某大桥涌潮河段钢围堰设计

某大桥涌潮河段钢围堰设计一、工程概况1、工程简介某大桥桥跨布置为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。某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。某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XXX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XXX江美女坝一带，由于河道急剧弯曲，使XXX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XXX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XXX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：XXX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372.884Kpaτ=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：950Kpa8、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：=10016.00㎏/㎝2压应力：=15551.11㎏/㎝2环向受力框直杆杆的应力：：压应力：=1110.4..4㎏/㎝2内支撑钢管最大大应力：拉应力：=3333.6㎏/㎝2压应力：=13343.44㎏/㎝210、钢围堰自重下下沉验算：：钢围堰下下沉只能在在施工水位位状态，为为不排水下下沉。由于于XXX江河河床变化很很大，在计计算钢围堰堰下沉时只只能将对河河床标高进进行假设，假假设河床标标高为-44.0米。钢围堰的下沉系系数=（整个钢钢围堰重量量-钢围堰受受到水的浮浮力）/（钢围堰堰受到土的的模阻力+刃脚受到到土的抵抗抗力）=1.55147满足施工要求，在在施工过程程中如果发发现钢围堰堰下沉困难难，可对钢钢围堰进行行压重及对对河床进行行清理。11、克服钢围堰上上浮稳定验验算：钢围围堰封底完完之后，要要对承台进进行施工就就要抽干围围堰内的水水，这时应应验算钢围围堰是否上上浮。验算算荷载条件件：水位为为最高潮水水位8.0米，考虑钢钢围堰与四四周土摩阻阻力。钢围堰抗上浮系系数=（钢围堰堰总重量+压仓混凝凝土重+钢围堰外外壁受到土土的摩阻力力+封底混凝凝土自重+基桩钢护护筒受到土土的摩阻力力）/钢围堰内内的水被抽抽干后的浮浮力=1.1136所以，钢围堰封封底混凝土土顶面上的的水被抽干干后，钢围围堰不会上上浮。12、钢围堰没有进进行封底前前，受到涌涌潮压力作作用下的稳稳定性验算算：在涌潮潮作用下，钢钢围堰的稳稳定性最为为不利的情情况是刚着着床。这种种工况的荷荷载主要由由水中基桩桩钢护筒及及钢围堰的的自重来承承担。钢围围堰下沉导导向型钢长长8.0米，顶端标标高为+8.0米。钢护筒筒顶端联系系用60㎝的钢管管，联系钢钢管的中心心标高为+8.0米。下图为为涌潮来临临时的计算算荷载情况况。经过计计算得知，钢钢围堰自重重及该墩基基桩的钢护护筒来抵抗抗不了最大大涌潮压力力。为了保保证钢围堰堰在着床前前的稳定性性，将另外外承台中的的基桩钢护护筒连在一一起，保证证在最大的的涌潮压力力及不均衡衡水压力下下，钢围堰堰的着床稳稳定性。下下面为在涌涌潮压力及及不均衡水水压力作用用下，钢围围堰着床稳稳定性的计计算模式图图：三、钢围堰施工工钢围堰施工主要要涉及到钢钢围堰加工工、安装、下下沉及承台台封底等方方面。1、在钢围堰加工工方面主要要做到以下下几个方面面的内容：：（1）、采用行之有有效的焊接接工艺，减减少和控制制焊接应力力及焊接变变形；（2）、在进行焊接接施工之时时，要对构构件的施焊焊部位进行行除锈、清清除油污；；（3）、钢围堰块段段精度：长长宽高的容容许误差-3mmm~+1mmm；（4）、钢围堰块段段在加工、运运输过程中中，应防止止发生碰撞撞，引起构构件产生过过大的变形形，影响钢钢围堰的安安装；（5）、在各个块段段焊接完成成之后，可可在加工现现场进行试试拼，以检检验钢围堰堰块段的加加工精度，并并对首节作作水密试验验，所用的的块段焊缝缝做煤油渗渗透检验。2、在钢围堰安装装方面的施施工要点有有以下几点点：（1）、钢围堰在安安装之前，要要对钢围堰堰下沉的位位置进行测测量，摸清清钢围堰下下沉位置河河床标高的的情况，必必要时对河河床进行整整平；（2）、拼装钢围堰堰，先对钢钢围堰进行行栓接固定定，在用连连接板进行行焊接固定定；（3）、第一节钢围围堰在安装装平台上安安装完毕，通通过起吊系系统将其下下放到水中中，然后浇浇注刃脚混混凝土；（4）、钢围堰块段段起吊作业业中，吊点点的位置布布置必须合合理，要使使钢围堰块块段中产生生的正负弯弯矩要基本本相等，也也就使钢围围堰块段产产生的变形形达到最小小；在安装装钢围堰的的吊装作业业过程中，指指挥信号必必须清晰明明确，按操操作规程进进行作业；；（5）、以第一节钢钢围堰为平平台接高第第二节钢围围堰，然后后在堰壁内内注水，保保证在接高高第三节钢钢围堰之时时，第二节节钢围堰顶顶面距水面面能有1.5~~2.0米的距离，以以便水平及及竖向拼缝缝的焊接施施工；（6）、接高第三节节钢围堰，然然后往堰壁壁内加水，保保证在接高高第四节钢钢围堰之时时，第三节节钢围堰顶顶面距水面面能有1.5~~2.0米的距离；；接高第四四节钢围堰堰完毕，对对称抽取隔隔舱中的水水，浇注剩剩下的混凝凝土，如需需浇注水下下混凝土，钢钢围堰中的的压舱水一一定为清水水，以保证证混凝土的的质量。（7）、在钢围堰