东泉河大桥深水双壁钢围堰设计

坑建秋

（中铁十九局集团第三工程有限公司 辽宁沈阳 110136）

在桥梁基础施工中桥墩位于深水中并且承台比较大的基础多使用双层薄壁钢围堰，双壁围堰既可以防水、阻水，还可以作为后期桩基施工的平台。是既经济又实用的结构，双壁围堰相对其他单壁有更好的刚度，所以双壁钢围堰是大型深水基础施工较为理想的围护结构，对此有一些研究[1-5]。

1 工程背景

东泉河大桥承台为矩形，大小24.2×14.8×4 m，水深13.76 m，采用双壁钢围堰施工。围堰底部高程168.74 m，设计高程180 m，双壁钢围堰厚度1 m。考虑到水位围堰设定在设计水位高程1 m 上。围堰底部设有2.5 m 的封底混凝土，双壁钢围堰的外轮廓尺寸即为28.2 m×18.8 m×14.76 m。截面如下图1 所示。

图1钢围堰平面图(单位：mm)

2 设计参数与计算模型

2.1 材料参数

双壁钢围堰的外轮廓尺寸即为28.2 m×18.8 m×14.76 m，总厚度1 m。材料均采用Q235 钢，参数如下：

内外壁板：6 mm 厚钢板；

水平环板：14mm 厚钢板；共15 道，底下间距0.8 m，上面间距1.0 m。

隔舱板： 14mm 厚钢板；共20 个.

水平桁架：L100×10 角钢；

壁板竖向竖肋和隔舱板水平加劲肋：L75×50×6 角钢；

角撑：529×6 钢管。距离围堰顶面2.36m、5.36 m。

2.2 荷载参数

双壁钢围堰荷载就是四周的静水压力和迎水侧的动水压力。静水压力可以由软件根据水容重自行加载。动水压力参照铁路桥梁规范计算，动水压力为倒三角形，动水压力计算公式如下：

式中：

F：动水压力；

K：墩形系数，取1.3；

γ：水的重度，10 kN/m3；

g： 重力加速度，取9.8 m/s2；

P：水面的动载强度10 kN/m2；

A：迎水面积，m2；

v：流速，该河百年一遇洪水流速4.5 m/s，围堰避开雨季，流速按2.5m/s 计算；

式子化简后水面动水压力强度：P=kv2=8.3 kN/m2。 围堰外施加水压力时，水面高度距离围堰顶面1 m。

2.3 计算模型

围堰壁板和隔舱板采用板单元；竖肋、水平环板、水平桁架、钢管角撑采用梁单元；围堰下6 m实体段采用实体单元。模型如图2 所示。

图2 钢围堰有限元模型

2.4 计算工况

施工过程为：首先围堰通过壁板间注水下沉到河床面，然后水下浇筑封底混凝土和浇筑壁板间6 m 的混凝土，达到设计强度后就可以边抽水边加角撑了。

三个工况：

工况1：抽水到距离围堰顶2.66 m，并加第1 道角撑（距离围堰顶2.36 m）；

工况2：抽水到距离围堰顶5.66 m，并加第2 道角撑（距离围堰顶5.36 m）；

工况3：抽水到封底混凝土顶面高程，施工承台和墩身。

3 结果分析

图3 壁板应力

图4 隔舱板应力

图5 竖肋角钢应力

图6 水平环板应力

图8 角撑应力

分析结果见图3 至图8。因工况1 的应力较小，因此只是列出工况2、3 的计算结果。

3.1 工况2 结果

工况2 为围堰外水面距离围堰顶1m，围堰内抽水到距离围堰顶5.66 m，已经设置了第1 道角撑（距离围堰顶2.36），还没有加设第2 道角撑。荷载为：壁外静水压力（迎水侧叠加动水压力），内壁四周向外静水压力。

（1）应力结果

壁板： σmax=74.2 MPa<1.3[σ]w=188 MPa，满足要求。

隔舱板： σmax=63.9 MPa<1.3[σ]w=188 MPa，满足要求。

竖肋角钢：σmax=174 MPa<1.3[σ]w=188 MPa，满足要求。

水平环板：σmax=165.5 MPa<1.3[σ]w=188 MPa，满足要求。

水平桁架：σmax=170.8 MPa<1.3[σ]w=188 MPa，满足要求。

钢管角撑：σmax=68.5 MPa<1.3[σ]w=188 MPa， 满足要求。

实际水平环板应力超限位置均位于直角位置和与隔舱板连接处，属于应力集中，图中去除了这几个应力集中，这种应力集中是由于水平环板采用梁单元模拟造成的，相当于两个梁单元的端部直角接触，而实际上水平环板是钢板，接触面不是点接触，此处还有加强钢板，因此实际的的应力会小得多，因此该处的实际应力是满足要求的。

由于钢管角撑应力较小，考虑稳定性也肯定满足要求，不必进行压杆稳定验算。

（2）位移结果

位移计算结果如图9 所示。

从图9 可以看出，围堰结构的最大水平位移在长边，

图9 围堰结构的位移

数值为fmax=6.78mm<80mm（0.01h=0.01×12260=122mm 和80mm 的较小者），位移也小于控报警值30mm，所以满足要求。

3.2 工况3 结果

工况3 为围堰外水面距离围堰顶1 m，围堰内抽水到封底混凝土顶面。计算得到的应力和变形结果如图10 至图15 所示。荷载为：壁外静水压力（迎水侧叠加动水压力）。

图10 壁板应力

图11 隔舱板应力

图12 竖肋角钢应力

图13 水平环板应力

图14 水平桁架应力

图15 角撑应力

（1）应力计算结果

从图可以看出，结构的最大应力如下：

壁板： σmax=55.1 MPa<1.3[σ]w=188 MPa，满足要求。

隔舱板： σmax=55.1 MPa<1.3[σ]w=188 MPa，满足要求。

竖肋角钢：σmax=134.2 MPa<1.3[σ]w=188 MPa，满足要求。

水平环板：σmax=174 MPa<1.3[σ]w=188 MPa，满足要求。

水平桁架：σmax=178.2 MPa<1.3[σ]w=188 MPa，满足要求。

钢管角撑：σmax=75.8 MPa<1.3[σ]w=188 MPa， 满足要求。

由于钢管角撑应力很小，考虑稳定性也肯定满足要求，不必进行压杆稳定验算。

（2）位移结果

位移计算结果如图16 所示。

从图16 可以看出，围堰结构的最大水平位移在长边，

图16 围堰结构的位移

数值为fmax=4.45mm<80mm（0.01h=0.01×12600=126mm 和80mm 的较小者），位移也小于控报警值30mm，所以满足要求。

3.3 抗浮计算及混凝土计算

图17 计算简图

图 18 混凝土模型图

图 19 混凝土变形图

图20 第一主应力

图20 第二主应力

图21 第三主应力

3.3.1 抗浮计算

围堰的总浮力为：530.16×13.76=7295t

抗浮力为：

（1）围堰自重：250t；

（2）封底混凝土自重：530.16×2.5×2.3=3048.42t；

（3）壁内混凝土自重：720t；

（4）壁内水自重：788t；

（5）封底混凝土与桩摩擦力：2×3.142×2.5×18×10=2826。

抗浮力250+3048.42+720+2826+788=7632.42t>7295t。 满足抗浮要求。

3.3.2 混凝土应力计算 封底混凝土按实体模型检算，长28.2m，宽18.8 其计算简图如下：

从以上应力云图17 至图21 可以看出，拉应力小于1.1 MPa，压应力小于9.6 MPa，封底混凝土的强度满足要求。

3.4 防倾覆计算

水流方向倾覆力矩小于围堰本身自重及其混凝土的重量产生的力矩，满足要求。

4 结 论

（1）围堰严格按照规范进行焊接作业，尤其是壁板直角位置有应力集中，应加强焊接质量控制。

（2）如果围堰需要自浮并焊接接高，围堰应进行水密性实验。

（3）隔仓板对结构作用显著，因此应合理布置隔仓板位置及其数量。

（4）为了结构稳定隔板之间尽量填筑一定深度混凝土。

（5）部分单元虽然应力状态较高，但是模型中应力较高的位置位于截面突变处，如壁板间混凝土顶面上部区域，环板和壁板接触处等，属于应力集中，实际的应力状态会小于理论计算值。