湖南交通科技 第３７卷第２期 Ｖｏ１．３７ Ｎｏ．２ ２０１１年６月 ＨＵＮＡＮ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮ０ＬＯＧＹ Ｊｕｎ．２０１ｌ 文章编号：１００８－８４４Ｘ（２０１ １）０２－０１０２－０４ 榕江特大桥主墩双壁钢围堰设计和计算 孔迎军。石柱，刘驰宇 （湖南路桥建设集团公司，湖南长沙４１０００４） 摘要：结合厦深客运专线榕江特大桥的工程实践，介绍了主墩双壁钢围堰的结构设计 和计算分析，对类似钢围堰工程有一定的参考意义。 关键词：双壁钢围堰；封底混凝土；设计计算 中图分类号：Ｕ ４４５．５５ ６ 文献标识码：Ｂ １ 工程概况 河床顶面标高为一７．３３，承台完全埋在河床内。承 台结构见图１。 厦深铁路榕江特大桥在广东省揭东县地都镇跨 桥位区域榕江江面宽８５０ ｍ，受下游人海口海 越榕江，跨江主桥为４跨连续钢桁梁柔性拱桥，跨径 水的潮汐影响，为感潮水域段，属不规则半日潮，每 ｒ Ｌ 组成为１１０ ｍ＋２２０ ｍ＋２２０ ｍ＋ｌ１０ ｎｌ，其中７１—７３ ＦＩ两潮，日最大潮差２．６５ ｍ。主墩位置最大水深ｌＯ 号３个主墩位于榕江深水区，设计为低桩承台群桩 ｍ，最大落潮流速１．３６ ｍ／ｓ。围堰封底后的最大抽 基础。 水水头高达１７．０ ｍ。 主墩承台设计尺寸为２６．８ ｍ×１７．２ ｍ×６ ｍ， 主墩位置河床覆盖层厚度３９ ｍ，主要为流塑状 承台采用Ｃ４０防腐混凝土，承台顶标高为一７．９０７， 淤泥质土层和中粗砂层。见表１。 — 一）—４． 亘 ＿．Ｊ Ｉ三 ｇｌ王 ．０Ｉ ０．Ｉ Ｉ Ｉ ｌ 图１承台结构图（单位：ｔｉｎ） 表１主墩位置地质情况表 ２ 钢围堰的设计 ２．１钢围堰尺寸的确定 １）平面尺寸：双壁钢围堰根据承台结构形式 设计为矩形，其内平面尺寸比承台设计尺寸大 ２０ ｃｍ，该富余量也是围堰下沉过程中偏位、倾斜的 控制值，则本围堰内腔尺寸为２７ ｍ Ｘ １７．４ ｍ。 ２）舱壁厚度：双壁钢围堰舱壁厚度根据围堰 受力需要确定，由于围堰内１１根桩基成梅花形布 置，围堰内撑位置的选择受限，在内撑位置一定的情 收稿日期：２０１１—０５—２３ 作者简介：孔迎军（１９７７一），女，工程师，主要从事路桥建设。 ２期 孔迎军，等：榕江特大桥主墩双壁钢围堰设计和计算 １０３ 况下，主要根据围堰壁体的强度和刚度确定舱壁厚 度，经试算，本围堰舱壁厚度设计为１．５ ｍ。 ３）高度尺寸：钢围堰的高度主要根据最高水 位、河床冲刷线、封底混凝土位置及厚度三个因素确 定，本围堰在最高水位时上口干舷高度１．０ ｍ，围堰 刃脚低于河床冲刷线不小于１．０ ｍ，封底混凝土厚 度３ ｍ，本围堰的最终总高度设计为２１ ｍ。 ２．２钢围堰的结构 钢围堰由壁体、刃脚、内撑等三大部分组成。见 图２。 壁体主要由隔舱板、箱形梁、水平环板、水平斜 杆及内外壁板构成。在内撑位置设置竖向箱形梁作 Ａ ＿—— ３ ０ＯＯ 。。一 因 ７＼７＼？＼ｆ＼ｆ 、／＼／ＩＬ／｜ ／＼／１ Ｉ／＼／ｆ 】＼／＼／＼／＼／＼ 区 Ｌ／ ＿＿Ｊ 一 ＼ 丑 ＼ ／ ／ ＼ ０ ＼ ／ ０ ／ ＼ 一 ● ＼／ ＼ 罨＼／＝ ｔ０ ＂ｑ ＼／＼ ＼ ／＼／ ０ 刊 ／ ＼ ＼ ／ ／ ＼ ＼ 广＿＿ ／ 一 ＼／＼／＼／＼／＼ｆ ／＼／＼ＪＩ ＼／ ＼／＼Ｊｊ ＼／＼ｆ ｊ／＼／＼／＼／＼／ Ｉ ９３０ ｌ一１ １４０— ９３０ ’３ ０００ ’Ｌ Ａ 平面图 ————— ————— ．。。 ＋３．００ ＝＝＝ ’－一 ＼ 垩堑塑 补水管 厂 ｌ ’， 河崩 ／厂 一７．Ｏ０ ／ —一 。ｃ ００∞ ）ｃ Ｋ ◇ ０ 寸 ｎ ｌ ／ ／ ｆ ７．００ 一——ｊＺ＝＝一ｌ 围堰刃脚混凝 ， 图２双壁钢围堰结构总图（单位：ｃｍ） ｌ０４ 湖南交通科技 ３７卷 为一级支撑结构，水平设置环板和水平斜杆的组合 桁架作为二级支撑结构，竖向设置角钢次梁为三级 支撑结构，内外壁之间通过水平斜杆和水平环板连 接而形成整体。围堰壁体根据吊装和运输条件分 节、分块加工，在墩位组拼、焊接。 刃脚高度２．０ ｍ，作为围堰底节的组成部分一 道加工，刃脚混凝土浇筑高度２．０ ｍ，刃脚的设置主 要是减少围堰在覆盖层中的下沉阻力，刃脚高度一 般应小于封底混凝土厚度。 内撑作为围堰最重要的组成构件之一，其布置 位置和结构选型主要影响到围堰整体结构的受力、 围堰结构的经济合理性、承台分层施工高度以及围 堰下沉、封底和承台作业的可操作性，作为受压构 件，其稳定性是设计的主要指标，在满足强度的情况 下，应尽量选择刚度较大的结构形式。本围堰由于 受梅花形布置的桩基净间距，内撑选择了外形 尺寸较小的组合工字钢结构，每层６根内撑构成两 个三角形平面框架结构，与钢围堰箱形梁一起形成 稳定结构体系，另外设置竖向和水平连杆，减小受压 杆件的自由长度，竖向设置４层内撑。 钢围堰壁体上设置有补水管，补水管一般设置 在顺水流方向的两个侧面，其直径应满足围堰内吹 沙下沉时的补水需求，补水管竖向位置设置的确定 主要考虑在围堰内需要进行吹沙下沉时补水管位于 水面下，在围堰到达设计位置时，补水管位于河床以 上。本围堰设置了４个直径３００ ｍｍ的补水管，并 带有内外封闭盖板。 ２．３封底混凝土的设计 封底混凝土的主要作用是封水和抗浮，即封底 混凝土与钢围堰和桩基结合成整体，使围堰内形成 一个无水的干施工环境，同时在围堰内抽完水后，作 用在封底混凝土底面的上浮力需要依靠围堰和封底 混凝土自重以及封底混凝土与桩基间的摩阻力抵 抗。 封底｝昆凝土设计厚度的确定要满足两个条件： ①在水压力作用下，封底混凝土的拉应力应满足规 范要求；②封底混凝土与桩基间的摩阻力要满足 抗浮需求。 封底混凝土要达到封水和抗浮的目的，施工质 量非常关键，在浇筑封底混凝土前，必须将封底混凝 土高度范围内的桩基钢护筒和围堰内壁清理干净， 确保混凝土能与其结合紧密，同时要合理布置浇筑 点，确保各个位置的混凝土厚度基本一致。 本围堰封底混凝土最终确定的设计厚度为 ３．０ ｍ，混凝土标号为Ｃ３０。 ３ 钢围堰的结构计算 ３．１计算工况 工况一：钢围堰抽水后的抗浮以及封底混凝土 强度计算。 工况二：钢围堰下沉到设计位置，浇筑完成封 底混凝土，混凝土达到８０％设计强度后，围堰内抽 水，此时围堰承受最大侧压力。 工况三：浇筑完成第一次３ ｍ厚承台混凝土， 混凝土达到８０％设计强度后，拆除１号内撑，准备 浇筑第二次承台混凝土。 工况四：浇筑完成第二次３ ｍ厚承台混凝土， 混凝土达到８０％设计强度后，拆除２号内撑，准备 墩身施工。 ３．２计算荷载 ３．２．１钢围堰侧壁的水、土压力计算 计算水深１０ ｍ，计算淤泥层厚度７ ｍ； 水容重 ＝１０ ｋＮ／ｍ ； 水深ｈ ＝１０ ｍ。 水压力：Ｐ１＝ Ⅲ×ｈ１＝１０ ｋＮ／ｍ Ｘ １０ ｒｎ＝ １００ ｋＮ／ｍ 主动土压力系数：Ｋａ＝ｔａｒｔ２（４５。一＋／２）＝ ０．６６８ 淤泥质土饱和容重Ｙ，＝１５ ｋＮ／ｍ ； 围堰封底混凝土以上淤泥深度ｈ ＝７ ｍ。 主动土压力：ｅｌ＝ＭＱ＝Ｋａ Ｘ ｙ￡×ｈ２＝０．６６８× １５ ｋＮ／ｍ。×７ ｍ＝７Ｏ．１４ ｋＮ／ｍ 即封底混凝土以上作用在围堰侧壁上的最大侧 压力：Ｐ侧：１７０．１４ ｋＮ／ｍ 。 ３．２．２水流冲击力计算 钢围堰迎水面宽度ｂ＝２０ ｍ； 水中部分钢围堰高度ｈ＝１０ ｍ； 水容重ｙ ＝１０ ｋＮ／ｍ ； 水流速度Ｖ＝１．３６ ｍ／ｓ； 重力加速度ｇ＝１０ ｍ／ｓ ； 矩形阻水结构物形状系数Ｋ＝１．０。 水流冲击力：Ｆ ＝Ｋ ｘＡ×（Ｙ ×Ｖ ／２ｇ）＝ １８４．９６ ｋＮ 水流冲击力换算成作用在围堰侧壁上的均布压 力：Ｐ冲＝Ｆ ／（ｂ×ｈ１）＝０．９ ｋＮ／ｍ 。 ３．３计算方式 钢围堰在侧面水压力作用下的结构计算，采用 有限元软件建立１／２钢围堰模型进行分析，钢围堰 ２期 孔迎军，等：榕江特大桥主墩双壁钢围堰设计和计算 １０５ 和封底混凝土、刃脚混凝土、夹壁混凝土以及承台混 凝土一同建模计算，模型主要由板单元、梁单元和混 凝土实体单元组成，偏安全考虑，工况二的计算未考 虑夹壁混凝土，工况三和工况四的计算分别按承台 浇筑高度设置夹壁混凝土。 ３．４计算结果 ３．４．１钢围堰抗浮计算 钢围堰下沉到设计位置后，浇筑３ ｍ水下封底 混凝土，封底混凝土达到８０％设计强度后，围堰内 抽水完成，钢围堰将承受很大的上浮力，上浮力主要 靠钢围堰、封底混凝土自重以及封底混凝土与桩基 的摩阻力共同克服，验算结果如下： 钢围堰内抽完水后的总上浮力： Ｆ浮＝ ×ｙ ＝１０６ ２２９ ｋＮ； 钢围堰总重量：Ｇ ＝４７ ６８０ ｋＮ； 封底混凝土自重：Ｇ２＝ Ｘ ＝２８ ００４ ｋＮ。 扣除钢围堰和封底 昆凝土自重后的上浮力： Ｆ上＝Ｆ浮一Ｇ１一Ｇ２＝３０ ５４５ ｋＮ Ｆ 依靠封底混凝土与桩基的摩阻力抵消，则 封底混凝土与桩基间的摩阻力： Ｐ＝Ｆ上／Ａ＝９７ ｋＰａ＜［Ｐ］＝１５０ ｋＰａ 故钢围堰内抽水后，抗浮满足要求。 ３．４．２封底混凝土计算 封底混凝土底面承受方向向上的水压力，同时 承受封底混凝土自重荷载。对作用封底混凝土上的 荷载计算如下： 作用在封底混凝土底面的水压力：Ｐ。＝２００ ｋＰａ； 作用在封底混凝土顶面的第一次承台混凝土荷 载：Ｐ２＝７８ ｋＰａ； 封底混凝土自重：Ｐ３＝７２ ｋＰａ。 建立１／２封底混凝土实体模型，与各桩基连接 位置的封底混凝土设置固结约束，计算时不考虑钢 围堰对封底混凝土侧面的约束作用（偏安全）。 施加在封底底面的实际均布荷载为： Ｐ１一Ｐ３＝１２８ ｋＰａ。 计算结果如下： 最大拉应力 拉＝１．１３７ ｂｌＰａ＜０．８×［ｏｒ拉］＝ １．１４４ ＭＰａ 最大压应力 压＝０．９４ ｂｌＰａ＜０．８ Ｘ［ 压］＝ ｌ１．４４ ＭＰ 封底混凝土最大变形厂＝０．１ ｍｍ。 在水压力以及承台混凝土荷载作用下，封底混 凝土强度满足设计要求，计算模型如图３。 图３计算模型 ３．４．３钢围堰结构强度计算 在工况二、三、四中，钢围堰承受的最大侧压力 为１７０．１４ ｋＮ／ｍ ，通过建立整体有限元模型对各工 况下钢围堰进行的强度计算表明，工况二是钢围堰 在侧压力作用下的最不利工况。各工况计算模型如 图４，图５为钢围堰计算荷载布置图。 工况四 图４钢围堰整体计算模型 图５钢围堰计算荷载布置图 （下转第１２７页） ２期 陈勇鸿：资水大桥水中桩基施工测量定位技术 ｌ２７ 图４桩基础的钢护筒的精确定位 ４ 结语 通过水中桩基的施工，基本掌握了在该水文条件下 进行护筒测量定位的技术要点，为以后类似工程的 因水中定位受水的流速、风速、水位这些外界综 施工积累了理论和实践经验。 合因素的影响比较直接，选择合适的时机对测量定 位有很大的影响，最好选择在水流稳定，水位稳定， 参考文献： 避过雨季且无风的气象条件下进行，这样可以把由 ［１］ＧＢ ５００２６—２００７，工程测量规范［ｓ］ 外界因素造成的对水中测量定位的影响降到最低， 钢围堰各构件最大应力均小于设计强度，满足 取得了一定的经济和社会效益，希望对其他类似围 规范要求。 堰工程提供一定的参考意义。 ４ 结束语 参考文献： 榕江特大桥主墩双壁钢围堰的施工已经顺利完 ［１］ＴＢ １０２０３—２００２，铁路桥涵施工规范［Ｓ］． 成，该双壁钢围堰实施过程中经受了洪水期１７ ｍ的 ［２］．１ＴＪ ０４１—２０００，公路桥涵施工技术规范［Ｓ］ 高水压的考验，实践证明该钢围堰的设计是成功的， ［３］ＧＢ ５００１７—２００３，钢结构设计规范［Ｓ］．
