哑铃型钢管内支架在钢板桩围堰中的应用Word格式.docx

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A文章编号:

1009-2374（2010）07-0161-04

　　近年来我国经济建设高速发展,为满足经济建设的需要,道路交通建设也朝着高等级、高标准、高速度方向发展。

就如我们常说的“逢山开洞,遇水架桥”的情况时常发生,说到“遇水架桥”难免就要提及深水基础施工的问题。

然而深水基础施工的重点及难点就在于承台、墩身施工的围水。

目前深水基础施工比较常用的围水结构有:

钢板桩围堰、钢管桩围堰、单（双）壁钢围堰、混凝土围堰及它们之间两种或多种结构的组合围堰等。

每种围堰都有自己的特点和适用条件,选用何种形式的围堰结构需根据实际的水文、地质以及设备情况等比选而定。

　　一、工程概况

　　岳口汉江二桥位于湖北省岳口镇下游的七星滩弯道上,是随岳中高速公路跨越汉江的一座特大桥,全桥由北引桥,主桥,中引桥,跨南岸堤桥,南引桥组成。

主桥上部构造为73+112+150+150+90m五跨预应力砼连续箱梁,箱梁为单箱单室断面,全桥分两幅,主桥水中墩58#墩采用18根直径2.2m钻孔桩基础,桩基为行列式布置,横桥向布6列间距5.5m,纵桥向3行间距6.25m。

承台分上下两层,下层厚度3.0m,上层厚度2.0m,下层承台平面尺寸为31.10×

16.10m。

承台底标高为+18.020m。

（一）水文、地质情况

　　主桥58#墩所处河床中分布地层为第四纪全新统到更新统冲击层,河床面标高为+21.705m,表面为细砂层,厚度为14m左右,中部为粘性土,厚度为5m左右,底部为细砂及圆砾,厚度为33～50m。

桥墩处在枯水期最小水深为2.0m左右,洪水期间最高水位为+37.77m,最大流速为2.13m/s。

设计院提供的下部结构施工区间水位见下表:

　　二、主桥58#墩钢板桩围堰结构设计介绍

　　根据现场施工工期安排及相关水纹、地质资料,围堰抽水水位设为+27.5m,抽水水头差9.97m,防水水位为+29.0m。

围堰侧板采用拉森Ⅳ型钢板桩,钢板桩长度18m,围堰平面尺寸为32.8m×

18.4m,围堰顶标高为+29.5m,钢板桩底标高为+11.5m,封底混凝土厚度为2.10m,封底混凝土底面以下钢板桩入土深度为4.42m。

围堰共设两层支撑,下层支撑以4片I56c型钢拼为一组作为导梁,用Φ426×

8和Φ630×

8的钢管作为纵横向支撑,安装在高程为+21.97m处;

上层支撑以2片新制1000mm高的工字型钢梁拼为一组作为导梁,用Φ1000×

8的钢管作为纵横向支撑,安装在高程为+25.97m处,上层内支撑钢管布置时避开墩身位置以方便墩身出水施工。

　　以上所述结构中部分I56内导梁及Φ426×

8支撑钢管均采用钻孔平台的材料采用进行改制,1000mm高的工字型钢梁为新制结构。

围堰结构布置如图1所示:

　　三、围堰主要施工步骤

　　根据工程施工工期要求以及综合考虑现场具体条件等多方面因素,主桥58#墩钢板桩围堰主要施工过程如下:

　　待整个桩基础钻孔施工完毕后,拆除钻孔平台、拔除平台定位钢管桩→根据水位情况在护筒上焊接内导梁支撑牛腿→拼装下层内导梁→插打钢板桩（钢板桩插打时应注意钢板桩与导梁之间需留100mm间隙,保证内导梁内顺利下放）→围堰内第一次吸泥清基到标高+21.00m位置处、吸泥的同时拼装下层内支架“哑铃型”钢管支撑→用四台千斤顶下方下层内支架到设计标高位置（下放吊点如图2）,用吊杆将内支架固定到钢板桩上→拼装上层内支架及“哑铃型”钢管支撑,用相同的方法将内支架下放到设计位置,并固定在围堰上,用硬木楔块抄紧钢板桩与上层导梁之间的间隙→围堰继续吸泥清基到封底底面设计标高→封底砼施工→围堰择时抽水,当围堰内水位降到下层内支架设计标高时用硬木楔块抄紧钢板桩与下层导梁之间的间隙,继续抽干围堰内的水→凿桩头、清浮渣、立模板、扎钢筋、下承台砼浇注→围堰下层支撑体系转换（由下层内支架转换到下承台上）→下层内支撑拆除→上承台施工→墩身施工→围堰拆除。

　　四、钢板桩围堰结构设计计算

　　钢板桩围堰结构主要计算分析的内容有封底混凝土、钢板桩侧板、内支架计算三部分。

（一）封底混凝土计算

　　封底混凝土在钢板桩围堰中主要有三个作用:

其一,抵抗钢板桩侧板由于水压力、土压力等外荷载的作用下围堰向内位移,起到支撑钢板桩的作用;

其二,围堰抽水时防止基坑隆起及涌水,主要起到止水作用;

其三,承台施工时支承承台作为承台底模板。

　　封底混凝土计算内容主要就是根据抽水工况围堰抗浮、封底混凝土抗弯以及承台施工工况围堰抗沉条件确定封底混凝土厚度。

因其计算方法可参阅的资料较多,本文不再叙述其计算过程,经计算分析本围堰封底混凝土厚度为2.10m。

（二）钢板桩受力计算

　　随着计算机技术的广泛应用,有限元法及有限元计算程序展现出它强大的功能魅力,使得许多结构的精确计算不再棘手。

本围堰钢板桩侧板采用SAP2000有限元法进行结构分析计算,能较为准确的反映钢板桩的实际受力过程。

　　围堰侧板受力除外荷载外,直接受围堰内支撑的结构布置影响。

由于承台施工时围堰内外水头差较大,受钢板桩强度影响,围堰至少需设置二层内支撑。

考虑到围堰内施工作业空间及施工水位季节变化影响,尽量减短围堰施工工期以减小施工成本及避免高水位施工的安全风险,围堰内设置二层内支撑,减少围堰加工及安装工作量以加快施工进度。

　　而围堰内支撑布置受施工流程、侧板强度及承台、墩身结构限制。

钢板桩受力计算是一个试算的过程,用以确定围堰侧板受力安全及内支撑的安装位置。

　　1.设计荷载。

钢板桩侧板设计外荷载主要有静水压力、流水压力、波浪力、土压力、风荷载以及施工荷载等。

　　2.钢板桩受力分析工况。

（1）工况1:

围堰内吸泥清基工况（围堰内外通水）。

此工况主要计算分析钢板桩围堰在围堰内吸泥清基过程中由于围堰受到外侧流水压力、波浪力及土压力的作用下围堰底口是否能保证稳定。

（2）工况2:

围堰内抽水工况。

抽水工况从施工步骤我们可以看出它共有两个步骤:

第一,抽水到的下层内支架位置处。

此时分析钢板桩在只有上层内支架及封底砼两个支撑点的情况下钢板桩的受力情况及变形情况,所得分析数据为后续分析提供数据依据及分析边界条件;

第二,围堰内抽干水。

第二步骤进行分析时要以第一步骤分析所得钢板桩变形数据作为第二步骤的分析边界条件进行结构分析,以便能更准确使设计分析更接近实际受力状况。

（3）下层承台施工工况。

下层承台施工过程中水位达到最高施工水位时的工况。

此工况为钢板桩围堰侧板及内支架最不利受力工况,为控制工况。

（4）围堰内支撑体系转换工况。

此工况拆除围堰下层内支架,下支撑点由下层内支架转换到承台上,围堰内只剩上层内支架。

以上工况分析中,工况2第一个步骤以确定上层内支撑安装位置范围,第二个步骤及工况3以确定下层内支撑安装位置及调整上层内支撑安装位置,使围堰受力达到最合理状态。

　　3.边界条件。

钢板桩下端按固结计算,固结点设置在封底混凝土顶面以下0.5m处。

每层支撑架处按单向支座考虑。

　　4.计算结果。

根据以上各工况,经计算分析得出内支撑合理安装位置及结构受力。

其主要工况钢板桩受力情况见下表:

　　（三）“哑铃型”钢管内支架结构设计计算

　　围堰内支架是维系着整个围堰安全与否的生命线,内支架的安全可靠与否至关重要,因此,围堰内支架的设计也是钢板桩围堰设计的一个重要环节。

　　1.“哑铃型”钢管内支架结构设计。

58#墩钢板桩围堰内支架根据施工要求及结构构造要求设计两层,第一层内支架布置在距下层承台顶950mm位置（标高+21.97m）处,第二层内支架设置在标高+25.97m位置处。

下层内支架结构须按满足钢板桩受力要求及承台施工要求进行布置,上层内支架结构在满足受力要求的情况下还要考虑墩身的施工方便,故上层内支架结构布置时要避开墩身位置。

　　根据钢板桩受力计算结果,下导梁受侧板最大压力为312.9kN/m,上导梁受侧板最大压力为245.3kN/m,内支架受力较大,且由于内支架纵、横向撑杆长度较大,经比选采用钢管作内支架撑杆最为合适。

选用钢管作内支架撑杆有以下几个优点:

（1）采用钢管作支撑可倒用钻孔平台定位管桩,可充分利用现场材料;

（2）采用钢管作支撑相比型钢或其它材料结构重量轻、刚度大、受力各向同性、轴向承载能力强,吊装方便且能较好的满足受力要求;

（3）由于钢管轴向承载能力强,在平面上支撑布置间距较大,围堰平面可操作空间相对比较充足,便于围堰清底及承台施工;

（4）采用钢管作支撑加工量小、制作安装方便、快捷。

　　下层内支架主要由Ф426×

8和Ф630×

8钢管桩组成,横桥向布置6组钢管支撑,每组由2根Ф426×

8钢管组成,两根钢管之间用缀板组成“哑铃型”结构,其结构形式如图3;

纵桥向布置4根Ф630×

8钢管支撑,从2根Ф426×

8钢管中间穿过,纵横支撑交叉点处用加劲板形成半刚性节点,使得整层内支架形成一个整体的框架结构,节叉点结构如图4所示;

上层内支架也为纵横正交的框架结构,考虑墩身出水施工,支撑杆需避开墩身位置,横桥向布置4组2根Ф630×

8钢管组成的“哑铃型”结构,纵桥向布置2根Ф1000×

10钢管。

内支架结构平面布置如图5所示。

　　2.内支架钢管受力计算。

从钢板桩侧板计算中我们可看出内支撑最不利受力工况为工况3,此时作用于围堰下层内导梁的均布荷载为312.9kN/m,作用于上层内导梁的均布荷载为245.3kN/m。

由于上下内支架结构相似,本文只列举下层内支架受力计算过程。

　　本文采用SAP2000空间有限元整体模型来模拟计算内支架受力。

　　内支架结构用有限元程序进行整体分析,提供更精确的计算分析数据。

（1）计算分析模型。

1）结构材料特性。

钢材:

弹性模量E=2.1×

105MPa,伯松比μ=0.3,密度ρ=7850kg/m3,屈服强度fy=235MPa。

2）杆件单元模拟。

用圆管单元模拟钢管支撑,用SDSECTION按构件实际尺寸进行模拟内导梁结构,用SHELL单元模拟加劲板单元,用CIRCLE单元模拟钢管之间的连接。

3）边界条件。

由于内支架结构为对称结构,作用于内导梁的均布荷载也为对称布置,因此,施加边界条件时也应满足结构及荷载的对称特性。

（2）计算结果。

1）荷载。

导梁均布线荷载q=312.9kN/m,计算时计入结构自重影响。

2）分析工况。

内支架整体屈曲稳定分析及各构件的强度、刚度分析。

内导梁4个角点连接及内支撑钢管与导梁的连接按铰接处理,内支撑钢管交点连接按固结处理。

支座约束处理原则,根据不同位置及满足结构对称变形的需要同时限制其一个或两个方向的位移约束。

4）有限元模型及受力计算。

内支架整体有限元分析模型如图6所示:

　　五、结语

　　随岳中高速汉江二桥58#墩钢板桩围堰利用钻孔平台定位钢管桩及平台分配梁制作围堰内支架的内导梁及支撑结构,待墩身出水后又可将内导梁及钢管支撑进行改制用于的0#块现浇支架施工,提高了材料的利用率,降低了大临结构的成本投入。

　　内支架采用钢管支撑作为压杆结构最大限度的利用了材料性能,减少了拼装杆件数量,提高了内支架拼装速度,降低了内支架下放难度,为赶回因洪水而拖延的工期提供前提条件。

　　纵桥向内支撑采用“哑铃型”组合结构,提高了支撑钢管平面外抗弯能力,同时解决了纵横向支撑钢管交叉节点连接问题,使得内支架的受力更为明确、简洁。

　　钢板桩在实际使用时,因施工工艺及钢板桩自身的结构原因导致钢板桩实际受力与理论计算有所差别,在钢板桩围堰内支架设计时应有足够的安全系数。

　　参考文献

　　[1]中华人民共和国交通部标准.公路桥涵钢结构及木结构设计规范（JTJ025-86）[S].

　　[2]中华人民共和国交通部标准.公路桥涵地基与基层基础设计规范（JTJ024-85）[S].

　　[3]中华人民共和国国家标准.钢结构设计规范（GB50017-2003）[S].

　　[4]中华人民共和国行业标准.港口工程荷载规范（JTJ215-98）[S].

　　[5]易经武.基础工程[M].人民交通出版社.

　　[6]李星荣.钢结构连接节点设计手册[M].中国建筑工业出版社,2005.

　　[7]交通部第一公路工程局.公路桥涵施工手册[M].人民交通出版社,2002.