高低刃脚钢筋混凝土薄封底双壁钢围堰设计与施工

吴 俊，刘建超，王文龙

(中铁一局集团第二工程有限公司，河北 唐山 063004)

目前，桥梁深水群桩基础常采用钢围堰施工工艺。钢围堰按结构形式可分为钢套箱、钢吊箱和钢围堰，按截面形式可分为单壁结构、双壁结构和单双壁组合结构。低桩承台施工时，钢围堰因其结构合理、受力良好、工期短、受水文条件影响小等特点而常被采用。然而，传统钢围堰对河床地形要求较高，需进行河床处理，工序较复杂，施工成本较高。南平新水东大桥(57.5+105.0+57.5)m 连续梁3号主墩基础施工过程中，成功应用一种“高低刃脚+钢筋混凝土薄封底”结构形式的双壁钢围堰。

1 工程概况

南平新水东大桥建设工程位于南平市延平区城北，大桥上跨闽江建溪河道。建溪为Ⅳ级通航河道，施工常水位标高为62m，一般洪水位标高为65m，桥位处设计流量 22600m3/s，设计流速4.2m/s。根据工期安排，承台施工处于雨季，近10年水文资料显示，河道最大水流速2.48m/s。3号主墩位于建溪河道内，常水位时水深15.5m。根据地勘资料显示，承台范围内河床无覆盖层且地形陡峭，河床地质为中风化凝灰质粉砂岩，呈“V”形冲沟，最大相对高差2.9m。

施工现场周边河堤岸场地狭窄，没有双壁钢围堰底节拼装场地，需要在水中组装浮龙门作为拼装平台。

2 双壁钢围堰结构设计

双壁钢围堰结构总体设计思路:先综合考虑承台设计尺寸、河床地质等条件，采用GPS－RTK水下测量仪精确测量河床地形，确定双壁钢围堰平面结构形式及尺寸;再结合以往10年间同时期水文资料，选定合理水流速、水位标高等设计参数，以确定双壁钢围堰受力荷载及制作高度;最后对结构各杆件和封底混凝土进行相关验算，最终确定双壁钢围堰结构。

3号墩桩基础采用8根2.2m钻孔灌注桩，设计桩长73m，承台尺寸为(20.1 ×9.1 ×4.0)m。钢围堰采用圆形双薄壁钢结构，内径23.874m，外径26.738m，壁间宽1.432m，高度H为14.1 ～17.0m。钢围堰结构验算时，按钢围堰内抽水施工承台混凝土时的最不利工况进行考虑，此时只考虑静水荷载作用。

2.1 水下地形测量

为获得详细、准确的地形，水下地形测量时按等高距0.5m、点位间距1m×1m进行量测，导出图形为CAD格式，图纸比例为1∶100。

测量仪器采用中海达GPS－RTK配合中海达数字化测深仪HD－31，测量船选择柴油动力机动舟，测量时船的航速应控制在2m/s左右。测深仪主机放在驾驶舱中，换能器选择在船体中部船舷旁固定牢固，这样可保证探头不松动和减少行驶过程中波浪对探头的干扰。换能器立杆应保持与水面垂直，且其吃水深度不小于0.5m。测深仪通过数据线与换能器相连，再利用HD－31自带的NAV310测量软件获取水深值由测量软件直接调用，实现零延迟传送，水深和定位达到同步。刃脚段设计时，根据水下地形测量数据画出剖面展开图，以确定高低刃脚结构尺寸。底节展开如图1所示。

图1 双壁钢围堰底节结构展开示意

2.2 侧壁钢面板验算

钢围堰刃脚壁板厚δ1=16mm，由于刃脚段隔舱内充填混凝土，在着床工况下进行承重验算，本工况下可不予验算。未充填混凝土部分的壁板厚δ=6mm，最大水深h=11m(呈三角形分布)，此时，壁板承受的最大水压荷载q=110kN/m2。壁板竖肋间距lx=33.3cm，水平圆环板间距ly=150cm。取3段33.3cm×150.0cm宽单向板简化成三等跨连续梁。

2.3 壁板竖肋角钢验算

水平圆环板层间距为1.5m，竖肋∟50×6间距lx=33.3cm。考虑宽33.3cm、厚 δ=6mm 的壁板与竖肋共同受力。组合截面如图2所示。

图2 角钢与壁板的组合截面

根据结构分析可知:壁板截面面积A矩=19.98cm2;角钢截面面积A角=5.69cm2;角钢重心距z0=1.46cm。壁板惯性矩 I矩=0.6cm4;角钢惯性矩 I角=13.05cm4。组合截面简化成按三跨连续梁，如图3所示。

图3 竖肋角钢受力分析

2.4 水平横撑验算

水平横撑构件为∟ 50×50×6，长度 L=132cm，简化成单根水平横撑承受水压作用于33.3cm×150cm宽单向板的荷载，水平横撑按两端铰支考虑。

根据结构分析可知:角钢面积A角=5.69cm2;惯性矩 I=1.305 ×10－7m4;回转半径 ix=1.52cm，长细比λ =L/ix=86.8，查表得稳定系数φ=0.642;折算长度系数μ=0.5。

2.5 水平圆环板验算

水平圆环板采用厚δ0=16mm钢板。简化成33.3cm宽、厚δ=6mm的壁板与水平圆环共同受力，壁板与水平圆环板组合结构如图4所示。

图4 壁板与水平圆环板组合截面

根据结构分析可知:壁板截面积 A矩=19.98cm2;圆环板截面积 A圆=24cm2;z0=4.56cm。壁板惯性矩I矩=0.6cm4;角钢惯性矩 I角=450cm4。组合截面简化成按三跨连续梁，如图5所示。

图5 组合结构受力分析

由上述可知:组合截面静矩yc=11.04cm，组合截面惯性矩13.74kN·m。截面边缘惯性模量:截面边缘应力［σ］=188.5MPa。因此，水平圆环板结构满足要求。

2.6 钢筋混凝土封底验算

钢筋混凝土封底设计时，按钢围堰内抽水施工承台混凝土时的最不利工况进行验算。此时水深h水=16.5m，钢筋混凝土封底厚度取 h混凝土=1.5m。封底计算半径(取至刃脚斜面一半)a=12.653m。简化成按周边简支的圆板承受均布荷载。

2.6.1 按抗弯计算

根据结构分析可知:单位荷载:q=129kN/m;弯矩M=qa2(3+μ)/16=4.088×109N·mm。根据单筋矩形截面最大受弯承载力公式:

式中，As为纵向受拉截面面积，沿半径方向布置64根20螺纹钢，总面积20106.2mm2;fy为钢筋抗拉强度设计值，取300N/mm2;γs为内力矩的内力臂系数为截面抵抗矩系数，α=sM为弯矩值;α 为混凝土受压区等效矩形1应力图系数，取1.0;fc为混凝土轴心抗压设计值，取14.3N/mm2;b为板厚，取1000mm;h0为有效截面高度，h0=H－as;H为封底混凝土厚度;αs为钢筋合力点到混凝土底边缘距离，取100mm;

根据上述叠加化简后，得:

2.6.2 按抗剪计算

根据结构分析可知:封底混凝土底部承受浮力F浮=γ水h水A=82989.06kN;封底混凝土自重 G=γ混凝土V混凝土=16577.63kN;封底混凝土板周边剪力Q=F浮－G=66411.43kN;封底混凝土板与钢围堰周边接触面积A=πDH=119.25m2。C25混凝土抗拉强度1.27MPa。由此可知:封底混凝土板周边剪应力 τ=Q/A=0.56MPa＜［τ］=1.27MPa。

综上所述，1.5m厚C25钢筋混凝土封底能满足施工要求。

2.7 有限元建模分析校核

为确保施工安全，根据相关设计要求，采用MidasCivil2012建模进行钢围堰结构分析，采用Ansys建模分析封底混凝土，以校核简化验算数据的合理性。经过建模分析，钢围堰内、外壁板应力云图，钢围堰竖肋、水平横撑及斜撑应力分析及内外圆环板应力云图可知:在最不利工况下各杆件最大应力:①壁板:σ=90.84MPa;②竖肋及横撑:σ=105.04MPa;③圆环板:σ =96.054MPa。由钢筋混凝土封底厚度取1.3m分析结果可知，钢围堰内外壁板变形值5.4m，超过允许值3.75mm的范围，结合需要对钢围堰进行配重以保证其在大流速下的整体稳定性，需要在钢围堰底节的隔舱内灌注C20混凝土以增强钢围堰壁板强度。

由封底混凝土应力云图可知，封底混凝土最大变形值为 0.274mm，剪应力为1.08MPa，C25 水下混凝土抗拉强度为1.27MPa。同时，由于在钢围堰内壁板及钢护筒与混凝土接触部位应力较大，在底部约束处出现应力激增现象，实际施工中，钢筋混凝土封底厚度增大为1.5m，需要采用钢刷打磨壁板和焊接锚固钢筋等措施，以增加界面间的摩擦力和锚固力，以抵消应力激增现象。

3 施工关键工序

结合现场实际情况及结构验算中存在的问题，施工过程中的关键在于:①组装浮龙门平台用于钢围堰底节拼装;②钢围堰在水深、流急、倾斜裸岩面的着床;③封底中钢筋网片、锚固加强筋的设置及封底混凝土浇筑质量。

3.1 钢围堰底节拼装

浮龙门结构为12节标准舟节组成4条舟体，将2条舟体并在一起组成1组，2组舟体拉开27.738m空档，两侧仅预留0.3～0.6m活动余量;为加强整体稳定性，将2组舟体通过2组贝雷梁连接成整体(每组贝雷梁为3榀);支墩采用4组双拼I20a组成，净高8m;浮龙门平台采用4组贝雷梁(每组贝雷梁为2榀)，并确保钢围堰单元块分块缝正好位于贝雷梁上。浮龙门横梁采用2组贝雷梁，每组贝雷梁为4榀;贝雷梁上面安装4组4轮滑轮组及4台5t的慢速卷扬机组成升降系统(见图6)。

图6 浮龙门结构示意

每个围堰节段沿圆心等分为10个单元块，单元块在胎模上先加工底节刃脚构件后加工其余节段。底节拼装前，采用10t重力锚的强力锚缆固定浮龙门，并及时掌握水流、水位变幅等水文信息，随时调整浮平台位置，确保拼装时平台稳定。拼装前，在浮龙门平台上准确放出各单元体轮廓位置，利用浮吊将钢围堰底节各单元块对称拼装，底节拼组时，及时检查平整度和垂直度，要随拼装，随调整，待全部点焊成型后，方可全面焊接。拼装时需采用手拉葫芦缆风绳固定单元块，同时在刃脚设型钢支墩作为临时支垫。底节拼组完成后，全面检查各焊缝质量，确保焊接良好不漏水。

3.2 钢围堰节段接高、下沉着床

底节拼装完成后，利用浮龙门提吊下水至导向船内，再采用机动舟顶推浮运至墩位处抛锚锚定，浮吊吊装单元块水平环向对称接高钢围堰。焊缝检查合格后，向钢围堰隔舱内同时对称注水下沉。钢围堰注水下沉距河床面30cm时，采用锚机精调导向船定位。潜水员配合确定钢围堰刃脚先着床的区域后，向位于该区域的隔舱内快速注水下沉，使钢围堰着床处于半稳定状态，再注水下沉其余隔舱使其顶面标高一致，然后安排潜水员在刃脚与河床之间采用钢马凳进行支垫，其余空隙采用堆码袋装水泥和砂的混合料堵塞密实。

3.3 薄封底钢筋混凝土施工

封底层钢筋主要由3部分组成:①底节刃脚及内壁板内侧与封底混凝土接触区域用砂轮机打毛后，围焊“几”字形20螺纹钢筋作为锚固筋，环向间距0.3m，层间距50cm;②在每根钢护筒外壁围焊L形20螺纹钢筋作为锚固筋，环向间距0.3m，层间距50cm;③封底内钢筋网片采用20螺纹钢筋，网格间距15cm×15cm，距底板10cm，先水下安装护筒以外圆弧部分封底混凝土内钢筋网片，护筒下放完毕后，再水下安装钢护筒之间的钢筋网片。

封底混凝土施工前，应先对称浇筑隔舱内的C20混凝土。封底混凝土坍落度控制在16～22cm，水底扩散半径4～6m，首灌封底采用拔塞工艺。灌注顺序按照“河床标高由低到高、由外而内”的原则进行，施工时在围堰内按1.5m×1.5m方格布置测点，每隔30min用平板测锤对封底区域内混凝土面进行监测，直至达到设计标高。

4 结语

通过采用组拼浮龙门平台，有效解决底节拼装场地狭窄的问题。通过结构简化验算，钢围堰各单元杆件均满足相关要求，采用有限元软件分析校核，发现结构中的安全隐患并解决。实践表明，高低刃脚钢筋混凝土薄封底双壁钢围堰的设计理念先进、结构受力合理，结构具有良好的安全性和实用性。同时，相较传统直筒型结构可省去河床处理工序，缩短了施工工期，经济效益明显。

参考文献:

［1］张伟，张静，谢官模.双壁钢围堰封底混凝土厚度设计研究［J］.城市住宅，2017(1):105-108.

［2］赵建虎，张红梅.水下地形测量技术探讨［J］.测绘信息与工程，1999(4):22-26.

［3］张中齐.黔桂铁路东江大桥3#墩双壁钢围堰设计与施工［J］.国防交通工程与技术，2010(4):63－66.

［4］孙训方.材料力学［M］.北京:高等教育出版社，2002.

［5］铁道第三勘察设计院.铁路工程设计技术手册桥涵地基和基础［M］.北京:中国铁道出版社，2002.

［6］曾京平.白沙湖大桥深水钻孔桩施工(5#墩)［J］.辽宁交通科技，2004(6):79-82.