某跨海大桥钢围堰结构设计及力学行为分析

2020-03-30王立祠

工程建设与设计 2020年2期

王立祠

（河北省交通规划设计院，石家庄050051）

1 工程概况及围堰结构参数

青连铁路ZQ-5标段跨胶州湾特大桥，全长8941.27m，上部结构为40孔50m跨径简支箱梁。其中，第153#～193#墩跨上跨胶州湾，跨度长2000.80m，采用钢围堰进行基础及下部施工。

钢板桩围堰采用拉森IV型钢板桩，材质Q295bz，围堰顶标高均为+3.5m，封底混凝土采用C30混凝土。本文以具有代表性的153#墩（围堰尺寸14.4m×10.4m、15m钢板桩）为例进行设计检算。采用容许应力法计算，材料容许应力：Q295bz钢板桩的容许弯曲正应力为 [σ]＝295/1.2×0.75＝184MPa；Q235B钢材的应力为：弯曲正应力[σ]＝170MPa，剪应力[τ]＝100MPa[1]。

2 钢围堰计算

2.1 入土深度计算

2.1.1 取1m宽钢板桩进行入土深度计算

钢板桩入土深度采用等直梁法进行计算，最终通过计算得到封底混凝土底面至弯矩零点的距离t，最小入土深度T=kt，其中，k为经验系数，一般取1.1~1.2，本文取1.2。拟定钢板桩入土深度t=10m，对10m范围内的主动土一侧与被动土一侧的土层重度 γa、γp、内摩擦角φa、φp进行加权平均值计算：γa平均=19.6k N/m3，φa平均=21.1°；γp平均=19.8k N/m3，φp平均=21.2°。

主动土压力系数：Ka=tan2（45°-21.1°/2）=0.47；被动土压力系数：Kp=tan2（45°+21.2°/2）=2.13。

1）计算开挖面至钢板桩上土压力等于零的点的距离y：

式中，H2为地面标高到封底混凝土高度，计算土压力强度时，应考虑钢板桩墙与土的摩擦作用，将钢板桩墙土压力乘以修整系数；K为被动土压力修正系数，查表后得1.624；

2）按简支梁计算等值梁支点反力（即Ra和P0）；

3）根据Ra和钢板桩被动土压力等于板桩底端力矩，由此可求得x，建模计算得P0=31.4k N。

总入土深度：t=x+y=2.56+0.78=3.34m。因此，钢板桩的入土深度T=1.2t=4.008m，封底标高为-4.156m，钢板桩桩底标高为-11.5m，实际入土深度为7.344m＞4.008m，钢板桩总长度15m，满足计算需求。

2.1.2 基坑底抗涌起计算

根据前述计算，钢板桩长度15m，以此计算钢板桩内外土的参数。根据Prandtl公式计算抗涌安全系数：

式中，c为土的黏聚力，k Pa；D为基础挡墙入土深度，m；H为基坑开挖深度，m；γ为基坑外侧土的平均重度；q为地面超载。根据Prandtl公式，要求Ks≥1.1～1.2，其中，Nq=tan2（45°+φ/2）eπtanφ，Nc=（Nq-1）/tanφ，由此可得 Ks=5.98＞1.2，故抗涌起满足要求。

2.2 钢板桩受力计算

用MIDAS软件进行有限元计算分析，分为5个施工工况：（1）降水开挖至2.344m处，在开挖面以下0.78m固接；（2）3.0m处安装第一道内支撑；（3）降水开挖至-0.656m；（4）-0.116m 处安装第2层内支撑；（5）降水开挖至封底底-4.156m。其中，工况（1）时，钢板桩围堰应力σ=（17.4×103）/（2270×10-6）=7.7MPa＜184MPa。根据（2）～（5）工况下的钢板桩受力分析结果，得出钢板桩应力情况均满足要求，第1道支撑最大反力为45.1k N/m，第二道支撑最大反力为220k N/m[2]。

2.3 围囹及内支撑计算

第1层围囹选用400mm×400mm×20mm H型钢，内支撑角撑采用 400mm×400mm×20mm H型钢，对撑采用 400mm×400mm×20mm H型钢；第2层围囹选用500mm×200mm×20mm双拼工字钢，内支撑角撑采用400mm×400mm×20mm H型钢，对撑采用400mm×400mm×20mm H型钢。其中，第1道围囹所受最大环向荷载为45.1k N/m，第2道围囹所受最大环向荷载为220k N/m。第1道内支撑最大位移为0.83mm，围囹及内支撑最大组合应力为26.9MPa＜170MPa，强度与刚度均满足要求。

第2道内支撑最大位移为3.1mm，围囹及内支撑最大组合应力为120.6MPa＜170MPa，强度与刚度均满足要求。对撑最大轴力为1050k N，自由长度为L=9.5m。回旋半径：i=16.81cm，面积：A=251cm2；长细比：λ=57，由此查稳定系数表得 φ=0.823，σ=N/φA=50.78MPa＜[σ]=170MPa，稳定性满足要求。