所属栏目：机械论文发表 发布时间：2011-02-25浏览量:160
摘要：小金山大桥主桥墩基础承台为深水高桩大体积混凝土承台施工，位于新安江水库，采用钢套箱围堰施工，速度快、质量优、效益好。
关键词：水下承台套箱设计验算
一、工程概况
随着科学技术的越来越发展，大跨径、大直径深水桩越来越普遍应用于桥梁施工上，小金山大桥就属于此类桥梁。小金山大桥位于新安江水库，上部结构为120+200+120m三跨预应力混凝土连续刚构，下部结构主墩采用高桩承台钻孔桩基础，基础为φ3.2m(嵌岩部分φ2.9m)的钻孔桩，每墩4根，共8根桩。主墩桩位水深约57m，且要求主墩桩基嵌岩深达20多米，进入微风化岩层约7m，覆盖层薄，施工难度大。
作为连接4根大直径桩的承台，承台采用四边形倒圆角，尺寸为13.2*13.2m;顶标高为+98.0m，底标高为+93.0m，而千岛湖水位在承台施工时的水位为99.5米，为此，承台采用钢套箱围堰施工。
二、钢套箱设计
用吊箱围堰是为承台施工而设计的临时阻水结构，其作用是通过吊箱围堰侧板和底板上的封底混凝土围水，为承台施工提供无水的干处施工环境。
1、设计条件
1)、水位条件
由于水系属于新安江水库库区，常水位在95～105m之间(黄海高程)，历年最高水位107.76m，最低水位82m，水位变化幅度较小，流速缓慢。综合考虑千岛湖湖面基本无风浪、目前水位为+99.5m以及近五年10～1月水位变化情况，承台套箱顶面标高定为+100m。
2)、结构设计条件
钢套箱围堰平面尺寸为13.2m*13.2m(与承台平面尺寸相同，考虑吊箱围堰侧板兼做承台模板)。
侧模高度为8.5m，顶面设计标高为+100m;
内支撑标高为+98.5m(承台高度范围内无支撑)。
3)、工况条件
根据钢吊箱围堰施工作业时段，设计受力状态可按以下几个工况进行分析：
序号 施工阶段 各施工阶段存在的力 验算内容
工况一 套箱下沉，浇筑封底砼前 底模重、侧模重 底模
工况二 封底砼浇筑，强度未形成 底模重、侧模重、封底砼重、水压、砼侧压力 底模、侧模
工况三 封底强度形成，抽水，施工承台钢筋 底模重、侧模重、封底砼重、浮力、封底砼与护筒间黏结力、水压力 抗浮、侧模
工况四 浇筑承台砼 一次性浇筑 底模重、侧模重、封底砼重、承台砼重、浮力、封底砼与护筒间黏结力、水压、砼侧压力 抗浮、侧模
分层浇筑 底模重、侧模重、封底砼重、承台砼重、浮力、封底砼与护筒间黏结力、水压、砼侧压力 抗浮、侧模
注：流水压力、风压、波浪力等表中未列出
2、设计依据
(1)、《浙江省淳安至开化公路淳安段S03合同段施工图设计-第二册小金山大桥》;
(2)、《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JTJ025-86);
(3)、《钢结构设计手册》(GB17-88版);
(4)、《公路桥涵设计通用规范》(JTJ021-89);
3、钢套箱设计介绍
1)、底模
底模承重梁采用重合梁结构(承重主梁上铺分配梁)，底模面板采用钢板。主承重梁为双拼H50钢，沿桥纵向护筒边布置4条;二次分配梁采用18工字钢，间距0.5m，中间8根通长14.6m，护筒口位置分配梁断开，悬臂端与主承重梁面焊接固定，并加以三角加劲板与下部H50钢承重梁连系。具体情况详见#p#副标题#e#《承台套箱底模构造图》。
主承重梁中间对称预留φ32mm吊杆穿孔，穿孔间距为7m，梁上孔位贴焊25cm*20cm*2.6cm钢板;主梁吊带采用双根φ32mm精轧螺纹钢，长度为9.5m。
套箱底模面板采用6mm厚钢板。全套底模重约25.3t。
《承台套箱底模构造图》
2)、侧模
承台套箱侧模采用单壁结构，单个套箱侧模分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ六类共24块模板拼装。Ⅰ类模板规格为6.45m*5.5m,Ⅱ类模板规格为2m*5.5m，Ⅲ类模板规格为(2.375m+2.375m)*5.5m,Ⅳ类模板规格为6.45m*3m,Ⅴ类模板规格为2m*3m，Ⅵ类模板规格为(2.375m+2.375m)*3m。
侧模面板采用δ5mm钢面板，竖肋下部5.5m采用22a#工字钢，上部3m采用18#工字钢，间距均为35cm，直接与面板贴焊，横向加劲梁为双拼20a槽钢，具体情况详见承台套箱模板结构设计图。
分块侧模间端头法兰使用L18角钢，模板连接利用M16普强螺栓，间隙用δ10mm橡胶皮密封。
3)、吊点
整个套箱起吊共设置三个吊点，上面分别吊在安装在龙门吊上的三个10t卷扬机上，下面分二侧两个点，中间一个点：其中二侧吊点即在套箱外腰带焊接二根32#工字钢通长到底模大梁上，在32#工字钢上下两端各0.5m处焊26mm厚钢板增加强度，再用双拼32#工字钢将二根工字钢连接;中间一点在底模中间，先在底模大梁上竖焊三根1.5m高32#工字钢，再用双拼32#工字钢将三根平面连接，最后用6根ф32钢丝绳引向龙门吊设置的3台卷扬机上。
4、钢套箱计算
1)套箱设计相关差数
(1)、设计水位平均水位：+99.5m;最低水位：+97m
(2)、设计流速桥位可能平均最大流速0.5m/s
(3)、波浪工作状态波浪起算要素H=0.5m，T=3.5s
2)、套箱相关基本荷载
(1)、套箱自重底模自重：260KN;侧模自重：800KN
(2)、封底砼重量Gf=207.96*24=4991KN
(3)、封底砼对护筒黏结力
封底砼厚度1.5m，接触面积A=4*10.053*1.5=60.32m2，黏结系数经验取值：180Kpa
黏结系数取值依据：
①杭州湾跨海大桥实测值超过200KPa，取值200KPa;
②护筒周围加焊钢筋、牛腿，以增大砼与护筒之间的黏结系数。
Fn=180*60.32=10857.6KN
(4)、承台砼重量Gc=854*25=21350KN
(5)、桩头范围承受部分承台砼自重计算Gz=4*(π*1.6*1.6*5)*25=4021.2KN
(6)、正面水流力水流力选用以下公式计算：Fs=(krV2*A)/(2g)
其中：Fs—水流力(KN)
V—计算流速(m/s)V=0.5m/s;K—水流力系数;按套箱形状查相关表取K=0.52
r—水的重度(KN/m3);G—重力加速度(m/s2)
A—计算构件在与水流流向垂直平面上的投影面积(m2)
阻水面单位面积水流力：Fs=(krV2)/(2g)=0.07KN/m2
阻水面最大水流力：Fs=(krV2*A)/(2g)=7.85KN
(7)、波浪力计算
波浪力参照海港工程设计手册，套箱形状类似于大直径物体。
作用与整个套箱上单位高度主断面上最大流浪力(工作状态波要素)按公式计算：
PMAX=Cmπ3VD2Hcosh(kd)/(2gT2sinh(kd)=41.8KN/m
式中有：Cm—惯性力系数，查表取1.9;D—物体直径，等效取13.2m;
H—波高取0.8m;T—周期取10s;K—波数，k取0.141;D—水深取60m。
(8)、风力荷载
风荷载对套箱影响相对其它因素小很多，本计算不予考虑。
3)、套箱验算
对以上施工工况进行分须，底模验算工况为工况一和工况二，最不利工况为工况二;侧模验算工况为工况二、三、四;抗浮验算工况为工况三和工况四。针对以上工况分别对底模、侧模及抗浮进行验算。
(1)、底板验算及抗浮验算
工况二：封底混凝土浇筑完成，但强度未形成，与护筒之间不存在黏结力。此时底板承重梁荷载考虑为：侧模自重+底板自重+封底砼自重(施工荷载较小可忽略不计)
#p#副标题#e# P=800+260+4991=6051KN
工况三：封底混凝土浇筑完成后，抽水施工承台钢筋阶段。此阶段验算抗浮的最不利水位为+99.5m，整个钢套箱的浮力为8×138.64=1109.12T
浮力-侧模自重-底板自重-封底砼自重(施工荷载较小可忽略不计)<封底砼对护筒黏结力(方向向下)
P=11091.2-800-260-4991=5040.2KN<10857.6KN
即：套箱底板不承受压力，抗浮满足要求，底板验算时不考虑该工况;
工况四：浇筑承台混凝土阶段。
承台浇筑工况分一次性浇筑和分层浇筑两种情况分别计算，此时验算中浮力考虑施工期的最不利(最低)水位+97m，钢套箱的浮力为5.5×138.64=762.52T
侧模自重+底板自重+封底砼自重+承台砼自重(桩头砼除外)-浮力(施工荷载较小可忽略不计)<封底砼对护筒黏结力(方向向上)
P1=800+260+4991+(21350-4021.2)-7625.2=15754.6KN>10857.6KN
P2=800+260+4991+(21350/2-4021.2/2)-7625.2=7090.2KN<10857.6KN
即：一次性浇筑承台砼不可行，采用分层浇筑承台砼的施工方案。分层浇筑承台砼时，套箱底板不承受压力，抗浮满足要求，底板验算时不考虑该工况;
因此：按最不利荷载工况二对底板进行计算：其中内侧双拼H50钢梁最不利，按左图阴影部分计算其分布荷载
荷载计算：
单边侧模自重：p=*3.5=56.71KN
底板自重：p=*(3.5*13.2-3.14*1.62)=71.57KN
封底砼自重：p=38.16*1.5*24=1373.76KN
除侧模荷载按集中荷载计外，余按均布荷载计算：
q==109.49KN/m
计算简图：
查型钢特性表:2H50截面系数
A=228.4cm2,I=95600cm4,W=3824cm3。
计算结构如下：
支点反力：R1=R2==779.34KN
支点弯矩：M=56.71*3.1+=701.9KN.m
跨中弯矩：M=-56.71*6.6-+779.34*3.5=-31.29KN.m
支点处有最大应力：σ==183.55MPa<215MPa
跨中扰度计算：
fmax=*(5-)-=1-5.36=-4.4mm<=5.3mm
悬壁端扰度：
f=*(6*()2+3*()3-1)+*(3100+)=10.5+12.3=22.8mm
由以上结果可知，支点处应力及悬臂端挠度稍大，在2H50型钢支点处侧面加焊钢板，截面系数增大为A′=228.4cm2,I′=245828cm4,W′=9833cm3。
支点处应力σ=71.3MPa<215MPa悬壁端扰度f=4.1+4.8=8.8mm
所以：局部加强后的底梁强度及刚度均满足钢结构设计规范要求。
a、18#工字钢二次分布梁验算
由上封底砼计算得知，18#工字钢按承受封底砼自重和侧模自重计算
计算简图如下：
I18截面特性：A=30.6cm2,I=1660cm4,W=184.4cm3
分配梁按最大1.5m悬臂梁计算为最不利：
分布荷载q=1.5*0.5*1.5*24/1.5=18N/mm
集中荷载P=*0.5=8.1KN
Mmax=0.5ql2+Pl=0.5*18*15002+8100*1500=32.4*106N•mm
σ===175.7Mpa<215Mpa
f=+=+=5.9mm
强度及刚度均满足要求。
b、底模钢模板计算
根据底模分配梁及底模面板布置，底板最不利荷载分布为三等跨(50cm)连续梁，取1mm条进行近似计算(路桥施工计算手册P763)。
查表：Ix=18mm4，Wx=6mm3
q=0.001*0.5*1.5*24/0.5=0.036KN.m
Mmax=0.1*ql2=0.1*0.036*0.52=0.0009KN.m
σ==150Mpa<215Mpa
f=0.677×=0.677×=4mm
由于计算未考虑工字钢翼缘的宽度，计算结果安全系数偏大，因此，钢板强度及抗弯均满足模板设计规范要求。
(2)、封底砼厚度验算
封底砼的作用主要为：①作平衡重主体;②防水渗漏;③抵抗水浮力。根据以上工况分析，抗浮验算时水位按+99.5m计算，整个钢套箱的浮力为8×138.64=1109.12T，封底混凝土自重+钢套箱自重+封底对护筒黏结力=499.1+106+1085.76=1690.86T=1.52×1109.12T，安全系数k=1.52。因此#p#副标题#e#，封底混凝土厚度能够满足施工要求。
(3)、精轧螺纹钢吊杆计算
精轧螺纹钢吊杆选用级别JL930，直径32mm，容许强度930MPa
最不利荷载出现在工况二，此时封底混凝土强度未形成，与护筒之间还没有形成黏结力，此时的正应力为：
=484.5MPa<930MPas
其中：吊杆正应力按底模承重梁图示荷载工况计算，P=支点反力R1=779.34KN，A为单根吊杆截面积。(为使各根精轧螺纹钢同时受力，需对精轧螺纹钢进行预张拉)
因此，精轧螺纹钢吊杆强度能够满足施工要求。
(4)、侧模验算(包括内撑梁)
工况二：封底浇筑过程中施工工况
新浇砼侧压力(公式中各符号意义见《公路桥涵施工技术规范》P309)：
F=0.22*r*t0*k1*k2*v1/2=0.22*24*7*1.2*1.15*0.21/2=22.81KN/m2
该工况下最大压强：p=22.81KN/m2
工况三：封底完成后进行承台钢筋施工工况
此时封底砼范围内侧模承受的水压力靠封底砼抗压强度平衡，承台范围内侧模的静水压强：p1=rh=10*6.5=65KN/m2
该工况下最大压强：p=65KN/m2
工况四：承台砼浇筑施工工况
静水压强：p1=rh=10*6.5=65KN/m2
新浇砼侧压力：
F=0.22*r*t0*k1*k2*v1/2=0.22*25*7*1.2*1.15*0.21/2=41.31KN/m2
该工况下最大压强：p=65-23.76=41.24KN/m2
通过以上初步计算比较，可知相对侧模而言，工况三为最不利荷载。因此，按工况三对侧模及内撑进行验算。
采用MidasCivil软件建模计算如下：
1.计算数学力学模型
图1有限元网格划分
2.计算结果及分析
2.1侧模钢板2.2竖肋型钢(18#型钢)
2.3竖肋型钢(22a#型钢)
图4竖肋22a#型钢组合应力云图(170MPa<175Mpa)
22a#型钢竖肋最大组合应力为170Mpa,但仅在靠封底混凝土的顶部少数单元上，除此外，绝大部分单元应力均小于140Mpa,因此，22a#型钢竖肋满足强度要求。
2.4双拼20a槽钢横向加劲梁
图5双拼20a槽钢横向加劲梁组合应力云图(168MPa<175Mpa)
双拼20a槽钢横向加劲梁最大组合应力达168Mpa,但仅在内支撑点附近单元上，实际在加内支撑时要在支撑点附近加强(如加上垫块等)，达不到168Mpa,其它单元上的组合应力均小于100Mpa。因此，双拼20a槽钢横向加劲梁强度完全能够满足施工要求。
2.5 内支撑梁系统
图7套箱整体变形云图(最大变形为1.32cm)
图6内支撑梁系统组合应力云图(80MPa<175Mpa)
套箱最大变形为1.32cm，综合考虑跨度L=9m，有λ=δ/L=1.32/900≈1/682<1/600，符合要求。
综以上计算结果及分析，可得出结论：套箱侧模结构满足规范规定强度、刚度、稳定性的要求。
结束语
小金山大桥主桥墩基础承台为深水高桩大体积混凝土承台，施工难度大，根据实际情况，采用钢套箱围堰施工，取的显著成果。
1)、速度快：2个套箱从加工到封底结束仅用2个月时间。
2)、质量优：定位准确，仅1.50m厚的封底混凝土抽水后无渗漏现象，且封底混凝土表面比较平整，无泥砂，封底混凝土质量好。
3)、效益好：用单壁铜套箱结构设计，节约了数十吨钢材。加之套箱侧板又兼做墩身施工模板，节省了模板费用。
参考文献
[1]公路桥涵设计通用规范(JTJ021-89)
[2]公路桥涵钢结构及木结构设计规范(JTJ025-86)
[3]钢结构设计手册(GB17-88版)
[4]公路桥涵施工技术规范(JTJ041-89)
[5]刘成宇主编.土力学和基础工程(下册).北京：中国铁道出版社，1981
[6]建设结构静力计算手册编写组.建筑结构力计算手册.北京：中国建筑工业出版社，1975.6