古龙大桥主墩承台围堰结构设计方案

李明珊

(广西路桥工程集团有限公司，广西　南宁　530011)



古龙大桥主墩承台围堰结构设计方案

李明珊

(广西路桥工程集团有限公司，广西南宁530011)

桥梁水中承台施工是桥梁施工的重点、难点工程。文章以古龙大桥为例，介绍了连续刚构桥梁主墩承台围堰结构设计方案，并通过钢套箱结构强度及稳定性验算，验证了该设计方案的合理性。

套箱围堰；连续刚构；承台；结构设计；稳定性验算

0　引言

桥梁水中墩台围堰施工，是桥梁工程的重点和难点。水中墩台的围堰结构设计，不仅关系到围堰结构受力的合理及安全问题，往往还关系到桥梁施工的成本。通过有效、合理的计算及分析，不仅能够确保围堰结构在桥梁施工使用过程中的安全性，也能最大限度地发挥结构的有效应力，达到节约材料、节省投资的目的。同时，合理的计算及分析，也在一定程度上加快了桥梁施工的进度。

1　工程概况

古龙大桥位于大化至巴马二级公路岩滩镇附近，为预应力混凝土连续刚构桥，桥长459.08 m，主桥为(85+160+85)m预应力混凝土连续刚构，全长330 m；引桥为先简支后连续后张法预应力混凝土T梁，全长139.08 m。按照斜桥正做方法进行布置。其桥梁主墩基础为承台接群桩基础。古龙大桥主墩承台采用上、下端带圆弧形的承台，横桥向宽度为18 m，顺桥向宽度为13 m，厚度为4.5 m，基础采用4φ2.8m钻孔灌注桩，见图1。

图1　主墩承台立体图

2　桥位地形地貌

古龙大桥位于岩滩镇古龙村村口，桥梁跨越红水河，河水由北向南流动，河水位高程为154.40m，地面高程为154.372～196.563m。桥址处河道比较顺直，大化岸主要为旧路路基边坡，边坡上半部植被主要为松树及灌木、杂草，下半部主要为稀疏杂草或开荒玉米地；巴马岸较大化岸平缓，主要为阶梯玉米地及荒地，植被较稀疏。桥位区属于剥蚀丘陵地貌，路线与红水河航道线斜交约65°，勘测期间水面宽度约220m，最大水深约29m。红水河通航等级为Ⅳ(3)级。

3　主要工程特点

古龙大桥处于大化水电站库区末端，并处在沿滩水电站的下游，距离沿滩水电站约5km，水深较深，河道有通航要求。承台为高桩承台，承台顶面标高位于常水位水面以下，需要采用有底钢套箱施工。

(1)钢套箱尺寸和重量较大，分别为18.4m(长)×13.4m(宽)×7.5m(高)m和176t，拼装、下放、定位难度较大。

(2)钢套箱施工、封底混凝土都是大型作业，封底混凝土和承台混凝土数量分别为237m3和946m3，施工技术难度和组织难度均较大，需各方通力配合。

(3)套箱加工、运输、安装、下沉等要求施工组织严密，涉及水上施工作业，安全风险高。

(4)套箱壁板拆除需要潜水员到水下松开高强螺栓和进行水下切割作业，施工难度较大、安全风险较高。

4　套箱围堰设计

4.1套箱结构概况

1#、2#主墩钢套箱的内部净尺寸为18.4m(长)×13.4m(宽)×7.5m(高，不含底板结构高度0.2m，以下数据一致)的八面体结构，钢套箱先在岸上进行分块加工，并进行预拼，经检验合格后，通过平板拖车运到墩位处，采用25t汽车吊配将底板和壁板依次分块拼装。采用10t倒链滑车利用钢护筒将钢套箱悬吊在护筒吊架上。通过吊挂升降系统，将套箱在水面以上拼装好后，再整体下放到设计标高。

施工承台时的施工水位按156.4m考虑，套箱侧板底比承台底低1.0m，套箱顶口高于施工水位44cm，顶面标高156.84m。结合承台的结构尺寸，单壁钢套箱设计为八面体，套箱内部净尺寸为18.4m(长)×13.4m(宽)×7.5m(高)，四边均比设计尺寸宽20cm以避免安装偏差造成承台尺寸不合格。外部尺寸为18.8m(长)×13.8m(宽)×7.5m(高)，套箱设计抵抗水压力为6.9m，套箱结构如图2～3所示。

图2　承台套箱壁板结构图

图3　承台套箱底板结构图

4.2底板结构

底板面板采用6mm钢板，横、纵向加劲肋梁采用Ⅰ25a工字钢，主梁采用2Ⅰ56a工字钢，加劲肋之间、主横梁与加劲肋之间采用L100×63×10角钢做面板背肋，封底混凝土采用C30高性能水下混凝土。

4.3壁板结构

加工套箱壁板的材料为：壁板采用8 mm钢板，竖向背肋采用-100×10 mm扁钢做肋板，间距30 cm；横向背肋肋梁采用[10#槽钢，间距30 cm；每块壁板四周采用∠100×63×10 mm型号角钢，采用M20高强螺栓将分块的壁板连接成整体。为增强壁板抵抗水压力的能力，在壁板竖向和水平布置由Ⅰ28 b工字钢焊接成的框架式主梁，竖向间距120～140 cm，水平间距为2@60 cm+120 cm+150 cm。

4.4内支撑系统

套箱内部支撑采用φ529mm、壁厚8mm钢管，Ⅰ45a双拼工字钢作套箱顶口内支撑围檁。围堰设两道内支撑，第一道距离围堰顶往下1.7m位置，第二道距离第一道往下1.9m位置。

5　钢套箱结构强度及稳定性验算

利用Midas/Civil2010结构分析软件建立空间模型进行整体结构分析，Midas/Civil模拟分析说明如下：

(1)壁板迎水面受到的动水压力根据《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)流水压力计算公式按照最大流速0.5m/s进行计算，然后通过面荷载的形式叠加到迎水面的壁板上，流水压力计算过程如下：

(2)基于围堰属于临时结构考虑，本方案所有midas/Civil软件所输入的荷载组合系数均按1.0考虑，按各不利荷载进行组合。验算工况见表1。

表1　围堰施工验算工况表

5.1套箱浇筑封底混凝土工况验算

在此工况下钢套箱体自重和封底混凝土的重力全部由固定在钢护筒上的抗拉压杆承担。在建模分析计算中，用均布荷载代替封底混凝土的压力，所受到的荷载值计算如下：封底混凝土压力1×15=15kN/m2；壁板重量采用线荷载加载在底板四周边梁上88.67×10/56.1=15.81kN/m(下文中底板强度验算都已包含壁板荷载)，验算模型分析如图4～5所示。

图4　底板结构浇筑混凝土时分析模型图

图5　抽水后底板钢结构受力分析图

根据软件分析结果可知，在浇注封底混凝土时，底板最大剪应力为61.9MPa<85MPa，发生在挂点附近主梁单元上；最大弯曲应力为132.9MPa<145MPa，底板最大挠度为21.8mm，发生在套箱短边中心位置，挠度较小。因此，经验算钢套箱在此荷载工况下的强度及挠度均满足规范要求。

5.2钢套箱抽水工况验算

钢套箱抽水工况下底板和壁板都受到很大的水压力作用，整个套箱受到较大的浮力作用，因此需分别对底板、壁板进行强度、刚度验算和对整个套箱进行整体抗浮稳定性验算。验算时，按照套箱最大设计承压高度156.300m水位标高进行验算。

5.2.1套箱底板强度验算

在抽水工况下封底混凝土已经达到设计强度，与底板钢结构连结成整体受力和变形，并与钢护筒产生有效的粘结。抽干水后，套箱底板受到强大的水压力作用，在此工况下主要验算底板钢结构的结构强度和封底混凝土的应力状况，要保证封底混凝土顶面拉应力不超过设计抗拉强度标准值R1，查《路桥施工计算手册》可知C30混凝土的R1=1.75 MPa。底板受到的水压力值为6.9×10=69 kN/m2，受到壁板的重力为17.5 kN/m。

从分析计算结果可知，钢套箱抽水后由于封底混凝土与底板钢结构整体受力，底板钢结构的应力较小，最大剪应力仅为3.4 MPa<85 MPa，最大弯曲应力仅为6.6 MPa<145 MPa；封底混凝土的最大拉应力为0.83 MPa<1.75 MPa。因此在此工况下底板结构的结构强度满足规范要求。

5.2.2套箱壁板强度验算

钢套箱壁板设计最大水深为6.9 m，即+149.5 m～+156.4 m。承台钢套箱封底混凝土强度达到后，将套箱内水全部抽干，此时壁板将受到强大的水压力作用，此工况为壁板受力的最不利工况。此荷载工况下，结构侧壁受到6.9 m高的水压力作用。结构验算如图6～7所示。

图6　套箱侧板应力分析图

图7　浇筑承台混凝土套箱壁板变形图

面板最大有效应力为28.8 MPa，发生在套箱四个角落位置，位于封底混凝土顶面处，28.8 MPa<145 MPa，梁单元的最大剪应力为44.06 MPa<85 MPa；最大弯曲应力为133.2 MPa<145 MPa；加强背肋最大弯曲应力为81.2 MPa<145 MPa；均满足要求。钢管支撑最大轴应力为29.4 MPa。所以综上所述套箱各单元应力满足规范要求。

在6.9 m水深的压力作用下，钢套箱面板最大挠度为3.5 mm

5.3浇注承台混凝土工况验算

主墩承台混凝土根据设计高度为4.5 m，为了考虑到围堰侧板的安全，计划分两层浇筑，第一层浇筑高度2 m，第二层浇筑高度为2.5 m。第一层混凝土养生7 d，强度不低于设计强度的80%后，浇筑第二层混凝土。浇筑第一层混凝土时，混凝土底部的水压力是6.9×10=69 kN/m，混凝土的重力为25×2=50 kN/m，混凝土的重力与水压力基本平衡，因此无需对底板结构进行验算，只需验算围堰的侧板。圆弧端承台考虑支立部分模板浇筑，因此浇筑第一层混凝土时混凝土侧压力直接作用在围堰两侧板上。

按浇筑速度计算混凝土侧压力：

rc=25 kN/m3，t0=8 h，β1=1.2，β2=1.15，V=0.2 m/h；计算得F=27.15 kN/m2。

5.3.1浇筑首层混凝土壁板强度验算

经受力验算，钢套箱壁板结构在浇筑首层承台混凝土时，受到的最大剪应力为26.6 MPa<85 MPa；受到的最大弯曲应力为74.1 MPa<145 MPa；最大变形>3 mm，变形较小。从受力图可以看出，在浇筑第一次混凝土时由于混凝土侧压力与水压力相互平衡的作用，混凝土对侧板的侧压力作用对围堰侧板结构是有利的。因此壁板结构在浇筑首层承台混凝土工况下，结构强度满足规范要求。

浇筑第一层混凝土，围堰承载能力验算：

G封底=5 926.2 kN、G套箱=1 712.85 kN、G承台=231.46×2×25=11 573 kN；

F浮力=14 020.8 kN、F握裹力=4 521.6 kN、F拉压=6 369.3 kN；

5.3.2浇筑第二层混凝土壁板强度验算

图8　浇筑第二层混凝土套箱壁板变形图

经受力验算(见图8)，钢套箱壁板结构在浇筑第二层承台混凝土时，受到的最大剪应力为25.8 MPa<85 MPa；受到的最大弯曲应力为105.56 MPa<145 MPa；最大变形为1.06 mm

综上所述，在浇筑承台混凝土的工况下，钢套箱的结构强度和变形满足规范要求。

6　结语

经过计算表明，主墩钢套箱结构强度、刚度和稳定性满足各施工工况的要求，封底混凝土的强度满足受力要求。本工程方案设计计算合理，经济可行。单臂钢套箱堰施工具有：结构自重轻，整体刚度大；水密性能好，防渗性能好；施工简便占用场地小；侧板材料可以重复利用；结构方式灵活多样等优点。本工程利用单臂钢套箱围堰施工方法，既可以保证结构安全，又可以降低造价，提高施工速度，降低水下作业和施工难度，经济效益显著。

[1]GB 50017-2003，钢结构设计规范[S].

[2]《钢结构设计手册》编委会.钢结构设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.

[3]周水兴，何兆益，等.路桥施工计算手册[M].北京：人民交通出版社，2010.

[4]交通部第一公路工程总公司.桥涵.[M].北京：人民交通出版社，2000.

Cushion Cap Cofferdam Structural Design Program for Main Pier of Gulong Bridge

LI Ming-shan

(Guangxi Road and Bridge Engineering Group Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530011)

Underwater cushion cap construction of bridges is always the key and difficult project in bridge construction.Taking Gulong Bridge as the example，this article introduced the main-pier cushion cap cofferdam structure design program of continuous rigid frame bridge，and through the structure strength and stability computations of steel boxing，it verified the rationality of this design program.

Boxed cofferdam；Continuous rigid frame；Cushion cap；Structural design；Stability computations

U443.25

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.07.010

1673-4874(2016)07-0037-04

2016-06-10

李明珊(1983—)，研究方向：桥梁施工。