35涌潮河段钢围堰设计.docx
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35涌潮河段钢围堰设计
涌潮河段钢围堰设计
摘要:
下沙大桥也称为杭州钱塘江六桥。
在该桥位地处钱塘江强涌潮河段,涌潮压力比较大,一般都在56~79Kpa之间。
水下基础施工是该桥的关键。
关键词:
下沙大桥钢围堰涌潮
一、工程概况
1、工程简介
下沙大桥工程项目为杭州市绕城公路东段的主要控制工程,本合同段起点里程桩号为K21+559.25K23+437.538,全长1878.288米,桥跨布置为20×25m+13×50m+(127+3×232+127)/2米。
主桥上部结构为预应力混凝土刚构连续梁组合体系。
主引桥、引桥分别为50、25米预应力混凝土先简支后连续的T梁。
下部结构主桥为双薄壁墩身,主引桥为墙式墩,引桥为柱式墩身。
下沙大桥主桥单线承台的截面尺寸为25.60×13.40×5.50米,主墩承台设计的封底厚度为4.50米。
主墩承台顶面标高为-4.0米,底面标高为-9.50米。
设计封底混凝土底面标高为-14.0米。
下沙大桥主墩承台的基桩呈梅花型布置,单线有13根基桩,其中一根为备用桩。
在19号主墩基桩的直径为2.0米,其桩顶标高为-9.50米,原设计桩底标高为-88.0米。
20号主墩基桩采用变截面的形式,在标高-9.50~-42.0的范围内,桩径为2.30米;在标高-42.0~-96.0米的范围内,桩径为2.0米。
2、气象情况
桥位地区属亚热带气候区,温暖湿润,四季分明,秋旱少雨。
多年平均温度16.4℃。
极端最低气温-9.6℃,极端最高气温39.9℃。
本区域全年主导风以东风为主,北、西风次之,历年最大风速20m/s,平均风速为1.9m/s。
桥址位于东南沿海边,易受台风及热带风暴的影响。
3、水文
桥址水域,汛期受洪水控制,非汛期受潮汐控制,由于钱塘江在桥位上游大幅度的收缩,以致潮能集中,潮位增高,潮流动力极强,从而形成了世界闻名的涌潮,本桥位于强潮河段,又处于河湾顶面,水文条件复杂。
桥位所在河段涌潮的水文条件为:
平均高潮位:
+4.18米平均涨潮历时:
1小时42分
平均潮差:
+1.55米平均落潮历时:
10小时43分
在钱塘江美女坝一带,由于河道急剧弯曲,使钱塘江南岸涌潮强度比北岸大,涌潮水位比北岸高1.09米。
涌潮的最大传播速度为6.7m/s,平均传播速度为6.4m/s。
涌潮压力为56——80Kpa。
4、地质条件
本工程场地属钱塘江沙口冲积平原,地形较为平坦,地貌类型单一,工程地质条件差异不大。
上部为稍密,局部为中密状的砂土,厚约4.8—14.1米及中密状粉砂,厚约2.0~7.90米,其中相变过度为稍密状粉砂与软流塑状亚粘土层,厚约2.0~7.9米,中部为流软塑状高压缩性淤泥质软土,厚一般为22.3~32.5米,其下为硬塑状粘土、亚粘土,下部为硬塑局部软塑状的亚粘土,局部地段下部分分布有中砂或圆砾,底部为全~强~微晶屑凝灰岩或全~强~中风化泥质粉砂岩、砂砾岩及砾泥质粉砂岩。
二、钢围堰设计
钢围堰主要作用是保证主墩承台及部分墩身施工顺利进行完成,抵挡外部涌潮及钱塘江江水的入侵。
参考其他有关的工程资料,确定钢围堰在总体布设如下:
1、钢围堰方案比较:
钱塘江六桥主墩钢围堰设计主要有两种方案,一是上下线作一个整体围堰,中间设隔仓,将上下游承台分离,其特点是抗潮能力大,围堰用材较省,安装及下沉难度加大,封底砼数量也相应增加;二是上下线围堰分离设置,其特点是施工速度较快,安装下沉较方便,封底砼较省,围堰用材略增多。
经比较为确保施工工程质量和施工速度,采用上下线分离式围堰方案。
2、钢围堰总体布局设计:
根据浙江河口所多年来的观测资料和实测涌潮强度分析资料提供的参考值,确定钢围堰设计标高如以下:
钢围堰挡水板的顶面标高为:
+10.0米
钢围堰挡水板的底面标高为:
+8.0米
钢围堰设计顶面标高为:
+8.0米
钢围堰设计底面标高为:
-14.0米
钢围堰设计的基本截面尺寸:
堰壁1.50米宽。
总高度为22.0米(不包括挡水板的高度)。
平面尺寸为29.26×16.60米。
钢围堰主要受力构件为竖向桁片,共有50片。
在标高为-4.0~-14.0的范围内,钢围堰堰壁全部填充C20级混凝土。
在标高+5.0米、+3.0米、-1.0米及-3.0米处分别设置一道环向受力框,在这相对应的标高位置为钢围堰内支撑的布置位置。
钢围堰平面分成14块,共有4种块类型;立面分为4节。
钢围堰的刃脚底标高为-14.0米,顶面标高为+8.0米。
钢围堰第一节长6.0米,第二节长4.0米,第三、四节为6.0米。
钢围堰块类型的轴线长分别为:
1号块4.114米、2号块4.500米、3号块5.656米、4号块6.000米。
经计算确定,承台封底混凝土的有效厚度为3.8米,在标高+8.0米至+10.0米的范围内,加上一块挡水板,挡水板的材料为δ=6mm的钢板。
钢围堰一共有14个隔舱,分别布置钢围堰各块段的分块线位置。
3、钢围堰构件结构设计
(1)、钢围堰竖向桁片结构设计:
钢围堰竖向桁片节点板分为大小两种形式,规格分别为:
□300×300×8mm及□350×600×8mm,所用的材质均为A3钢。
节点板与竖向桁片的弦杆最外缘的距离有1.0厘米,在与竖向桁片弦杆焊接之时,焊缝将填满这1.0厘米的空隙。
钢围堰竖向桁片的弦杆、直杆及斜杆所用的材料均为[14a的槽钢,一般长度都在4.000~6.000米之间;斜杆的长度为1.315米;直杆的长度为1.208米;竖向桁片弦杆、斜杆及直杆都为2根[14a的槽钢组成。
(2)、环向受力框的结构形式:
钢围堰环向受力框主要作用是为了使竖向桁片群整体受力,加强钢围堰的整体刚度。
钢围堰受力框的弦杆、斜杆均为[22的槽钢。
根据受力情况,选择受力框弦杆、斜杆的截面形式。
钢围堰受力框的节点板为□450×400×8mm,分别焊接在受力框斜杆与其相交直杆的两侧。
立面图
(3)、钢围堰其他构件的结构形式:
钢围堰壁板所用的材料为δ=6mm厚、材质为A3的钢板。
在用δ=6mm钢板焊接成围堰壁板之前,钢板要开V型坡口,在焊缝的两端常因不能焊透而出现凹型形焊口,因此要在焊缝的两端加上引弧板,其长度应大于2.0厘米。
钢板加劲肋为[10槽钢,长为1.480米。
钢板加劲肋之间的间距根据其所处位置静水压力来确定。
隔舱板所用的材料为δ=6mm的钢板,在钢围堰倒角位置的倒角加强撑用2[10的槽钢,每50厘米布置一道。
钢围堰水平联系:
水平联系所用的材料为L75×75×6mm的等边角钢,长为1.978米,直接焊接在钢板加劲肋上。
钢围堰刃脚隔舱加劲肋板用δ=6mm的钢板制作而成,大约每50厘米布置一个。
刃脚斜肋所用的材料为2[10的槽钢,安放位置与竖向桁片位置相一致。
刃脚斜面板所用材料为δ=6mm的A3钢板,踏面板都用δ=10mm的A3钢板。
(4)、钢围堰内支撑结构形式:
钢围堰内支撑构件所用材料为钢管,其外径为80㎝,壁厚为1㎝。
4、设计荷载的确定
钢围堰设计荷载:
钢围堰主要受到涌潮来临之时涌潮压力及水、土压力。
钢围堰受到荷载模式主要为两种工况:
一是涌潮来临之时,钢围堰受到的水土压力及涌潮压力的作用;二是涌潮过后,钢围堰受到最高潮位时静水压力及土压力的共同作用。
荷载大小确定如下:
最高潮位:
+8.00米
最低潮位:
+3.90米
涌潮高度:
+3.10米
涌潮压力:
60Kpa
河床底标高:
-8.00米
5、计算假设
(1)、地基土作为弹性变形介质,地基系数随深度成比例增加;
(2)、不考虑钢围堰与土之间的粘着力及摩阻力;
(3)、钢围堰的刚度与土之间的刚度比为无限大;
(4)、钢围堰所承受的水土压力全部由竖向桁片来承担。
6、各种计算工况:
本钢围堰的下沉采用不排水下沉的方法。
河床标高按-8.0米计算,且钢围堰内、外侧水位基本等高,钢围堰的第四节已拼装且仓内混凝土已浇完之时,钢围堰刚下沉瞬间,刃脚外弯曲应力最大。
钢围堰刃脚内挠曲计算:
刃脚内挠曲最不利情况是钢围堰已下沉到设计标高。
(此时,钢围堰里的水头标高在0.369米,堰外水头标高为设计通航水位7.239米。
)钢围堰里的土也被开挖至刃脚底标高。
从结构上分析,此时,可将刃脚作为固定在钢围堰上悬壁梁,计算最大内应力;并且在此种工况下,刃脚根部以上1.5米钢围堰环向水平框架的内力计算;
钢围堰整体各杆件内力计算:
在承台、墩身施工中钢围堰始终受到涌潮压力及水、土压力的作用。
在刃脚以上10.0米段浇筑C20混凝土增加自重,在进行桥梁下部结构的施工过程中钢围堰始终要受到两种荷载状况:
一是涌潮来临之时,二是涌潮过后。
钢围堰的约束考虑:
在承台施工时,将承台封底混凝土顶面处作为钢围堰的固定端;在墩身施工时,将承台顶面处作为钢围堰的固定端。
为了保证承台施工的安全,必须对钢围堰在抽干封底顶面的水后,钢围堰受到浮力的影响。
在钢围堰刚着床的时候,当涌潮来临时是其整体稳定性最不利,因此要对此进行验算。
7、钢围堰内、外挠曲应力验算:
刃脚在入土过程中,产生外挠曲应力最不利条件为钢围堰全部接高完毕,浇筑钢围堰堰壁内10.0米高的混凝土,浇完压仓混凝土并注满水下沉至标高-10.0米,这种施工状态钢围堰刃脚外挠弯曲应力最为不利。
此时,设计最不利荷载的参数为:
外侧水位标高0.369米;河床标高(19#墩附近)为-8.0米;此时钢围堰刃脚底标高为-10.0米,在刃脚到到河床范围内土的物理性质为:
土质为亚沙土,比重r=19.5KN/M3,c=23.0Kpa,=26.4c,=28Kpa,=95Kpa。
内挠曲计算荷载:
钢围堰外侧水位标高为7.239米,钢围堰已下沉至设计标高-14.0米并且堰内土层开挖至封底混凝土底面,钢围堰内水头高度可以保持0.369米以上,河床标高为-8.0米。
在此状态下,钢围堰内挠曲应力为最不利情况:
钢围堰外挠曲最大应力:
=-1350.228或614.476Kpa。
钢围堰内挠曲最大应力:
σ=-370.422或372.884Kpa
τ=89.128Kpa<950.00Kpa
受压为“-”受拉为“+”,上式中数值都小于C20级混凝土抗拉、压应力,并且钢围堰外面还有钢板作为抗拉保护,因此,在钢围堰下沉到最不利条件下,钢围堰刃脚受力状态完全在安全范围。
下图为计算模式:
钢围堰混凝土:
C20级,混凝土的容许应力如下
轴心受压应力:
7000Kpa
弯曲受压应力:
9000Kpa
拉应力:
650Kpa
弯曲拉应力:
700Kpa
直接剪应力:
950Kpa
8、刃脚根部以上1.5米钢围堰环向水平框架的内力计算:
钢围堰横向受力最不利的受力部位为钢围堰刃脚根部以上一段堰壁,计算高度取钢围堰堰壁壁厚1.50米,即1.5×1.5米的钢围堰堰壁作为计算水平框架。
其承受水平力由两部分组成:
一是本身范围内受到的水、土压力;二是刃脚作为悬臂梁传来剪力。
为了保证钢围堰施工的安全,在钢围堰的下沉过程中,钢围堰内外的水头不能超过2.0米(不利情况是外面比里面高),计算模式如下图:
水平框架受到最大的水压力:
(每延米)
q1=20Kpa×3.0=60KN
水平框架受到最大的土压力:
(每延米)
q2=0.5×(10.955+24.423)×3.0=53.067KN
水平框架受到总荷载为:
(每延米)
q=q1+q2=60+53.067=113.067KN
水平框架受到的最大内力:
M=-3918.371KN·MN=-1361.112KN。
水平框架中的钢材和混凝土共同承受钢围堰水平框架部位所受到的荷载,计算结果为:
混凝土强度为20号,环向框受拉区所需配筋面积Ag=152.04㎝2,受压区所需配筋面积A1g=33.897㎝2,这两个数值都小于环向框范围内钢板及钢板加劲肋的截面面积A=153.7㎝2。
符合强度要求。
9、承台、墩身施工时钢围堰内力计算:
在承台的施工过程中,钢围堰受力状况主要有两种:
一是涌潮来临之时所受到的涌潮压力及水压力;二是涌潮过后所受到高潮位的水压力。
在承台施工完毕,进行墩身施工时要拆除钢围堰底下两层内支撑,此时钢围堰的受力状况分为两种情况,与承台施工状态的受力状况相同。
在墩身施工状况下,所取的荷载条件与承台施工状态完全相同。
设计荷载:
河床底标高:
-8.0米
河床底土的力学特征:
r=19.5KN/m3内摩擦角=26.4
土的摩阻力=25Kpa极限压应力=90Kpa
涌潮高度:
3.1米
涌潮压力:
60Kpa
相对应的低潮位:
+3.90米
相对应的高潮位:
+8.00米
(1)、在承台施工的状况下,涌潮来临时的计算模式:
(2)、在承台施工状况下,涌潮过后的计算模式:
(3)、墩身施工时涌潮来临的计算模式:
(4)、墩身施工时涌潮过后的计算模式:
在各种工况中,钢围堰各种杆件的应力:
竖向桁片弦杆的应力:
拉应力:
=1264.8㎏/㎝2
压应力:
=1462.7㎏/㎝2
竖向桁片特别弦杆的应力:
拉应力:
=1421.12㎏/㎝2
压应力:
=1218.76㎏/㎝2
竖向桁片斜杆的应力:
拉应力:
=1592.6㎏/㎝2
压应力:
=1145.1㎏/㎝2
竖向桁片加强斜杆的应力:
拉应力:
=1607.6㎏/㎝2大于{}=1600㎏/㎝2
但(1607.6-1600)÷1600×100%=0.478%〈5%
压应力:
=1269.2㎏/㎝2
竖向桁片直杆的应力:
拉应力:
=0㎏/㎝2
压应力:
=1212.3㎏/㎝2
环向受力框弦杆的应力:
拉应力:
=617.5㎏/㎝2
压应力:
=1620.4㎏/㎝2
但(16220.4-1600)/1600=1.28%〈5%满足要求。
环向受力框斜杆的应力:
拉应力:
=1016.0㎏/㎝2
压应力:
=1551.1㎏/㎝2
环向受力框直杆的应力:
压应力:
=110.4.4㎏/㎝2
内支撑钢管最大应力:
拉应力:
=333.6㎏/㎝2
压应力:
=1343.4㎏/㎝2
10、钢围堰自重下沉验算:
钢围堰下沉只能在施工水位状态,为不排水下沉。
由于钱塘江河床变化很大,在计算钢围堰下沉时只能将对河床标高进行假设,假设河床标高为-4.0米。
钢围堰的下沉系数=(整个钢围堰重量-钢围堰受到水的浮力)/(钢围堰受到土的模阻力+刃脚受到土的抵抗力)=1.5147
满足施工要求,在施工过程中如果发现钢围堰下沉困难,可对钢围堰进行压重及对河床进行清理。
11、克服钢围堰上浮稳定验算:
钢围堰封底完之后,要对承台进行施工就要抽干围堰内的水,这时应验算钢围堰是否上浮。
验算荷载条件:
水位为最高潮水位8.0米,考虑钢围堰与四周土摩阻力。
钢围堰抗上浮系数=(钢围堰总重量+压仓混凝土重+钢围堰外壁受到土的摩阻力+封底混凝土自重+基桩钢护筒受到土的摩阻力)/钢围堰内的水被抽干后的浮力=1.136
所以,钢围堰封底混凝土顶面上的水被抽干后,钢围堰不会上浮。
12、钢围堰没有进行封底前,受到涌潮压力作用下的稳定性验算:
在涌潮作用下,钢围堰的稳定性最为不利的情况是刚着床。
这种工况的荷载主要由水中基桩钢护筒及钢围堰的自重来承担。
钢围堰下沉导向型钢长8.0米,顶端标高为+8.0米。
钢护筒顶端联系用60㎝的钢管,联系钢管的中心标高为+8.0米。
下图为涌潮来临时的计算荷载情况。
经过计算得知,钢围堰自重及该墩基桩的钢护筒来抵抗不了最大涌潮压力。
为了保证钢围堰在着床前的稳定性,将另外承台中的基桩钢护筒连在一起,保证在最大的涌潮压力及不均衡水压力下,钢围堰的着床稳定性。
下面为在涌潮压力及不均衡水压力作用下,钢围堰着床稳定性的计算模式图:
三、钢围堰施工
钢围堰施工主要涉及到钢围堰加工、安装、下沉及承台封底等方面。
1、在钢围堰加工方面主要做到以下几个方面的内容:
(1)、采用行之有效的焊接工艺,减少和控制焊接应力及焊接变形;
(2)、在进行焊接施工之时,要对构件的施焊部位进行除锈、清除油污;
(3)、钢围堰块段精度:
长宽高的容许误差-3mm~+1mm;
(4)、钢围堰块段在加工、运输过程中,应防止发生碰撞,引起构件产生过大的变形,影响钢围堰的安装;
(5)、在各个块段焊接完成之后,可在加工现场进行试拼,以检验钢围堰块段的加工精度,并对首节作水密试验,所用的块段焊缝做煤油渗透检验。
2、在钢围堰安装方面的施工要点有以下几点:
(1)、钢围堰在安装之前,要对钢围堰下沉的位置进行测量,摸清钢围堰下沉位置河床标高的情况,必要时对河床进行整平;
(2)、拼装钢围堰,先对钢围堰进行栓接固定,在用连接板进行焊接固定;
(3)、第一节钢围堰在安装平台上安装完毕,通过起吊系统将其下放到水中,然后浇注刃脚混凝土;
(4)、钢围堰块段起吊作业中,吊点的位置布置必须合理,要使钢围堰块段中产生的正负弯矩要基本相等,也就使钢围堰块段产生的变形达到最小;在安装钢围堰的吊装作业过程中,指挥信号必须清晰明确,按操作规程进行作业;
(5)、以第一节钢围堰为平台接高第二节钢围堰,然后在堰壁内注水,保证在接高第三节钢围堰之时,第二节钢围堰顶面距水面能有1.5~2.0米的距离,以便水平及竖向拼缝的焊接施工;
(6)、接高第三节钢围堰,然后往堰壁内加水,保证在接高第四节钢围堰之时,第三节钢围堰顶面距水面能有1.5~2.0米的距离;接高第四节钢围堰完毕,对称抽取隔舱中的水,浇注剩下的混凝土,如需浇注水下混凝土,钢围堰中的压舱水一定为清水,以保证混凝土的质量。
(7)、在钢围堰下放之前,必须对钢围堰安装平台所有的起吊系统进行安全检查;同时必须做好抗涌潮的准备工作,以防钢围堰在涌潮的冲击之下发倾斜。
3、钢围堰下沉及封底施工要点:
(1)、在钢围堰下沉过程中,需要对其顶面、顺横桥向的轴线及垂直度进行跟踪观测;组织有关人员要做好观测记录;
(2)、钢围堰下沉至设计标高后,应对基底面应尽量进行整平,保证水下封底混凝土在刃脚处的最小设计厚度;
(3)、钢围堰下沉至设计标高后,应对钢围堰内堰壁和钢护筒外壁上的泥污进行清除,以保证堰壁与封底混凝土的粘接质量;
(4)、封底之前,对钢围堰的基底先抛填片石,且对片石整平,再抛填碎石整平后方可进行封底浇注;
(5)、导管的布置及根数必需保证封底混凝土的有效覆盖基底面,确保封底的质量;
(6)、当封底混凝土的强度达到设计强度,抽取钢围堰堰内的水,并对钢围堰进行变形观测;
(7)、在涌潮来临之前,要对钢围堰进行回水,以减少涌潮的冲击力。
注:
钢围堰压舱混凝土浇注高度参考值:
在钢围堰的接高过程中,钢围堰加重的控制:
在接高钢围堰时,一定要保证接高焊接位置高出水面1.50~2.0米左右。
工况
总长
(米)
吃水深度
(米)
露出水面
高度(米)
接高位置到水面的距离(米)
第一节钢围堰放入水中,没有加水
6.0
1.90
4.10
4.10
焊接接高第二节钢围堰并.加1.3米高的水
10.0
4.024
5.976
1.976
接高第三节钢围堰,并加上3.30米高的水
16.0
8.021
7.979
1.979
接高第四节钢围堰,堰内水浇注4.50米混凝土
22.0
14.017
7.983
1.983
注:
在接高第四节钢围堰之时,钢围堰刃脚可能已经落到河床之上,表里的数据只作为参考。
具体操作以现场情况来决定。
四、结束语
钱塘江六桥处于钱塘江涌潮比较强的河段,下部结构施工是本桥的主要关键工序。
为了使下部结构的施工顺利完成的关键,就是钢围堰的施工。
钱塘江六桥主墩钢围堰在设计中,涌潮等荷载取值是否过大,这要做进一步讨论。
由于荷载取值的原因,本钢围堰结构重量比较大。
钱塘江主墩钢围堰结构设计通过两个主墩施工已经证实:
本钢围堰完全满足承台施工要求。
在封底混凝土达到一定强度后抽干钢围堰中的水,钢围堰整体变形小。
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