周?chē)i扣鋼管樁緊密連接,防止鋼圍堰受力前期產(chǎn)生過(guò)大變形,才能確保鋼圍堰受力安全可靠。計(jì)算分析得到,鎖扣鋼管樁圍堰在整個(gè)施工過(guò)程中受力較安全。其中,第一層內(nèi)撐與第三層內(nèi)撐受力最大,在圍堰受力中起重要作用。鋼圍堰的內(nèi)撐桿為長(zhǎng)細(xì)桿,易發(fā)生失穩(wěn)破壞,建議抽水至+12.00 m時(shí),在第一層長(zhǎng)內(nèi)撐桿和第二層長(zhǎng)內(nèi)撐桿之間安裝橫向連接桿與豎向連接桿;抽水至+8.00 m時(shí),在第二層長(zhǎng)內(nèi)撐桿和第三層長(zhǎng)內(nèi)撐桿之間安裝橫向連接桿與豎向連接桿。研究成果給出了確保深水基礎(chǔ)鎖扣鋼管樁圍堰施工安全的關(guān)鍵點(diǎn)和結(jié)構(gòu)合理優(yōu)化建議。