论文指导

松花江大桥双圆形双壁钢围堰设计与施工术探讨

  摘要:松花江大桥主桥采用3×138m大跨度预应力混凝土连续梁结构,主墩基础采用双壁钢围堰进行施工,本文介绍了松花江大桥双圆形双壁钢围堰的设计及在深水河床的相关施工技术。松花江大桥双圆形双壁钢围堰的设计及施工可为类似隧道无砟轨道的施工提供有益的帮助和参考。

  关键词:松花江大桥,双圆形双壁钢围堰,设计, 施工技术

  双壁钢围堰是深水桥梁基础施工中的一种重要手段,传统的双壁钢围堰是一个带有单斜面刃脚的圆形双壁全焊水密钢结构圆筒,圆筒的内、外壁形成的空间称之为钢壳。内、外壁由钢板围焊而成,圆筒上、下均不设底板或盖板,钢壳下口以环形单斜面刃脚封闭,钢壳上口敞开,以方便施工时往钢壳内灌注混凝土或注水。双壁钢围堰作为挡水结构,承受的主要荷载为水压力,故其合理的受力结构形式应为圆形。在松花江等水流速度大的江河中修建跨江河工程中,桥梁水中扩大基础围堰工程类型的选择较为复杂,既要考虑水深及流速,又要考虑工期及工艺的要求。采用土石草袋围堰因其水深及流速影响已经不能适用高流速和深大江河中桥梁的建设,而采用常规的钢板桩围堰因河床覆盖层薄无法打入固定。基于以上的顾虑,国道主干线哈尔滨绕城高速公路东北段松花江大桥采用了双壁钢围堰进行基础施工。论文介绍了本文介绍了双圆形双壁钢围堰的设计及在深水河床的相关施工技术。

  1.工程概况

  国道主干线哈尔滨绕城高速公路东北段松花江大桥全长2324.92m,大桥主桥采用3×138m大跨度预应力混凝土连续梁结构,桥宽28m,双向四车道,主桥基础为钻孔灌注桩加承台结构,每墩16根Ф2.0m的钻孔桩,梅花形布置,间距5.2m,以整体式承台连接,承台尺寸为29.5m×13.9m×4m。主桥有二个主墩常年位于松花江主河道中,经方案比选,承台与下部墩身的施工采用双圆形双壁钢围堰施工方案。双壁钢围堰几何尺寸为外径22.4m、两圆心距15.6m、高21m、隔舱厚1.2m。施工时围堰内外最大水头高差达20m,其结构和受力复杂,承受荷载较大,属于典型的设计和施工难度较大的大型双壁钢围堰结构,同时双圆形结构也是一种较新颖的结构,更加大了设计与施工的难度。

  2. 双圆形双壁钢围堰设计

  国道主干线哈尔滨绕城高速公路东北段松花江大桥采用了钢围堰进行基础施工。若钢围堰采用圆形结构,则其直径及重量太大,既不经济,施工难度也大,明显不合理,经过方案比较,本工程钢围堰采用“8”字形(异形)双壁双圆组合结构。双壁双圆组合形构造的受力情况较矩形和圆端形更为合理,整体结构的稳定性也更强;钢围堰除作为临时挡水结构外,其内壁也兼作承台的侧模板。其设计思路如下:选用圆形双壁钢围堰,不需要内支撑,对围堰内施工无干挠。同时,双壁钢内、外壁钢板厚度根据下沉最不利工况计算,双壁钢围堰抽干水时按照钢壳和壁内混凝土共同受力考虑。双壁钢围堰抗浮设计按照桩基部分无浮力,桩基钢护筒参与抗浮来考虑。围堰参数设计本着受力条件好、稳定性强、施工方便、材料节约和可回收的原则进行设计。

  2.1 围堰结构设计

  松花江大桥36号及37号墩承台为条形,顶面水深14m。根据结构尺寸设计成内径20米、外径22.4米的双圆形结构(如图1),即充分发挥了圆形结构受力条件好的特点,又最大限度的节省了材料。围堰利用自身浮力进行回收。

  双圆形双壁钢围堰结构设计共分为4个部分,即刃脚段、双壁加强段、单壁段、内部横向支撑梁。刃脚部分面板采用8mm钢板,角度为30度;双壁加强段内外面板及隔板均采用5mm钢板,内部为空间桁架结构,水平主桁加强圈采用100×100×10或75×75×8角钢,缀条用63×63×5角钢,竖向间距按不同的高度荷载计算求得;竖向加劲肋采用50×50×5或63×63×5角钢,周向间距按不同的高度荷载计算求得;围堰中支撑桁架用100×100×10或75×75×8角钢相扣成方管,空间用75×75×6做缀条组成桁架,竖向间距与加强圈相同。为简化圆形钢围堰的受力计算,对环板和水平斜撑计算时考虑壁板40倍板厚的宽度参与受力;竖向加劲肋按多跨连续梁计算,同时考虑壁板40倍板厚的宽度参与受力;板按支撑在竖向加劲肋上的多跨连续板计算。浇筑承台前钢围堰最大抽水状态为最不利工况。钢围堰受力主要计算荷载有静水压力、土压力、施工荷载以及壅水所产生的压力等。浇筑承台时钢围堰外设计施工水位采用13m,土埋置深度3.5m,壁仓内的水位9m ,计算水流流速1.5 m/s。

  2.2 双圆形双壁钢围堰空间分析计算

  用空间模型进行分析计算,外壁板、内壁板、水平加强圈采用空间板壳单元,竖肋采用空间梁单元,水平斜撑采用空间桁架单元,即两端与水平加强圈采用铰接连接。主要计算荷载:静水压力、土压力、浪击力与风荷载(此处作用较小可忽略不计)、施工荷载。经计算:

  ⑴ 壁板参与受力的宽度h0 采用Q235钢200mm;当加强圈采用100×100×10角钢,缀条用63×63×5角钢。竖向加劲肋采用50×50×5或63×63×5角钢。围堰在中间支撑采用 100×100×10或75×75×8角钢相扣成方管,组成双肢柱桁架。

  2.3 双圆形双壁钢围堰稳定性验算

  在围堰下水之前要在冰面上测放出围堰的准确位置,并且在围堰的内外打入钢管桩同时起导向作用和约束钢围堰不发生滑移。围堰内部的导向桩和施工平台连起来形成整体,增强稳定性和增大抗冲击力。在围堰的第一阶段下沉时冰也对围堰也起约束和导向作用。在围堰的内部上游打入4根钢管桩,主要用来抵 抗因水流的冲击而产生向下游滑移的顷向,钢管桩打入河床深度不小于5米,上部和施工平台相连接。经计算抗滑安全大于2.0,因此不发生滑移。

  围堰的长宽比较大,为2.18,且质量均匀并有导向钢管约束不会发生倾覆,所以不必进行抗倾覆验算。在承台浇筑前最大的抽水状态下,对钢围堰及封底混凝土的自重是否能克服浮力的作用考虑,进行钢围堰浮力稳定性检算。由于受河床标高及围堰入土深度的控制,封底混凝土采用C20水下混凝土,厚度为2米;封底混凝土底面的水压力以18米计;仅靠钢围堰、封底混凝土、壁仓内注水等的重力不能克服浮力作用。因此,必须考虑封底混凝土与基桩间的粘结力,在封底前由潜水员对封底混凝土范围内的桩身表面进行清理并凿毛,保证封底混凝土和桩身之间能够很好的粘接,计算中取封底混凝土与基桩间单位面积的粘结力为0.5MPa。经计算,合力大于浮力,满足要求。

  3. 双圆形双壁钢围堰关键施工

  3.1双壁围堰的制作

  双壁围堰在工厂按互换件和对号入座的方法制成块件,汽车运至江边,在墩位处进行现场拼装。各节、块之间安设防水胶条,利用龙门吊对组装后围堰翻身。围堰内外壁进行满缝施焊,确保无焊伤、无漏焊、无砂眼;钢板与角钢水平杆的焊缝长度大于100mm,间距不大于80mm;角钢骨架的焊接进行满焊。施焊尽量避免立焊或仰焊,以保证焊接质量。在骨架块的外壁板上,焊接吊环,组装成型后对围堰尺寸、高度、倾斜角以及施焊质量进行检查验收,并作漏水试验以确保不漏水。

  3.2 围堰下沉

  围堰分两阶段下沉,第一阶段在钻孔桩施工之前将围堰下沉至河床;第二阶段待钻孔桩完成后再将围堰下沉到设计位置。

  第一阶段:在施工平台上固定若干10T倒链,用于固定已拼装好悬浮于水中的围堰,在围堰入水前用测量仪器测准承台的位置,在围堰的上下游分别打入导向钢管桩,使围堰入水位置准确并能够抵抗水的冲击。待围堰顶部降至水面以上位置时固定倒链,使其处于悬浮状态,然后再拼装第二节围堰,第二节围堰和第一节围堰加固好后继续下放,利用自重不下沉后在围堰的双壁间对称注水使其下沉。围堰下沉着陆河床后停止下沉围堰,把围堰和导向钢管桩固定,将悬挂倒链锁死。

  第二阶段:在施工平台上进行钻孔桩施工,待承台内钻孔桩全部完成后,配合使用吸泥机和砂石泵在围堰内侧刃脚附近将泥砂吸出,使围堰下沉,直至设计位置。注意吸泥机和砂石泵要在围堰四周均匀布置,保证围堰均匀平稳下沉。

  3.3 封底

  围堰下沉完毕,对围堰内河床按方格网坐标分区域逐块吸泥,将泥砂清理干净,由潜水员水下逐块、逐片检查,测量标高合格后浇注水下封底混凝土。在各阶段施工时要注意围堰内外的水面高差,防止出现翻砂现象。封底前对各桩桩头进行清理,确保封底混凝土和桩基良好连接,以增强封底混凝土的抗压能力,减少封底混凝土的厚度。

  封底混凝土灌注采用一次性布设导管法,剪球顺序由四周向中间,施工时防先剪球的导管混凝土扩散到未剪球的导管位置。

  3.4 围堰回收

  水中墩施工完成后清除围堰内外所有约束,在围堰内充水,然后抽出壁仓内的水,靠水的浮力将围堰浮起,毕要时可用吸泥机清除围堰外壁周围的泥砂,以减小摩阻力便于围堰浮起。围堰浮起后在水面以上进行切割,分成小块后由驳船运出。

  4 结 论

  松花江大桥双圆形双壁钢围堰在施工过程中经受了多次洪峰和冰排的考验,且施工效率较高,相对于同类结构而言,该钢围堰用料省,其回收施工方法是切实可行的,实践证明,该结构具有较高的安全性和较好的经济性,可为类似工程双壁钢围堰的施工提供很好的借鉴经验。

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