围堰施工方案解析.doc

国道主干线哈尔滨绕城公路东北段(秦家至东风)松花江大桥双壁钢围堰施工方案中铁十三局集团第四工程有限公司松花江大桥项目部二零零四年十二月十日松花江大桥35号、36号墩双圆形双壁钢围堰施工方案1.双圆形双壁钢围堰设计围堰的设计本着受力条件好、稳定性强、方便施工、节约材料和可回收的原则进行设计，松花江大桥35号及36号墩承台为条形29.5m13.9m3m，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），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。1.1 因素的确定1.1.1根据承台形状和结构受力分析,将围堰平面布置成双圆组合形(如图1)。1.1.2根据面板的局部和自重确定面板厚度为5mm。1.1.3依据确定为薄壳筒状无盖无底结构。1.1.4 壳体满足以下三方面条件,适用无矩理论。(1) 几何方面 沿壳中面光滑连续无斜率和曲率的突变,壳体的厚度也无突变。(2) 载荷方面 沿壳面连续分布而无突变。(3) 边界条件 挠度与转角不受约束。1.2 设计采用的理论1.2.1 以薄壳筒状体线性理论设计结构。1.2.2 以轴心受压稳定设计加强圈、支撑桁架。1.3 荷载1.3.1 以承台底标高为最大压力计算位。1.3.2 最大水深为16.5m,其中土深为3.5m。1.3.3 因有较密定位桩及防冲桩，不考虑水流和浪击等横向不均匀载荷。1.3.4 因有施工平台，围堰轴向荷载不计。1.3.5 因为采用浮沉工艺，堰底与地面不均匀接触、构件吊装等受力状态，不予计算。1.3.6 在最大抽水深度下，考虑了壁间有水9米深，以减少壁板局部计算荷载。1.4 规范有关采用 GB 50017-20031.4.1 强度设计 (Q235钢)1.4.2 稳定 （1） 轴心受压 （2） 轴心受压构件腹板参与受力的宽度h0 的确定 。（3） 格构式双肢组合构件缀件为缀条时，换算长细比按 计算。 分肢长细比 时，不必验算分支稳定。（4） 缀条计算 剪力确定 。（5） 最大长细比 2.圆形双壁钢围堰受力计算2.1结构设计双圆形双壁钢围堰结构设计如图，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10010010或75758角钢，缀条用63635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50505或63635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10010010或75758角钢相扣成方管，空间用75756做缀条组成桁架，竖向间距与加强圈相同。2.2计算简化为简化圆形钢围堰的受力计算，采用如下方法：（1）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；（2）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；（3）壁板按支撑在竖向加劲肋上的多跨连续板计算。2.3受力工况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力压力、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。根据以上简化计算方法，壁板、竖肋按简化公式进行局部计算。水平加强圈及水平斜撑可采用简化公式计算。3.双圆形双壁钢围堰空间分析计算3.1结构分析模型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。3.2计算分析主要计算荷载：静水压力、土压力、浪击力与风荷载（处作用较小此处可忽略不计）、施工荷载。3.3计算过程3.3.1 加强圈设计计算（1）壁板参与受力的宽度h0 的确定 采用Q235钢 =405=200mm（2）依据无矩理论，均匀外压力作用下的筒壁内力只有周向力，无弯矩。周向力按公式N0=P0R0计算。式中P0外压（N/mm2）R0外圆半径 (mm)（3）依据线性理论，周向力由双壁板和加强圈共同承受，那么壁筒任意高度上的一个加强圈与壁板组合将成为双肢格构轴心受压结构（如图示）。（4）每个双肢格构的承压能力 式中f=215N/mm2(Q235钢)以换算长细比确定的折减系数。A加强圈与壁板组合后的总面积。换算长细比的计算加强圈采用10010010角钢，A=6852 mm2; =85.5; 缀条用63635角钢=614.32=1228.6 mm2 查表（b类截面）j=0.645=2150.6456852=950201N加强圈采用75758角钢，A=4606 mm2; =84.4; 缀条用63635角钢=614.32=1228.6 mm2 查表（b类截面）=0.655=2150.6554606=648634N（5）竖向间距确定P0在围堰上沿高度变化，最大为刃角顶面 0.186N/mm2最小间距 取450mm（6） 缀条计算 缀条用63635角钢 A1=614.3mm2 iy=12.5mm L0=1528mm =450 查表j=0.426折减系数0.6+0.0015=0.6+0.0015122=0.783剪力确定 N1=Vmax/2=17332/2=8666N=N1/A1=8666/614.3=14.10.783jf=0.7830.426215=71.73.3.2 竖向加劲肋的计算采用50505或63635角钢,根据受力和加工条件将截面布置成如图4所示 (1) 组合后截面数据 50505角钢A=1480mm2 y1=14.9mm y2=40.1mm Iy=590000mm4 w1=39600mm3 w2=14700mm3 63635角钢A=1614mm2 y1=20.8mm y2=47.5mm Iy=1125232mm4 w1=54098mm3 w2=23689mm3(2)间距的确定荷载 围堰外压随深度变化而变化，为了增加围堰在水中的稳定，同时减少外壁的计算压力，考虑内外壁间水位9米高。周界固定整个面板受均布荷载。根据刚性薄平板的计算公式（h0.2b），确定间距。 (负号表示上缘纤维受拉)式中：计算应力 c由a/b值确定的系数，查表取得(a/b1)p0外压荷载，沿面板高度不同而度化。 b加强圈净间距 a加劲肋间距 h板厚 当ba时，已不符合周界固定条件，应按多跨连续板计算,确定间距。以上方法应在每个加强圈间距中计算，因为他们的p0值是不同的。（3）验算加劲肋角钢与面板共同抗弯强度，角钢在加强圈位置断开应按简支梁计算线荷载 qj=ap0 式中：WX角钢与面组合后的抗弯模量（取14700mm3）当用50505角钢检算通不过时，换用63635角钢，WX=23689 mm3检算。3.3.3支撑桁架计算（1）受力分析围堰在中间支撑两端设计加工不易保证其刚度，为简化计算忽略围堰的中间支撑两端的刚性，根据无矩理论，引用加强圈压力，中间支撑计算压力（图6）N=2N1cos式中 双圆围堰在中间支撑两端切线与中间支撑轴线的夹角N=2950201cos47.3790=1286849N（2）采用 10010010或75758角钢相扣成方管，组成双肢柱桁架，截面数据10010010角钢 A1=19262=3852mm2 Ix1=6231667mm4 ix1=40mm Ix=4705588200mm4 ix=782mm l0=14276mm =18.3缀条用75756角钢 A1=879.7mm2 l0=1817mm iy0=14.9mm =122查表j=0.96675758角钢，缀条用75756角钢，计算略。（3）缀条计算 受力检算与加强圈缀条检算相同，计算略。4.抗滑、抗倾覆、抗浮稳定性验算4.1抗滑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。计算简化模型如图8所示。选用325壁厚为10mm的钢管桩 Wx=755.7cm3流水压力公式为P=0.8Arv2/(2g) 式中：0.8为圆形阻水系数；A为围堰的阻水面积； r为水的容重； v为水流速q=p/13=0.822.4l13101.52/21013=20.2KN/mMmax=9ql2/128=920.2KN/m132/128=240KNmf=Mmax/4Wx=240KNm/4755.7cm3=79.4MPa 不发生滑移4.2抗倾覆稳定性验算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。4.3抗浮稳定性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服力作用。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。浮力 P=Ahr =752.61810=135468KN钢围堰重 N1=2300KN壁仓内注水重 N2=5021.2910=10800KN封底混凝土重 N3=314.322233.1421823 =26315.7KN封底混凝土和基桩的粘结力 N4=3.1422180.51000 =113040KNN1N2N3N4=23001080026315.7113040=152455.7KNN1N2N3N4P可以抵抗浮力5.施工5.1双壁围堰的制作双壁围堰的制作在工厂中加工，按互换件和对号入座的办法制成块件，汽车运至江边后，人工在冰上拖至墩位处进行现场拼装。各节、块之间安设防水胶条，在墩位处设跨施工平台龙门吊对组装后围堰翻身，尽量避免立焊或仰焊，现场搭设施工大棚，保证焊接质量。围堰焊接后应有一定的刚度，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，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、倾斜角以及焊质量进行检查验收，并作漏水试验确保不漏水。5.2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到河床；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的军用梁上固定若干10T倒链，用于固定已拼装好的围堰悬浮于水中，在围堰入水前先用测量仪器测放准确承台的位置后在围堰的上下游分别打入导向钢管桩，同时利用冰的作用使围堰入水位置准确并能够抵抗水的冲击。围堰下放到水面以上位置处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以后再继续下放，当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暂不再下沉围堰，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再采用吸泥法下沉围堰达到设计位置，利用吸泥机和砂石泵配合使用在围堰内侧刃脚附近将泥砂吸出，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。5.3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，由潜水员下水逐块、逐片检查，测量标高合格后才能浇注水下封底混凝土。在各阶段施工时均要注意围堰内外的水面高差平衡，防止出现翻砂现象。封底前由潜水员对承台的各桩桩头进行清理确保封底混凝土和桩基良好连接，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。围堰在抽水前由潜水员到水下检查封底是否严密如有较大漏洞要采取措施堵塞。5.4防冰排措施松花江大桥桥址上游共有5座桥，这5座桥的最大孔径为90米，本桥的最大孔径为138米，距滨北铁路桥仅2公里，且桥位处主河道较宽近400米，大面积冰排都可以平稳通过，所以本桥位处的防冰排压力并不是很大。但防冰排工作也不可忽视，在便各墩位及围堰的上游均要采取必要的防冰措施。 施工过程中在流冰期（每年的4月1日至4月20日）派专人密切观察流冰情况，并在上游架设过江缆绳用于导向小船人工疏导冰排，