大跨度斜拉桥钢套箱钢管桩平台设计与稳定性校核

大跨度斜拉桥钢套箱钢管桩平台设计与稳定性校核

1施工难点分析在设计大型斜拉桥顶部的结构箱梁时，应考虑重量和最大不对称负荷（例如，当主塔两侧同时悬索时，一侧荷载）对主塔的稳定性的影响，通常采取临时桥墩的担保措施。南京长江第三大桥南临时墩设计施工有以下几个特点:①墩位水位深(有近48m深的水);②抗风拉压力大(施工过程承受最大可能拉压力为6000kN);③墩位水流速度大(1.5m/s)。根据现场实际情况和经过多方论证,采用钢套箱钢管桩平台作为临时墩的基础。由以上特点可知在施工过程中必然会遇到的难题是:深水急流大条件下的钢管桩下放;大吨位荷载下的钢管桩平台的稳定性。本文介绍对钢套箱钢管桩平台设计施工过程中钢管桩下放的受力计算,以及钢管桩平台的稳定性验算。2长江临时墩水位综合分析南临时墩中心距南主墩104m(锚固位置距南主墩107m),正处在长江主航道,长江南侧深泓区,实测墩位河床标高-42.0m,临时墩水深达48m(+6.0m水位),水面以上高度约29m,总高度约77m。见图1。3浮式桁架浮仓钢管桩下放过程中的重力主要由浮吊承受,钢管桩每米重约0.8t,钢管桩总长60m,重48t,利用现有320t浮吊整体吊装。考虑的主要问题是水流对钢管桩的侧向冲击力,钢管桩下放过程中取最不利受力状态(即钢管桩入土前),按简化力学模型(图2)(A端为水上导向)计算如下:Ra=ql=33.3kN;Ma=ql2/2=749.25kN。从计算结果可以看出水上导向需要承受一个巨大的扭力,所以一个简单的导向是无法解决这个问题的,经过综合比较很多方案之后,确定了一个浮式桁架的导向方案。浮式桁架高15m,平面尺寸为21m×12.8m;浮式桁架采用浮仓与工字钢桁架焊接而成。同时为解决大吨位荷载下的高桩稳定性问题,采用平面分开布置5根钢管桩的方法来实现,见图3。浮式桁架解决了导向的刚度问题,但钢管桩所受水流冲击力传递给浮式桁架后的受力并没有解决,于是考虑到了用锚碇系统来承受这个力。通过计算,锚碇系统最后布置见图4。4水上部分高南临时墩钢管桩入土深度平均为10m,水深为48m,水上部分高为29m。浮箱受到1.5m/s的水流冲击力,同时整个临时墩承受拉压力6000kN,因此,对南临时墩钢套箱钢管桩平台的高桩稳定性进行校核。4.1简化土体、弹簧(1)平台基础的5根钢管桩中最小入土深度为10m,按10m嵌固深度计算,偏安全考虑假定锚碇系统不参与受力。(2)偏于安全考虑,作用于浮箱上的水流迎水面取浮箱全高全宽范围,并简化为集中力作用在浮箱顶部和底部位置且按等效原则分配给各钢管桩,浮箱以下的水流冲击力按实际情况作用于钢管桩上。(3)土体简化为一系列弹簧。(4)浮箱上口加劲桁架与钢管桩之间为刚接,浮箱下口不考虑与钢管桩的连接。(5)由于临时墩钢管桩横桥向间距为2×7.6m,而顺桥向钢管桩间距离为2×3.75m,故顺桥向为最不利受力方向。4.2高承台群桩基桩的计算宽度根据《公路桥涵地基与基础设计规范》JTJ024-85,将钢管桩和浮箱视为高承台群桩基础,则基桩的计算宽度b1为每一根钢管桩的计算宽度,计算得b1=2.7m。4.3桥向压力分析4.3.1计算方案的公式顺桥向受力分析计算图式见图5。4.3.2基本组成计算基本参数见表1。4.3.3根弹簧的弹性系数按照m法,将土体对钢管桩的横向约束简化为一系列弹簧。每根弹簧的弹性系数按照其影响区域积分,得单根钢管桩每根弹簧的弹性系数表达式为:k0=0.5mb1(z上+z下)(z上−z下)k0=0.5mb1(z上+z下)(z上-z下)其中,z上为弹簧以上相邻钢管桩单元的中点距河床的距离;z下为弹簧以下相邻钢管桩单元的中点距河床的距离。对于顺桥向受力模式,横向的2根钢管桩合并为1根:k1=2×k0。顺桥向受力模式弹簧系数见表2。4.3.4弯矩与最大应力采用ANSYS计算软件对其进行验算,计算结果如下:最大弯矩Mmax=0.741×109N·mm;最大应力σmax=119MPa<[130MPa];最大变形δmax=98mm<[110mm]。具体见图6～图8。5钢套箱钢管桩平台施工从计算结果可知,钢套箱钢管桩平台的综合应力、变形均满足规范要求,说明深水急流位置的南临时墩采用钢套箱