黄冈公铁两用长江大桥主桥围堰设计及计算
2017-07-31
1 工程概况
黄冈公铁两用长江大桥全长4010.81m,主桥采用(81+243+567+243+81)m钢桁斜拉桥方案,长1215m,公铁合建。主塔为钢筋混凝土主塔,基础采用钻孔灌注桩。
本工程主桥施工区域水深、流急,其中主墩航道繁忙,水深23-24m,且覆盖层较浅。长江水位变化大,长江汛期对桥梁基础施工影响大。2#、3#主塔墩基础采用31-��3.0m�钻孔桩。承台横桥向宽51.2m,承台顺桥向宽34.2m,承台厚6.5m,承台顶高程+9.0m,桩长40.5-47.5m。
2 主塔墩基础施工方案
2#、3#主墩采用先围堰后平台水上施工方案,分别从两岸修建施工栈桥至2#、3#主墩配合施工。施工次序为:双壁钢吊箱围堰制造、底节下水→浮运、定位→插打部分钢护筒→围堰挂桩→钢护筒插打完毕,钻孔桩施工→围堰接高、下沉、二次挂桩→清基封底→围堰内抽水→承台、塔座施工→塔柱施工。每个主塔墩安排6台KTY-3000型全液压动力头钻机进行31根�3.0钻孔桩施工,钻孔桩施工时在平台顶设置1台100t龙门吊机。每个主墩施工配备150t、200t浮吊各1台。
3 双壁钢吊箱围堰设计
围堰的设防水位按二十年一遇考虑为+25.8m,抽水水位按+24.0m控制,围堰顶标高取+26.3m。围堰分两节,底板及底节在工厂加工好后,整体浮运到墩位,第一次挂桩定位于14根支撑钢护筒上,其顶面标高控制在+26.3m,作为钻孔施工平台,钻孔桩施工完毕,接高围堰,并将围堰整体下放至设计标高(围堰底标高-3.0m),第二次挂桩定位,封底、抽水,浇筑承台。
围堰平面尺寸为55.4m(横桥向)×38.4m(顺桥向)×29.3m(高),壁厚2m。
4 双壁钢吊箱围堰设计计算
4.1 工况分析
工况一:围堰底节整体浮运到墩位后,精确定位后插打定位钢护筒
底隔舱面积706 m2,双壁面积338 m2
围堰吃水深度:3920/(706+338)=3.75m
侧板内外壁承受对压水头荷载。
工况二:围堰作为钻孔平台,进行钻孔桩施工
钢吊箱由14根定位钢护筒承载,钻孔过程中双壁隔舱灌水高度根据根据水位变化相应调节。
工况三:钻孔桩全部施工完成后,水上接高围堰顶节,下放至设计标高
工况四:浇注封底混凝土
工况五:抽水,浇注第一层承台
工况六:浇注第二层承台
工况七:拆除内支架,进行塔柱施工
4.2 围堰结构计算
4.2.1 双壁侧板
(1)围堰壁板。
围堰壁板采用δ=8mm,L75×8mm角钢加劲。加劲肋布置:最大间距为350mm,跨度有800、1000mm。考虑30倍δ8mm板参与共同受力,其截面特性为:
A=3006 mm2;I=2983066 mm4;W=51879 mm3
①1000段加劲肋允许最大水头:
由σ=MW=0.350×h×1.02×10710×51.9×103=170 Mpa(加劲肋按Mmax=1/10qL2计算)
则壁板加劲肋允许最大水头为:
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
双壁板允许最大水头为:h=23.7m
故1000mm段壁板允许水头为18.8m。
②800段加劲肋允许最大水头:
由σ=MW=0.35×h×0.82×10710×51.9×103=170 Mpa(加劲肋按Mmax=1/10qL2计算)
则壁板加劲肋允许最大水头为:
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
双壁板允许最大水头为:h=23.68m
故800mm段壁板允许水头为23m。
(2)围堰水平环及内支架计算。
围堰水平环受力控制工况为工况五,采用midas软件建立1/4整体模型,壁板内灌注的混凝土采用实体单元,面板采用加劲板单元,其余为梁单元。
①内、外壁各11.65m水头。
计算得到水平环最大应力(绝对值):
8×1000段水平环最大组合应力:30 Mpa
11×800段水平环最大组合应力:98.6 Mpa
10×1000段水平环最大组合应力(非内支架对应位置):66.5 Mpa
10×1000段水平环最大组合应力(内支架对应位置):188 Mpa(未计加强板)
表1 杆件稳定验算表
杆件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是否满足要求满足满足②内壁10.3m水头,外壁13m水头。
计算得到水平环最大应力(绝对值):
8×1000段水平环最大组合应力:29 Mpa
11×800段水平环最大组合应力:106 Mpa
10×1000段水平环最大组合应力(非内支架对应位置):67.8 Mpa
10×1000段水平环最大组合应力(内支架对应位置):174 Mpa(未计加强板)
③内壁13m水头,外壁10.3m水头。
计算得到水平环最大应力如下:
8×1000段水平环最大组合应力:26.7 Mpa
11×800段水平环最大组合应力:105.5 Mpa
10×1000段水平环最大组合应力(非内支架对应位置):90.8 Mpa
10×1000段水平环最大组合应力(内支架对应位置):196 Mpa(未计加强板)
④围堰下沉工况。
侧板内外壁承受对压水头取值为h=10.0m。
计算得到水平环最大应力如下:
8×1000段水平环最大组合应力:169.3 Mpa
11×800段水平环最大组合应力:80.9 Mpa
10×1000段水平环最大组合应力:74.3 Mpa
⑤拆除底层内支架,塔柱施工。
拆除内支架之前,可使双壁内水位高于承台顶部标高7.5m,即调节双壁内水位标高保证双壁内水位标高在�+16.5m�左右,水位+25.8m进行检算。侧板承受水头外壁为h=25.8-16.5=9.3m,内壁16.5-9=7.5m。
计算得到水平环最大应力如下:
8×1000段水平环最大组合应力:33.5 Mpa
11×800段水平环最大组合应力:72.5 Mpa
10×1000段水平环最大组合应力:136 Mpa
4.2.2 底龙骨
龙骨截面为HN700×300,所受荷载有:混凝土自重、浮力、底板及自身的重力;混凝土自重与浮力的合力为7.2t/m2(作用在底板上)。
建立1/2整体模型,龙骨局部位置加强后,计算得到龙骨最大应力值为154.5MPa,吊点位置处最大反力为98.3t。
4.2.3 内支架
内支架上下弦杆采用HM588×300型钢,斜杆采用2[28b截面,竖杆采用2[25b截面,平联采用2L125×12截面。内支架高3.2m。
(1)围堰挂桩工况。
布置6台钻机,每台钻机及其钻具按150t计。侧板及底隔舱共重2118.4t,其自重主要由浮力平衡(侧板内外壁间的面积为338m2,则需控制侧板壁板内水头比壁板外水头低6.5m以上);底板、底龙骨重量为571t,该重量由吊杆承担,加上吊杆自身重量,吊杆总数为136根,则每个吊杆力为12t。考虑水头变化影响,侧板按照30%压重作用在内支架上,水流流速按照4m/s计算得到每个定位桩处水平力61t。
计算结果如下:
2L125×12杆件最大组合应力:σmax=84.5MPa
HM488×300杆件最大组合应力:σmax=102MPa
2[28b杆件应力: σmax=63.6MPa,σmin=-�136.2�MPa
2[25b杆件应力: σmax=7.6MPa,σmin=-66.7MPa
(2)围堰封底吊挂工况。
围堰封底时,按每根吊杆受力100t计算,由程序计算得到:
2L125×12杆件最大组合应力:σmax=35.9MPa
HM488×300杆件最大组合应力:σmax=128MPa
2[28b杆件应力: σmax=163.9MPa,σmin=�-135.5�MPa
2[25b杆件应力: σmax=26.22MPa,σmin=-�20.69�MPa
(3)围堰封底完成后抽水工况。
建立1/4整体模型,按+25.8m的设计水位对底层内支架进行验算。
则程序计算得到:
2L125×12杆件组合应力:σmax=58MPa,σmin=-�68.8�MPa
HM488×300杆件组合应力:σmax=19MPa,σmin=-�137.5�MPa
2[28b杆件组合应力:σmax=27.3MPa,σmin=-�63.2�MPa
2[25b杆件组合应力:σmax=3.6MPa,σmin=-52MPa
最大轴力值为: -119t
最大Mx值为: 10.1t•m
绝对值最大My值为: 3.0t•m
验算H588×300杆件强度与稳定:
取上述杆件的各种内力的最大值进行验算。
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因此内支架上、下弦强度及整体稳定满足要求。
4.2.4 围堰封底混凝土计算
按照抽水水位+24m计算,建立封底混凝土及桩的空间数值模型,取18m的桩长。计算按参数进行,考虑了围堰自重、封底混凝土自重、侧板内混凝土自重和侧板内充水自重等的影响。允许粘结力取值为15.0t/m2。
由桩底反力减去桩身自重后,可得到桩与封底混凝土的粘结力。
计算结果如下表2所示:
表2 桩与封底砼粘结力计算表
桩号粘结力
(t)钢护筒直径
(m)单位面积允许
粘结力(t/m2)封底混凝土
高度(m)粘结应力
(t/m2)是否满
足要求1478.63.2153.514.43满足23663.2153.511.04满足33443.2153.510.37满足4470.83.2153.514.20满足5520.13.2153.514.69满足6505.23.2153.514.24满足7500.83.2153.514.10满足8380.23.2153.511.47满足9511.43.2153.514.42满足10532.53.2153.515.06满足11534.43.2153.515.02满足由以上计算结果可知局部粘结力满足要求。
封底混凝土应力:经计算得到封底混凝土最大主拉应力为0.71MPa。封底混凝土应力满足受力要求。
5 结束语
双壁钢吊箱围堰属于水上桥梁施工的大临设施,在水上施工得到了广泛应用。该桥主塔墩基础尺寸大,承台平面尺寸为51.2×34.2m。桥址处航运极为繁忙;正桥桥位处水流速度大,主塔墩覆盖层浅;长江水位变化大,长江汛期对桥梁基础施工影响大。本桥双壁钢吊箱围堰的设计及计算将为今后类似工程提供参考与借鉴。
