嚴江濤

(中鐵十八局集團第二工程有限公司,河北唐山 063000)

近年來,隨著我國鐵路事業(yè)的不斷發(fā)展,鐵路的運營里程截至2022 年年末達到15.5 萬公里。其中,橋梁里程占總里程數(shù)的20%～30%,在部分高速鐵路線路中占比甚至突破50%[1-2]。對于水深6 m以上的深水基礎施工,若水上施工平臺設計不當,極易引發(fā)安全事故[3]。為保證大跨度涉水橋梁的深水基礎施工平臺的安全性,橋梁深水基礎中常采用鋼圍堰的形式進行施工。

鋼套箱圍堰是廣泛應用于橋梁深水基礎施工中的一種擋水結(jié)構(gòu)[4-5]。鋼套箱圍堰通常采用鋼板制造的無底圍護結(jié)構(gòu),必要時內(nèi)加支撐體系及混凝土封底,從而擋住套箱外側(cè)水土并形成施工空間。鋼套箱圍堰的構(gòu)造形式有單壁式、雙壁式以及單雙壁組合式,其平面形狀有圓形和矩形(包含圓端形)兩種。其中,雙壁鋼圍堰以其剛度大、強度高、整體性好、施工風險可控且能承受較大水壓等優(yōu)點被廣泛應用于深水急流中的橋梁修筑工程[6-8]。

本項目以某特大橋20#墩的雙壁鋼圍堰為例,分析雙壁鋼圍堰在施工階段各工況中的受力狀態(tài)及變形特性,提出施工過程中應重點監(jiān)測的階段與部位,為工程的順利實施提供理論依據(jù)。

1 工程及水文地質(zhì)情況

1.1 特大橋工程概況

某特大橋的涉水部分為(80+160+80)m 的預應力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋,橋型立面布置如圖1 所示。該橋墩臺基礎采用鉆孔灌注樁基礎,其中20#墩基礎結(jié)構(gòu)的橫橋向尺寸為17.6 m、順橋向尺寸為12.2 m、高為5 m。該承臺下布置有10 根直徑為2 m 的鉆孔灌注樁,樁長均為52 m。

圖1 橋型立面布置(單位:m)

1.2 橋址水文地質(zhì)條件

主橋區(qū)即18#墩～21#墩,河床底上覆地層自上至下為砂層、礫石層、泥盆系帽子峰組(D3m)弱風化粉砂巖層。河床面趨于平穩(wěn),標高在0.2～2.8 m 之間。

該河流所處區(qū)域降雨量大,河流流量主要依靠雨水補給,年平均流量達1 430 m3/s。但河流流量受季節(jié)降雨量影響較大,年內(nèi)流量分配不均勻,具有明顯的汛期與枯水期,汛期1 個月內(nèi)的流量可占年徑流量的20%。根據(jù)水文勘察資料得出橋址處最大水深為11.06 m,洪水最大流量為15 840 m3/s,五年一遇洪水位為17.30 m。

1.3 雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)設計

20#墩采用雙壁鋼圍堰方案作為該平臺的施工方案。該雙壁鋼圍堰外徑為23 m、內(nèi)徑為20.6 m、壁厚為1.2 m,圍堰高31.315 m,共分為7 層,由下至上每層高度分別為5.75 m、5.00 m、3.90 m、4.00 m、4.20 m、4.40 m、4.065 m,封底混凝土厚度為4 m,20#墩雙壁鋼圍堰立面布置如圖2 所示。根據(jù)現(xiàn)有水上起重設備的起重能力要求,為方便運輸及安裝,雙壁鋼圍堰沿平面方向等分為8 塊,每2 塊之間設置隔板倉,壁厚為12 mm,20#墩雙壁鋼圍堰平面布置如圖3 所示。

圖3 20#墩雙壁鋼圍堰平面布置(單位:mm)

雙壁鋼圍堰在結(jié)構(gòu)上由內(nèi)外壁板、水平桿、水平環(huán)肋、豎肋、隔倉板等組成,考慮到結(jié)構(gòu)的機械性能和化學成分要求,所有構(gòu)件均采用Q235 鋼,20#墩雙壁鋼圍堰材料規(guī)格如表1 所示。

表1 20#墩雙壁鋼圍堰材料規(guī)格

2 有限元模型構(gòu)建

2.1 有限元模型

本項目采用有限元分析軟件Midas Civil 建立特大橋20#墩的雙壁鋼圍堰有限元模型。其中采用板單元模擬外壁、內(nèi)壁及隔板倉,采用梁單元模擬環(huán)肋、豎肋及水平連桿,采用共用節(jié)點的方式將雙壁鋼圍堰中的不同構(gòu)件進行連接。鋼圍堰刃腳處采用實體單元模擬C30 封底混凝土,因其與河床底基巖嵌固,在進行有限元分析時鋼圍堰底部采用固結(jié)的連接方式。

20#墩的雙壁鋼圍堰有限元模型共計節(jié)點31 316 個、單元57 796 個。

有限元模型如圖4 所示。

圖4 有限元模型

2.2 荷載計算

2.2.1 靜水壓力

根據(jù)鋼套箱設計及河床表面位置,將鋼套箱內(nèi)未灌注混凝土的部分按全部承受外部水壓力進行計算,靜水壓力p的計算公式如式(1)所示。

式中,γw為水的重度,取9.81 kN/m3;H為計算點處的作用水頭,按計算水位與計算點的高差確定。

計算高度為17.3 m-(-2.835 m)=20.135 m,靜水壓力為三角形分布,上部為0,下部為201.35 kN/m。

2.2.2 流水壓力

河水在流動時會對雙壁鋼圍堰造成沖刷,產(chǎn)生流水壓力,流水壓力P的計算公式如式(2)所示。

式中,K為圍堰形狀系數(shù),此處K取0.73;A為鋼圍堰阻水面積,m2;ρ為水的密度,t/m3;v為河流流速,m/s。

鋼圍堰阻水面積A=23 m×20.135 m≈463.1 m2。

根據(jù)當?shù)厮馁Y料可知,洪水期最大流水速度為1.5 m/s,鋼套箱承受的流水壓力

按照迎水面及承受流水的高度折算上下的面荷載

河流流速隨深度的增大而減小,且在底面處接近0,此處圍堰所受到的流水壓力按照倒三角的形式進行加載,即上部為1 kN/m2,下部為0,作用于迎水面外壁板徑向。流水作用簡化計算示意如圖5 所示,流水作用加載示意如圖6 所示。

圖5 流水作用簡化計算示意

圖6 流水作用加載示意

2.2.3 施工荷載

施工荷載包含樁基施工機械荷載和施工人員荷載,有限元仿真分析時將該荷載以均布荷載的形式線形設置于雙壁鋼圍堰底部封底混凝土上,均布荷載取值為5 kN/m2。施工荷載加載示意如圖7所示。

圖7 施工荷載加載示意

2.2.4 內(nèi)外壁間水壓力

首節(jié)圍堰拼裝完成,下放并達到自浮狀態(tài)后,需向內(nèi)外壁間灌注混凝土或進行倉內(nèi)灌水處理,用以輔助圍堰下沉。20#雙壁鋼圍堰混凝土澆筑高度為9.98 m,其上采用注水處理的高度為5.67 m,靜水壓力沿徑向分布,靜水壓力

2.3 工況計算

20#雙壁鋼圍堰采用分節(jié)拼裝的方式進行施工,20#墩雙壁鋼圍堰下沉示意如圖8 所示。

圖8 20#墩雙壁鋼圍堰下沉示意

2.3.1 雙壁鋼圍堰自浮狀態(tài)(工況一)

20#雙壁鋼圍堰共分為7 節(jié)進行焊接拼裝,完成前6 節(jié)拼裝后,其自重均小于浮力,鋼圍堰漂浮在水中,刃腳未能到達河床位置,需通過壁倉內(nèi)澆筑混凝土及注水的方式,提高雙壁鋼圍堰自身重力,使圍堰處于自浮狀態(tài)的同時,保證每節(jié)圍堰焊縫位于水面1.5 m 高度。

2.3.2 雙壁鋼圍堰吸泥下沉(工況二)

鋼圍堰刃腳與河流的河床接觸后,圍堰下沉阻力增大,需通過向鋼圍堰壁倉內(nèi)注水,同時利用吸泥機吸取刃腳周邊泥土的方式,輔助圍堰下沉。在該過程中,圍堰內(nèi)部為滿水狀態(tài),其高度與河流水平面齊平,內(nèi)外水頭差為0,雙壁鋼圍堰所受荷載組合為自重+流水壓力+施工荷載。

2.3.3 雙壁鋼圍堰倉內(nèi)抽水(工況三)

雙壁鋼圍堰吸泥下沉至指定標高,經(jīng)過清基、澆筑封底混凝土的流程后,需進行抽水作業(yè)。完成抽水作業(yè)后,圍堰外壁受到河水的靜水壓力+流水壓力,而圍堰內(nèi)壁無水壓力,為控制內(nèi)外壁水壓差,應向圍堰隔板倉內(nèi)注水,其高度為5.67 m。此時雙壁鋼圍堰所受荷載組合相較于工況二,增加了靜水壓力與內(nèi)外壁間的水壓力。

3 雙壁鋼圍堰受力情況及穩(wěn)定性分析

3.1 受力情況分析

3.1.1 工況二分析

工況二條件下外壁應力分布如圖9 所示,工況二條件下20#墩雙壁鋼圍堰的最大應力及最大變形如表2 所示。

表2 工況二條件下20#墩雙壁鋼圍堰的最大應力及最大變形

圖9 工況二條件下外壁應力分布

由表2 及分析可知:①由于圍堰內(nèi)外水頭差為0,各構(gòu)件最大應力及最大變形的數(shù)值不大,遠小于Q235 鋼材強度設計值,滿足設計要求;②由應力分布情況可知,各構(gòu)件出現(xiàn)應力最大值的部位較為接近,靠近隔板倉內(nèi)混凝土澆筑部分的應力明顯大于其余部分;③由于各層選用的材料規(guī)格并不一致,應力出現(xiàn)較大波動,應合理選用相應規(guī)格,保證結(jié)構(gòu)安全的同時節(jié)省材料。

3.1.2 工況三分析

工況三條件下外壁應力分布如圖10 所示,工況三條件下20#墩雙壁鋼圍堰的最大應力及最大變形如表3 所示。

表3 工況三條件下20#墩雙壁鋼圍堰的最大應力及最大變形

圖10 工況三條件下外壁應力分布

由表3 及分析可知:①由于圍堰內(nèi)外存在水頭差,各構(gòu)件最大應力及最大變形的數(shù)值出現(xiàn)較大變化,明顯大于工況二的數(shù)值,但滿足設計要求;②內(nèi)外壁在變形大小上出現(xiàn)明顯差異,外壁變形遠大于內(nèi)壁變形;③雙壁鋼圍堰最大應力及變形出現(xiàn)位置與工況二接近。

3.2 抗浮穩(wěn)定性分析

鋼套箱圍堰下沉到位后,其主要承受水壓力和土壓力,而作用在封底混凝土底的水壓力方向向上,對鋼套箱圍堰有浮起作用,因此需要計算其整體抗浮能力。在工況二情況下,圍堰的抗浮荷載主要為雙壁鋼圍堰自重、圍堰內(nèi)灌注的混凝土自重、封底混凝土自重、樁基摩阻力以及倉內(nèi)水的自重;在工況三情況下,圍堰的抗浮荷載因經(jīng)過抽水施工,與工況二相比缺少倉內(nèi)水的自重。計算得到N抗2=1.13×108N,N抗3=9.69×107N。

在工況二和工況三情況下,雙壁鋼圍堰受到的浮力均等于其排水量的重力,即N浮=1.13×108N。

20#墩雙壁鋼圍堰的抗浮穩(wěn)定性安全系數(shù)如表4 所示。

表4 20#墩雙壁鋼圍堰的抗浮穩(wěn)定性安全系數(shù)

在工況二的情況下,雙壁鋼圍堰的抗浮穩(wěn)定性安全系數(shù)僅為1.00,小于規(guī)范要求的1.15,不具備足夠的安全儲備。在實際施工中,可采用在鋼護筒處添加鋼板以增大摩阻力的方式,保證雙壁鋼圍堰具有足夠的抗浮安全儲備。

4 結(jié)論

本項目針對某大橋20#雙壁鋼圍堰建立了Midas Civil 有限元仿真分析模型,結(jié)合圍堰施工流程,對該過程中出現(xiàn)的不同工況進行分析,得到以下結(jié)論。

(1) 有限元分析表明20#雙壁鋼圍堰在不同的施工工況下,其強度、剛度及變形均滿足設計要求,且具有足夠的安全儲備,能滿足現(xiàn)場施工需要。

(2) 在工況三的情況下,即雙壁鋼圍堰倉內(nèi)抽水時,雙壁鋼圍堰處于最不利工況,但結(jié)構(gòu)仍然具有一定的安全儲備。其中鋼圍堰的最大位移為8.56 mm,發(fā)生于封底混凝土上方2～3 m 處;外壁、豎肋的最大應力為155 MPa 左右,位置均與位移處一致;其余部位應力遠小于外壁、豎肋處。鋼圍堰應力分布規(guī)律較為明顯,在不同位置可采用不同型號、規(guī)格的材料,需注重對封底混凝土上方一定范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)的加強,在保證結(jié)構(gòu)滿足設計要求的前提下,盡量降低工程造價。

(3) 20#雙壁鋼圍堰在未抽水時,抗浮性能的安全儲備較小,為改進其抗浮性能,保證施工安全有序進行,應在該施工階段增設臨時結(jié)構(gòu)以增加其抗浮安全儲備。在施工過程中,本項目提出在鋼護筒處添加鋼板以增加抗浮荷載的方法,對同類工程具有借鑒意義。