黃岡公鐵兩用長(zhǎng)江大橋主橋圍堰設(shè)計(jì)及計(jì)算
2017-07-31
1 工程概況
黃岡公鐵兩用長(zhǎng)江大橋全長(zhǎng)4010.81m,主橋采用(81+243+567+243+81)m鋼桁斜拉橋方案,長(zhǎng)1215m,公鐵合建。主塔為鋼筋混凝土主塔,基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。
本工程主橋施工區(qū)域水深、流急,其中主墩航道繁忙,水深23-24m,且覆蓋層較淺。長(zhǎng)江水位變化大,長(zhǎng)江汛期對(duì)橋梁基礎(chǔ)施工影響大。2#、3#主塔墩基礎(chǔ)采用31-��3.0m�鉆孔樁。承臺(tái)橫橋向?qū)?1.2m,承臺(tái)順橋向?qū)?4.2m,承臺(tái)厚6.5m,承臺(tái)頂高程+9.0m,樁長(zhǎng)40.5-47.5m。
2 主塔墩基礎(chǔ)施工方案
2#、3#主墩采用先圍堰后平臺(tái)水上施工方案,分別從兩岸修建施工棧橋至2#、3#主墩配合施工。施工次序?yàn)?雙壁鋼吊箱圍堰制造、底節(jié)下水→浮運(yùn)、定位→插打部分鋼護(hù)筒→圍堰掛樁→鋼護(hù)筒插打完畢,鉆孔樁施工→圍堰接高、下沉、二次掛樁→清基封底→圍堰內(nèi)抽水→承臺(tái)、塔座施工→塔柱施工。每個(gè)主塔墩安排6臺(tái)KTY-3000型全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)進(jìn)行31根�3.0鉆孔樁施工,鉆孔樁施工時(shí)在平臺(tái)頂設(shè)置1臺(tái)100t龍門吊機(jī)。每個(gè)主墩施工配備150t、200t浮吊各1臺(tái)。
3 雙壁鋼吊箱圍堰設(shè)計(jì)
圍堰的設(shè)防水位按二十年一遇考慮為+25.8m,抽水水位按+24.0m控制,圍堰頂標(biāo)高取+26.3m。圍堰分兩節(jié),底板及底節(jié)在工廠加工好后,整體浮運(yùn)到墩位,第一次掛樁定位于14根支撐鋼護(hù)筒上,其頂面標(biāo)高控制在+26.3m,作為鉆孔施工平臺(tái),鉆孔樁施工完畢,接高圍堰,并將圍堰整體下放至設(shè)計(jì)標(biāo)高(圍堰底標(biāo)高-3.0m),第二次掛樁定位,封底、抽水,澆筑承臺(tái)。
圍堰平面尺寸為55.4m(橫橋向)×38.4m(順橋向)×29.3m(高),壁厚2m。
4 雙壁鋼吊箱圍堰設(shè)計(jì)計(jì)算
4.1 工況分析
工況一:圍堰底節(jié)整體浮運(yùn)到墩位后,精確定位后插打定位鋼護(hù)筒
底隔艙面積706 m2,雙壁面積338 m2
圍堰吃水深度:3920/(706+338)=3.75m
側(cè)板內(nèi)外壁承受對(duì)壓水頭荷載。
工況二:圍堰作為鉆孔平臺(tái),進(jìn)行鉆孔樁施工
鋼吊箱由14根定位鋼護(hù)筒承載,鉆孔過程中雙壁隔艙灌水高度根據(jù)根據(jù)水位變化相應(yīng)調(diào)節(jié)。
工況三:鉆孔樁全部施工完成后,水上接高圍堰頂節(jié),下放至設(shè)計(jì)標(biāo)高
工況四:澆注封底混凝土
工況五:抽水,澆注第一層承臺(tái)
工況六:澆注第二層承臺(tái)
工況七:拆除內(nèi)支架,進(jìn)行塔柱施工
4.2 圍堰結(jié)構(gòu)計(jì)算
4.2.1 雙壁側(cè)板
(1)圍堰壁板。
圍堰壁板采用δ=8mm,L75×8mm角鋼加勁。加勁肋布置:最大間距為350mm,跨度有800、1000mm?？紤]30倍δ8mm板參與共同受力,其截面特性為:
A=3006 mm2;I=2983066 mm4;W=51879 mm3
?、?000段加勁肋允許最大水頭:
由σ=MW=0.350×h×1.02×10710×51.9×103=170 Mpa(加勁肋按Mmax=1/10qL2計(jì)算)
則壁板加勁肋允許最大水頭為:
h=10×170×51.9×1030.350×1.02×107=25.2 m
由σ=MW=h×1.0×0.3502×6×10716×82×1000=170 Mpa得
雙壁板允許最大水頭為:h=23.7m
故1000mm段壁板允許水頭為18.8m。
②800段加勁肋允許最大水頭:
由σ=MW=0.35×h×0.82×10710×51.9×103=170 Mpa(加勁肋按Mmax=1/10qL2計(jì)算)
則壁板加勁肋允許最大水頭為:
h=10×170×51.9×1030.350×0.82×107=39.4 m
由σ=MW=h×0.8×0.3502×6×10716×82×800=170 Mpa得
雙壁板允許最大水頭為:h=23.68m
故800mm段壁板允許水頭為23m。
(2)圍堰水平環(huán)及內(nèi)支架計(jì)算。
圍堰水平環(huán)受力控制工況為工況五,采用midas軟件建立1/4整體模型,壁板內(nèi)灌注的混凝土采用實(shí)體單元,面板采用加勁板單元,其余為梁?jiǎn)卧?
?、賰?nèi)、外壁各11.65m水頭。
計(jì)算得到水平環(huán)最大應(yīng)力(絕對(duì)值):
8×1000段水平環(huán)最大組合應(yīng)力:30 Mpa
11×800段水平環(huán)最大組合應(yīng)力:98.6 Mpa
10×1000段水平環(huán)最大組合應(yīng)力(非內(nèi)支架對(duì)應(yīng)位置):66.5 Mpa
10×1000段水平環(huán)最大組合應(yīng)力(內(nèi)支架對(duì)應(yīng)位置):188 Mpa(未計(jì)加強(qiáng)板)
表1 桿件穩(wěn)定驗(yàn)算表
桿件L100×10L125×12Nmax(t)-11.6-18.2A(mm2)19262891i(cm)1.962.46L(mm)22362236λ=L/i11491�0.470.61η=0.6+0.0015λ0.7710.737σ=Nmax/A/�/η(MPa)-165-140是否滿足要求滿足滿足②內(nèi)壁10.3m水頭,外壁13m水頭。
計(jì)算得到水平環(huán)最大應(yīng)力(絕對(duì)值):
8×1000段水平環(huán)最大組合應(yīng)力:29 Mpa
11×800段水平環(huán)最大組合應(yīng)力:106 Mpa
10×1000段水平環(huán)最大組合應(yīng)力(非內(nèi)支架對(duì)應(yīng)位置):67.8 Mpa
10×1000段水平環(huán)最大組合應(yīng)力(內(nèi)支架對(duì)應(yīng)位置):174 Mpa(未計(jì)加強(qiáng)板)
?、蹆?nèi)壁13m水頭,外壁10.3m水頭。
計(jì)算得到水平環(huán)最大應(yīng)力如下:
8×1000段水平環(huán)最大組合應(yīng)力:26.7 Mpa
11×800段水平環(huán)最大組合應(yīng)力:105.5 Mpa
10×1000段水平環(huán)最大組合應(yīng)力(非內(nèi)支架對(duì)應(yīng)位置):90.8 Mpa
10×1000段水平環(huán)最大組合應(yīng)力(內(nèi)支架對(duì)應(yīng)位置):196 Mpa(未計(jì)加強(qiáng)板)
?、車呦鲁凉r。
側(cè)板內(nèi)外壁承受對(duì)壓水頭取值為h=10.0m。
計(jì)算得到水平環(huán)最大應(yīng)力如下:
8×1000段水平環(huán)最大組合應(yīng)力:169.3 Mpa
11×800段水平環(huán)最大組合應(yīng)力:80.9 Mpa
10×1000段水平環(huán)最大組合應(yīng)力:74.3 Mpa
⑤拆除底層內(nèi)支架,塔柱施工。
拆除內(nèi)支架之前,可使雙壁內(nèi)水位高于承臺(tái)頂部標(biāo)高7.5m,即調(diào)節(jié)雙壁內(nèi)水位標(biāo)高保證雙壁內(nèi)水位標(biāo)高在�+16.5m�左右,水位+25.8m進(jìn)行檢算。側(cè)板承受水頭外壁為h=25.8-16.5=9.3m,內(nèi)壁16.5-9=7.5m。
計(jì)算得到水平環(huán)最大應(yīng)力如下:
8×1000段水平環(huán)最大組合應(yīng)力:33.5 Mpa
11×800段水平環(huán)最大組合應(yīng)力:72.5 Mpa
10×1000段水平環(huán)最大組合應(yīng)力:136 Mpa
4.2.2 底龍骨
龍骨截面為HN700×300,所受荷載有:混凝土自重、浮力、底板及自身的重力;混凝土自重與浮力的合力為7.2t/m2(作用在底板上)。
建立1/2整體模型,龍骨局部位置加強(qiáng)后,計(jì)算得到龍骨最大應(yīng)力值為154.5MPa,吊點(diǎn)位置處最大反力為98.3t。
4.2.3 內(nèi)支架
內(nèi)支架上下弦桿采用HM588×300型鋼,斜桿采用2[28b截面,豎桿采用2[25b截面,平聯(lián)采用2L125×12截面。內(nèi)支架高3.2m。
(1)圍堰掛樁工況。
布置6臺(tái)鉆機(jī),每臺(tái)鉆機(jī)及其鉆具按150t計(jì)。側(cè)板及底隔艙共重2118.4t,其自重主要由浮力平衡(側(cè)板內(nèi)外壁間的面積為338m2,則需控制側(cè)板壁板內(nèi)水頭比壁板外水頭低6.5m以上);底板、底龍骨重量為571t,該重量由吊桿承擔(dān),加上吊桿自身重量,吊桿總數(shù)為136根,則每個(gè)吊桿力為12t?？紤]水頭變化影響,側(cè)板按照30%壓重作用在內(nèi)支架上,水流流速按照4m/s計(jì)算得到每個(gè)定位樁處水平力61t。
計(jì)算結(jié)果如下:
2L125×12桿件最大組合應(yīng)力:σmax=84.5MPa
HM488×300桿件最大組合應(yīng)力:σmax=102MPa
2[28b桿件應(yīng)力: σmax=63.6MPa,σmin=-�136.2�MPa
2[25b桿件應(yīng)力: σmax=7.6MPa,σmin=-66.7MPa
(2)圍堰封底吊掛工況。
圍堰封底時(shí),按每根吊桿受力100t計(jì)算,由程序計(jì)算得到:
2L125×12桿件最大組合應(yīng)力:σmax=35.9MPa
HM488×300桿件最大組合應(yīng)力:σmax=128MPa
2[28b桿件應(yīng)力: σmax=163.9MPa,σmin=�-135.5�MPa
2[25b桿件應(yīng)力: σmax=26.22MPa,σmin=-�20.69�MPa
(3)圍堰封底完成后抽水工況。
建立1/4整體模型,按+25.8m的設(shè)計(jì)水位對(duì)底層內(nèi)支架進(jìn)行驗(yàn)算。
則程序計(jì)算得到:
2L125×12桿件組合應(yīng)力:σmax=58MPa,σmin=-�68.8�MPa
HM488×300桿件組合應(yīng)力:σmax=19MPa,σmin=-�137.5�MPa
2[28b桿件組合應(yīng)力:σmax=27.3MPa,σmin=-�63.2�MPa
2[25b桿件組合應(yīng)力:σmax=3.6MPa,σmin=-52MPa
最大軸力值為: -119t
最大Mx值為: 10.1t•m
絕對(duì)值最大My值為: 3.0t•m
驗(yàn)算H588×300桿件強(qiáng)度與穩(wěn)定:
取上述桿件的各種內(nèi)力的最大值進(jìn)行驗(yàn)算。
Nc=-119t
Mx=10.1t•m,My=3.0t•m
A =192.5cm2
Wx=2926.2cm3,Wy=541 cm3
ix=20.8cm,iy=7.0cm
Lx=400.0cm,Ly=200.0cm
λx=Lx/ix=400.0/20.8=19,λy=Ly/iy=200.0/7=29
查表可得 �x=0.983,�y=0.939
N′�Bx�=8574t,N′�By�=3680t
γx=1.05,γy=1.2
β�mx�=β�my�=β�tx�=β�ty�=1.0
η=1.0
γ�tx�=1.05,γ�ty�=1.0
NA+MxγxWx+MyγyWy=119×100164.4+10.1×100001.05×2926.2+3.0×100001.2×541=151MPa
NφxA+β�mx�MxγxWx1-0.8NN′�Ex�+ηβbyMyγ�by�Wy=119×1000.983×164.4+1.0×10.1×100001.05×2926.2×1-0.8×1198574+1.0×1.0×3.0×100001.0×541=162 MPaNφyA+ηβ�tx�Mxγ�tx�Wx+β�my�MyγyWy1-0.8×NN′�Ey�=
119×1000.983×164.4+1.0×1.0×10.1×100001.05×2926.2+
1.0×3.0×100001.2×541×1-0.8×1193680=154 MPa因此內(nèi)支架上、下弦強(qiáng)度及整體穩(wěn)定滿足要求。
4.2.4 圍堰封底混凝土計(jì)算
按照抽水水位+24m計(jì)算,建立封底混凝土及樁的空間數(shù)值模型,取18m的樁長(zhǎng)。計(jì)算按參數(shù)進(jìn)行,考慮了圍堰自重、封底混凝土自重、側(cè)板內(nèi)混凝土自重和側(cè)板內(nèi)充水自重等的影響。允許粘結(jié)力取值為15.0t/m2。
由樁底反力減去樁身自重后,可得到樁與封底混凝土的粘結(jié)力。
計(jì)算結(jié)果如下表2所示:
表2 樁與封底砼粘結(jié)力計(jì)算表
樁號(hào)粘結(jié)力
(t)鋼護(hù)筒直徑
(m)單位面積允許
粘結(jié)力(t/m2)封底混凝土
高度(m)粘結(jié)應(yīng)力
(t/m2)是否滿
足要求1478.63.2153.514.43滿足23663.2153.511.04滿足33443.2153.510.37滿足4470.83.2153.514.20滿足5520.13.2153.514.69滿足6505.23.2153.514.24滿足7500.83.2153.514.10滿足8380.23.2153.511.47滿足9511.43.2153.514.42滿足10532.53.2153.515.06滿足11534.43.2153.515.02滿足由以上計(jì)算結(jié)果可知局部粘結(jié)力滿足要求。
封底混凝土應(yīng)力:經(jīng)計(jì)算得到封底混凝土最大主拉應(yīng)力為0.71MPa。封底混凝土應(yīng)力滿足受力要求。
5 結(jié)束語(yǔ)
雙壁鋼吊箱圍堰屬于水上橋梁施工的大臨設(shè)施,在水上施工得到了廣泛應(yīng)用。該橋主塔墩基礎(chǔ)尺寸大,承臺(tái)平面尺寸為51.2×34.2m。橋址處航運(yùn)極為繁忙;正橋橋位處水流速度大,主塔墩覆蓋層淺;長(zhǎng)江水位變化大,長(zhǎng)江汛期對(duì)橋梁基礎(chǔ)施工影響大。本橋雙壁鋼吊箱圍堰的設(shè)計(jì)及計(jì)算將為今后類似工程提供參考與借鑒。
