芜湖长江大桥双壁钢围堰锚碇系统设计与施工.doc

芜湖长江大桥双壁钢围堰锚碇系统设计与施工芜湖长江大桥双壁钢围堰锚碇系统设计与施工21.概述芜湖长江大桥9-12号墩位于长江主河槽内。水深流急，其基础均采用圆形双壁钢围堰施工，其中10、11号墩钢围堰外径30.5m，内径27.7m，壁厚1.4m，10#墩钢围堰总高度52m，总重862t，11#墩钢围堰总高度43.2m，总重727t，9#、12#墩钢围堰外径22.8m，内径20.0m，壁厚1.4m，9#墩钢围堰总高度52m，总重648t，12#墩钢围堰总高度36.2m，总重454t。如此大型的钢围堰在国内公铁两用桥中尚首次使用，在其它桥梁中也很少见。为了克服水流阻力和风阻力，使钢围堰准确定位和顺利下沉，我们根据芜湖桥的水文地质特点，设计配置了一套科学、合理、经济的锚碇系统，为芜湖桥基础施工的进度和安全，提供了有效、可靠的保证。2.锚碇的主要组成及作用根据设计院提供的桥址区域流向图，桥址处呈单向流态，总流向偏角64924.5。拟定双壁钢围堰锚碇系统由导向船及拉缆、边锚；前后定位船及其主锚、尾锚、边锚和下兜缆组成。10#墩锚碇系统布置示意图见图1。2.1 定位船锚碇系统布置前、后定位船各一艘，均为400t工程铁驳，前定位船设在桥位上游距桥轴线约200m处，后定位船设在桥位下游距桥轴线约200m处，定位船起到确定、调整导向船组和钢围堰的位置，调节主锚受力的作用。2.2 导向船9#12#墩钢围堰均采用2艘800t工程铁驳作为导向船，两艘铁驳由2组万能杆件联结梁连成整体，在联结梁顶对角布置2台-20桅杆吊机，导向船体系既作为调整、确定钢围堰位置的约束体系，也作为基础施工的辅助工作平台。2.3 主锚主锚承受钢围堰锚碇系统顺水流方向的水流阻力和风阻力，是保证钢围堰安全稳定的主要结构物。2.4 边锚边锚布置于定位船和导向船两侧，主要作用是调节和控制定位船、导向船在垂直水流方向的位置，承受侧向水流阻力和风力。2.5 尾锚尾锚顺水流方向分别布置在导向船和后定位船尾部，主要作用是抵御潮水影响，保证钢围堰锚碇系统在水流方向上的稳定。2.6 柔性支撑柔性支撑是连接钢围堰与导向船的可调钢丝绳，其作用是固定钢围堰的位置，保证钢围堰与导向船间留有一定的空隙，防止导向船撞击钢围堰，其允许钢围堰与导向船上下相对运动。并通过调节钢丝绳长度使钢围堰与导向船间相对位置比较稳定。2.7 拉缆前后定位船与导向船之间均设有拉缆，其作用是将钢围堰与导向船体系所受外力传给主锚和尾锚，起到固定钢围堰位置的作用。3、锚碇系统的计算方法（以10号墩为例）锚碇系统的计算主要依据铁路工程施工技术手册桥涵锚碇布置计算部分进行，并根据其它相关资料进行了必要补充。3.1 计算基本资料3.1.1 地质情况：10#墩河床面标高为-16.90m (黄海高程，下同)，岩面标高为-42.40m，覆盖为粗砂、中砂、粉细砂，岩层为角岩。3.1.2 水文情况510月间施工设防水位+10.50m，相当于1983年实测最高水位，相应流量为77200m3/s，流速为2.5m/s。114月间施工设防水位+6.0m，相应流量为30000m3/s，流速为1.6m/s。冲刷：一般冲刷线按冲刷至标高-24.4m考虑。局部冲刷按标高-42.4m考虑。3.1.3 基本风压基本风压按0=500Pa计算3.1.4 锚碇设施导向船：800t工程铁驳，载重800t，自重216t，重载吃水1.8m，外型尺寸：49m11.952m3m。定位船：400t铁驳。400t铁驳：载重400t，自重132t，重载吃水1.5m，外型尺寸：40m9.2m2.4m。3.2 计算原则按钢围堰下沉至即将着床状态（仍为悬浮体系）锚碇系统受力最大进行计算。边锚、尾锚按主锚受力的50%进行计算。3.3 计算步骤及方法3.3.1 钢围堰水阻力R1：R1=K式中：k为水流阻力系数，取k=0.75；r为水的容积r=10KN/m3；v为水流速度（m/s）；A为围堰入水部分在垂直于水流方向的投影面积（m2）；g为重力加速度g=9.81m/ s2；3.3.2 钢围堰风阻力R2R2=式中：K1为设计风速频率换算系数K1=1.0；K2为风载体型系数K2=0.8；K3为风压高度变化系数K3=1.0 ；K4为地形、地埋条件系数K4=1.0；0为基本风压值0=500Pa；F为挡风面积（m2）3.3.3 导向船组水阻力R3R3=式中：f为铁驳摩阻系数f=0.17；s为船舶浸水面积（m2）；s=L（2T+0.85B）；L为船长，T为吃水深度，B为船宽；为阻力系数，方头船只取10；A1为船舶入水部分垂直于水流方向的投影面积（m2）；n为导向船只数n=2。3.3.4 导向船组风阻力R4R4=式中：K2为风载体型系数K2=1.3，其余符号同前述。 3.3.5 定位船水阻力R5R5=R5=（fs+A1）v2n10-2（KN）式中符号均同前述。3.3.6 定位船风阻力R6R6=式中：K2为风载体型系数K2=1.3，其余符号同前述。 3.3.7 围堰旁临时工作船只的水阻力和风阻力R7围堰旁临时工作船只包括：水上砼工厂（800t驳）1座、空压机船（300t驳）1艘、自卸驳（300t）2艘、砂石运输船（300t）各2艘、水泥、粉煤灰运输船（300t）各1艘、浮吊1艘、抓斗船2艘，计15艘。3.3.8 主锚所受总拉力R主R主=表1 主锚总拉力计算数据汇总表 单位：KN序号项 目9#10#11#12#1钢围堰水阻力R1467.431444.61164.04633.662钢围堰风阻力R262.0282.9678.0862.023导向船组水阻力R316.6416.6416.6416.644导向船组风阻力R4163.90218.31218.31163.905定位船水阻力R510.8310.8310.8310.836定位船风阻力R630.2630.2630.2630.267临时工作船水、风阻力R7227.30227.30227.30227.308主锚总拉力R主978.382030.91745.461144.613.3.9 锚的选择与计算锚的选择应综合考虑抛锚区内水深、河床覆盖层土质类别等情况，并先预估抛锚区范围，然后在抛锚区内进行调查，看有无影响抛锚的异物或其它设施，经过调查：9#、10#、11#墩上、下游抛锚区内河床覆盖层均以砂类土为主且厚度较大，12#墩上游抛锚区为砂土，厚度较薄，且有部分裸露风化岩层，下游抛锚区内河床覆盖层以淤泥和砂类土为主。考虑芜湖桥抛锚工作量相当大，并且工期较紧，为便于施工，除12#墩主锚采用钢筋砼锚外其余各类锚均采用霍尔式铁锚。3.3.9.1 主锚计算锚重G：铁锚G=R主/5，钢筋砼锚G=1.5R主主锚数N=G/单锚重，每个主锚受力P=R主/N锚链计算：采用普通有档锚链，安全系数k取4，锚链直径d=（mm），锚链拖地长度l0=2.5h，h为锚绳出马口处与锚位处河床标高差（m）。主锚钢丝绳计算：钢丝绳计算按k=校核其安全系数，为折算系数，Fg为钢丝破断拉力总和，k为安全系数，k=36。在桥位上游约820m处为国家水下光缆禁区边界，在锚碇设计时必须注意，不使主锚进入该禁区内，必须控制主锚绳的长度，因此要以锚链代替部分钢丝绳，以缩短主锚绳长度。锚绳总长lm=锚链拖地长度l0+曲线段锚链长S1+钢丝绳长S2锚绳计算步骤和方法：先假定曲线段锚链长度，根据公式S1=+，求出S1对应高度h1再对锚链曲线方程y= 2求导，利用三角关系求出钢丝绳长度S2。3.3.9.2 边锚计算导向船组边锚、定位船边锚分别按导向船组和定位船顺水流向受力的50%计算，其计算方法同主锚。3.3.10 钢围堰下兜缆计算钢围堰下兜缆为前后定位船拉钢围堰下部的钢丝绳。在图2中钢围堰是以钢围堰上柔性支撑两固定点连线的水平中垂线为轴转动的，根据M0=0可求得下兜缆拉力Rb。图3为柔性支撑平面布置图。3.3.11 拉缆计算前定位船拉导向船组拉缆拉力Ra包括两个部分：第一部分，钢围堰水阻力和风阻力，此部分需扣除下兜缆拉力Rb；第二部分为导向船组、后定位船及临时工作船所受水阻力和风阻力。求出Ra后根据前述方法选择钢丝绳。锚、锚链及钢丝绳配置详见表2。表2. 10号墩锚、锚链、钢丝绳配置一览表 序号类 别锚 重t数 量锚 链钢 丝 绳DmmLmDmmLm1主锚7867100434602尾锚746775435253前定位船边锚143112519.51104后定位船边锚143112519.51105导向船边锚5867150431006拉缆10432007下兜缆2304503.3.12 导向船联结梁受力分析联结梁系由万能杆件拼装的空间桁架结构，横跨在两艘铁驳上，上、下游各1组联结梁，每组联结梁由2片主桁和1片副桁组成，每片桁架与每艘铁驳有2点相联结，计算出2联结点反力即可分析联结梁内力，导向船联结梁平面布置见图4。基本假定：a、联结梁为一刚性梁，忽略自重所产生的挠度，两铁驳无相对转角，在任何荷载作用下两铁驳处于同一水平面。b、在对称荷载作用下，两铁驳下的水浮力是均匀分布的。c、在反对称荷载作用下，两铁驳下的水浮力是呈三角形分布的。计算荷载：铁驳及舱面设备重量、吊机及卷扬机重量、压舱片石重量、联结梁及吊机构架重、吊机作业时各支点最大反力。计算工况：a、吊机作业时，联结梁最不利受力情况（见图5）。b、联结梁在导向船及联结梁上所有恒载作用下受力。将a与b受力进行叠加即为联结梁受力。4、锚碇系统施工锚的抛设应在江面风平浪静，能见度好的气候条件下进行，采用拖轮曳带抛锚船作业，由测量人员交汇出锚位，抛锚船在锚位处用甩梢法将锚抛到指定的位置。4.1 抛锚前的准备工作（1）利用400T铁驳改制一条抛锚船（2）准备好抛锚所需的前、后定位船、锚、锚链、钢丝绳等机具设备（3）事先与港监部门取得联系，届时维护水上航行秩序，保证抛锚施工安全。4.2 锚碇系统施工步骤（1）前定位船抛锚定位。（2）后定位船临时定位。用拖轮将后定位船顶推至前定位船尾部并与其临时系结，过拉缆到后定位船与临时滑车组系结，然后用拖轮协助将后定位船溜放到墩位处，抛设边锚、尾锚。（3） 导向船组及围堰由江边起重码头浮运到墩位处，过缆、锚碇好导向船组，后定位船溜放到下游设计位置。（4） 抛设剩余锚，调整收紧各锚绳、拉缆，使锚碇系统处于稳定状态。5、结束语锚碇系统是围堰在水中悬浮状况时固定其位置的重要设施，对围堰施工的成败起着关键作用。随着钢围堰的下沉，水流涡漩对钢围堰的推力越来越大，严重时有可能造成围堰带着导向船组横向摆动，因此在锚碇设计和施工中必须充分考虑和正确认识边锚的受力。另外，在导向船组就位，锚