陶乐黄河特大桥主墩双壁钢围堰设计与施工

2010-08-04潘志明

铁道标准设计 2010年3期

潘志明

(中铁十九局集团第四工程有限公司,内蒙通辽 028000)

1 工程概况

陶乐黄河特大桥位于宁夏回族自治区北部,行政范围属于石嘴山市陶乐县、平罗县,以黄河为自然分界,河东属于陶乐县,河西属于平罗县。桥梁设计全长1770m。全桥的跨径组合为:(35×30+60+5×90+60+5×30)m=1 770m。主桥的跨径组合为:(60+5×90+60)m,主桥为预应力混凝土连续箱梁。

39号、40号墩为水中大跨主墩,采用群桩承台基础。39号墩 14根钻孔灌注桩,直径 1.8m,40号墩 10根钻孔灌注桩,直径 1.8m,承台平面均为八角形状。39号墩承台外形结构最大平面尺寸为 1 685 cm×1 565 cm,顶面高程为 1 096.184 m,底面高程为1093.184m,承台厚度为 3.0m。40号墩承台外形结构最大平面尺寸为 1 685 cm×1 100 cm,顶面高程为 1 093.497m,底面高程为 1 090.497m,承台厚度为 3.0 m。陶乐黄河大桥主墩承台采用双壁钢围堰进行设计施工(图1)。

2 施工方案的确定

设计采用钢套箱围堰进行承台施工。考虑这种围堰在水压力作用下,只产生环向轴力,可不设内支撑,因此能提供足够的施工空间,钢套箱围堰的内径比承台外径稍大,在灌注承台混凝土时,可作为承台模板使用。另外,由于其截面可以导流,因此抗水流能力强,对于流速较大的深水施工十分有利。

3 桥址处自然条件

3.1 水文条件

300年一遇最高水位1 099.96m,流量8 520m3/s,平均流速 1.26m/s;100年一遇最高水位 1 099.69m,流量 7 370m3/s,平均流速 1.21m/s;10年一遇最高水位 1099.17m,流量 4 900m3/s,平均流速 1.09m/s。汛期为 7、8、9三个月,平均每年 11月 24日至下一年 1月 14日为冰凌期,封河时水位较封河前水位平均上涨1.5～2.0 m。测时 (2003年 8月 22日)水位1096.95m。通航水位 1 099.17m(相当于 10年一遇洪水位)。常水位 1097.77m(Q=1 050m3/s)。施工水位 1 098.684m。

3.2 地质条件

主墩河床地质条件自上而下依次为细砂、粉砂、亚黏土,细砂层为大桥的主要持力层。

3.3 河床冲刷

(1)河床高程:39号墩为 1 096.975m,40号墩为1094.460m。

(2)冲刷:一般冲刷,上层土壤平均粒径 0.239 mm,一般冲刷后最大水深 9.12m;局部冲刷:群桩基础取中层土壤平均粒径 0.239mm,冲刷为 4.23m。总冲刷深度:15.35m(包括 2m天然冲刷)。

4 钢围堰设计

4.1 设计参数

(1)设计荷载取值。流水断面设计流速 1.21m/s;封底混凝土容重 23 kN/m3;水的容重 10 kN/m3;静水压力 10kPa;细砂容重 18 kN/m3。

(2)设计荷载组合。水平荷载:静水压力 +流水压力 +土压力 +其他;竖直荷载:钢围堰自重 +配重 +封底混凝土自重 +浮力 +其他。

(3)结构参数取值。考虑施工 10 cm的误差,钢围堰平面为圆形结构,双壁钢围堰壁厚为 1.2m,39号墩钢围堰内径为 20.2m,外径为 22.6m,刃脚高为 1.2 m,总体高度为 8.4m;40号墩钢围堰内径为 17.40m,外径为 19.80m,刃脚高为 1.2m,总体高度为 12.0m。

4.2 强度计算(图2)

图2 封底抽水后钢围堰计算荷载模式

钢围堰吸泥下沉时,围堰内保持水面高程与围堰外水位高程大致相同(边射水边吸泥)。围堰下沉到设计高程,进行水下混凝土封底,封底混凝土达到设计强度后,抽水进行承台施工,此时围堰各杆件受力最大。计算结果见表1、表2。

表1 39号墩钢围堰最大受力计算结果 MPa

表2 40号墩钢围堰最大受力计算结果 MPa

4.3 钢围堰计算方法及模式

计算模型分析:将钢围堰面板所承受的水压力转化为节点力,节点力方向垂直于各构件,按实际情况,杆件赋予了各自的材料特性,同时将竖向钢箱模拟在模型中。计算内容:钢围堰在水平水压力、土压力和浮力作用下,对钢围堰整体进行计算,分析水平桁架、竖向桁架等。

由于具有显著的抗病毒活性，脂氨基酸（lipoamino acids）已经引起研究人员的重视。某些酰基氨基酸衍生物也被报道可以抑制流感神经氨酸酶（influenza neuraminidase）[159]。一些Nα-棕榈酰化的氨基酸/肽当并入模型膜内，会影响转变温度（transition temperature）（从双层向六角聚集的转变）。

约束条件:封底后钢围堰底为固接,水平桁架和竖向桁架节头为固接。

4.4 钢围堰结构布置(图3、图4)

图3 39号墩双壁钢围堰平面、立面(单位:cm)

图4 40号墩双壁钢围堰平面、立面(单位:cm)

39号墩双壁钢围堰平面呈圆形,内径 20.2 m,外径 22.6m,刃脚高为 1.2m,总体高度为 8.4m。根据起吊和运输能力,把钢套箱在高度上分节,除刃脚(高1.2m)外,分为 3节,各节高均为 2.4m。钢套箱在平面分成 8块,各块圆心角 45°,外弧长 8.875 m,内弧长7.933m。钢围堰内、外壁板和隔舱板厚度 δ=5mm;水平加劲肋 10mm×160mm,第一节至第三节竖向间距分别为 300、400、600mm;水平环形桁架弦板为 10 mm×200mm+16mm×110mm,腹杆为75mm×75 mm×6mm,水平环形桁架竖向间由第一节至第三节分别为 600、800、1 200 mm;竖向加劲肋63mm×63 mm×5mm,间距为 296mm(外壁板上)、264mm(内壁板上);钢套箱内外壁板间设竖向桁架,弦杆75mm×75mm×6mm,腹杆63mm×63mm×5mm,节间长度为 1 200mm,竖向桁架间距为 4 438mm(外壁上)和3967mm(内壁上);钢套箱竖向设 8个隔舱,隔舱板板厚 δ=5mm,水平加劲肋63mm×63mm×5mm,竖向间距为 300、400、600mm。

40号墩双壁钢围堰平面呈圆形,内径 17.40m,外径 19.80m,刃脚高 1.2 m,总体高度 12.0m。根据起吊和运输能力,把钢套箱在高度上分节,分为 5节,各节高均为 2.4 m。钢套箱在平面分成 8块,各块圆心角 45°,外弧长 7.775m,内弧长 6.833m。钢围堰内、外壁板和隔舱板厚度 δ=5 mm;水平加劲肋 10mm×160mm,第一节至第三节竖向间距为 300 mm,第四节间距为 400mm,第五节间距为 600mm。水平环形桁架弦板第一、二节为 10mm×200mm,间距 600mm,第三、四节为 10mm×200mm+16mm×110mm,间距为600、800 mm,第五节为 10 mm×200mm,间距 1 200 mm;腹杆为75mm×75mm×6mm。水平环形桁架竖向间距第一、二、三节为 600mm,第四节为 800mm,第 5节为 1 200mm。竖向加劲肋63mm×63mm×5 mm,间距为 311mm(外壁板上)、273mm(内壁板上);钢套箱内外壁板间设竖向桁架,弦杆75mm×75mm×6mm,腹杆63mm×63mm×5mm,竖向桁架设置在隔舱板中间,共有 8副;钢套箱竖向设 8个隔舱,隔舱板板厚 δ=5mm,水平加劲肋63mm×63 mm×5 mm,竖向间距:第一、二节 600mm,第三节 300mm,第四节 400mm,第五节 600mm。

5 钢围堰施工

钢围堰采用岸上分块加工,通过水上运输设备运至墩位处,在水中平台上焊拼。加工过程中严格控制质量,实行工序控制,每完成一个工序的工作,经检验合格后再进行下一道工序的施工。加工完一节即在岸上进行试拼装,以减小加工过程中的人为误差和累计误差。钢围堰施工工艺流程见图5。

图5 钢围堰施工工艺流程

5.1 钢围堰吊装塔架搭设

利用对称的 4根钻孔桩护筒(或在承台范围内对称地打设 4根钢管桩)作为钢围堰起吊塔架基础,将护筒或钢管桩接高,再在钢护筒或钢管桩上布设工字梁并在工字梁端头设吊点用于起吊钢围堰。在吊装塔架的工字梁的吊点上安装 8台容许起重量为 200 kN的倒链葫芦作为起重设备。围堰拼装平台搭设原钻孔桩平台上进行改造,搭设钢围堰拼装平台,在拼装平台上加工、拼装钢围堰。

吊装塔架的吊装设备为 8台 200 kN倒链葫芦,上端挂在工字梁的悬臂端的吊环上,下端挂在钢围堰上的吊环上,按钢围堰最大节重 1 500 kN,每个吊点的实际吊力为 187.5kN。

5.2 钢围堰的拼装、下沉

5.2.1 拼装

(2)钢围堰按序号逐块连接拼装接高,拼装时必须以围堰中心为对称拼节,保证钢围堰的整体稳定及倒链葫芦的均衡吊力。钢围堰接高完成后靠自重下沉到一定的深度时即不再下沉,这时就要给钢围堰增加配重使之克服浮力下沉到河床一定深度;增加配重的办法是向钢围堰双壁之间注水、填砂或者浇筑混凝土,使钢围堰及内部填充体的重力大于钢围堰的浮力而继续向河床下沉。在向钢围堰内填充配重物时要保证配重均匀、钢围堰下沉均匀。

5.2.2 钢围堰吸泥下沉

钢围堰底部刃脚进入河床后钢围堰开始下沉缓慢直至不再下沉,这时就要在钢围堰内射水吸泥使其下沉到达设计高程。利用空压机、吸泥泵、高压射水装置吸泥,在钢围堰双壁间注水及灌注混凝土配重,使钢围堰缓慢下沉至设计高程。

5.2.3 钢围堰纠偏

钢围堰在配重下沉和内部吸泥下沉过程中总是由于各种不均匀、不平衡因素而使钢围堰产生倾斜现象,在钢围堰的较高侧内部射水吸泥是纠正钢围堰倾斜现象的办法。钢围堰在下沉过程中总是在边下沉、边测量、边进行射水吸泥纠偏,直至到达设计高程。

5.3 钢围堰封底

钢围堰下沉到位后,搭设封底平台,采用刚性导管法灌注水下混凝土。39号墩封底净面积为 285m2左右,厚度 2.5m,总方量为 720m3,根据导管的作用半径和施工经验计算得出需要布设 13根导管;40号墩封底净面积为 240m2左右,厚度 3.0m,总方量为 720 m3,根据导管的作用半径和施工经验计算得出需要布设 10根导管。混凝土配合比中掺加缓凝剂,混凝土初凝时间可达 24h左右。封底混凝土的浇筑顺序为:先周边,后中间。

6 双壁钢围堰施工注意事项

(1)钢围堰及胎具制做的有关加工细节必须符合桥规中钢结构部分有关规定,对焊缝及轮廓尺寸须进行严格检查,以确保焊缝的焊接质量。浮运下水前必须做水密性试验。

(2)拼装平台要保证水平。拼装钢围堰时要保证圆曲线准确、对正、垂直。钢围堰拼组时应先将各块点焊成型,待对其高度、倾斜度及结构情况检查签证验收合格后方可全面施焊。

(3)钢围堰下沉前进行清基工作时,应认真探明河床地貌情况,以便最后确定钢围堰下沉着床方案。

(4)钢围堰下沉时注意:起重时注意 8个吊点时时保持同步,即保持钢套箱的水平起吊。钢围堰放入水中后要时时保持钢围堰处于浮力小于重力状态,即要保持倒链葫芦时时处于张力状态。向钢围堰内加配重时要保证对称均匀施加。将钢围堰放入水中时,8台倒链葫芦要同步撤载,保证受力均匀、平稳。钢围堰上接高时,随着底层钢围堰的受力而不断地、均匀地松弛倒链葫芦,使钢围堰整体均匀地沉入水中。

(5)钢围堰下沉就位,在刃角处封堵后,由潜水员再次探测清基情况,以防基岩覆盖物过多,影响封底效果。

(6)在浇筑水下封底混凝土前要精确探明基底各部位的高程,先浇筑低处的封底混凝土,以免高处导管内混凝土往低处流淌造成导管底口脱空或埋入的厚度过薄,致使导管底口进水发生质量事故。并遵循从一侧向另一侧或从周围向中间的原则,以免基底浮泥及封底顶面的浮浆集中在围堰边缘。同时在浇筑过程中,随时测量浇筑高度,以防超浇或欠浇。