增量法在鋼板樁圍堰設計施工中的應用

1、第卷第期年月文章編號：（）中外公路增量法在鋼板樁圍堰設計施工中的應用雷志超。楊芬，汪君文。梁悅鵬，夏爭志（路橋華南工程有限公司，廣東中山；湖北省交通規(guī)劃設計院）摘要：介紹了廣州新造珠江大橋的工程背景，輔助墩承臺施工所采用的鋼板樁圍堰結構、荷載工況、空間有限元分析計算，及增量法在鋼板樁圍堰設計中的應用，設計經驗可為同類結構提供參考。關鍵詞：鋼板樁圍堰；增量法；有限元分析目前中國在鋼板樁圍堰結構設計中，常常將鋼板樁結構按照在內支撐處多點支撐的連續(xù)梁或者懸臂梁進行設計計算。此種計算方法即以假定內支撐結構與鋼板樁結構同步實現(xiàn)安裝、共同參與受力。然而，在實際施工過程中，鋼板樁與內支撐結構同步受力實施起來

2、較為困難。而且，按照常規(guī)鋼板樁圍堰的施工流程，是按照先振設鋼板樁，進行圍堰內部清淤、澆筑封底混凝土，進而進行邊抽水邊焊接內支撐結構這一類流程施工。增量法主要分析思路：抓住施工流程上帶來的荷載遞增特性，考慮既有結構在荷載遞增的情況下產生的初始變形效果（即：結構按照每一個施工步驟，考慮初始位移），逐步分析結構的內力分布。筆者結合廣州新造珠江特大橋輔助墩鋼板樁圍堰，比較增量法設計的計算結果與常規(guī)設計方法的計算結果之間的差異。工程概況廣州新洲至華龍快速路工程新造珠江特大橋是連接廣州大學城、長洲島和新造鎮(zhèn)，是新華快速路的重要組成部分。大橋全長，主橋為的雙塔單索面預應力混凝土斜拉橋，主橋墩身采用雙薄壁實心

3、墩，主墩基礎為根曹瞵料黼黼料鼉料黼鬻并崠糍料料黼料拳靠料豢鬻豢靠素并料料豢靠素蠢黼曲罐料聿豢糍曲瞵曲瞵曲啡崠靠料啡÷瞵曲瞵糶蠢料曲靠！靠鬻蠢爿瞵豢鬻黼睪雉料鬻豢蠢蠢譯鬻綜上所述：這種“外梁超載，內梁卸載”的現(xiàn)象，在設計中不能簡單地“以直代曲”計算，必須考慮簡化計算的適用范圍，過于忽略曲率因素影響有可能導致對邊、中梁的抗力設計不合理。同時，由于內梁卸載，如果處理不當，有時使得曲梁內外側支座反力相差很大，當活載偏置時，內側支座甚至會出現(xiàn)負反力，如果支座不能承受拉力，就會出現(xiàn)梁體與支座發(fā)生脫離的現(xiàn)象，導致通常稱為“支座脫空”的事故發(fā)生。參考文獻：姚玲森混凝土彎梁橋北京：人民交通出版社，因素

4、對外邊梁受力不利，但對內邊梁受力有利，同時，對中梁受力的影響有限。設計中如果不計曲率因素影響有可能導致邊、中梁的抗力設計不合理。程迸，沈旭東，孫斌，等基于的預應力混凝土曲線梁橋三維施工仿真分析公路交通科技，（）結論（）影響面計算結果說明：曲線梁橋各梁的受力邵容光夏淦混凝土彎梁橋北京：人民交通出版社，劉志文，賀拴海曲線梁橋結構分析系統(tǒng)口長安大學學報，（）孫廣華曲線梁橋計算北京：人民交通出版社，很不均勻，荷載作用于外邊梁較內邊梁不利，同時，各梁的受扭特性較明顯，設計中應當充分注意，充分考慮外側邊梁的不利因素與曲線梁橋的彎扭特性。（）通過與直橋的對比分析發(fā)現(xiàn)：曲線梁橋曲率收稿曰期：王鈞利曲線箱梁橋的

5、病害分析及設計對策中外公路，（）作者簡介：雷志超，男，大學本科，高級工程師萬方數據中鉆孔灌注樁基礎，輔助墩基礎采用根，鉆孔灌注樁基礎，承臺平面尺寸×。該橋兩個主墩及北岸輔助墩為水中墩，均采用圍堰結構進行施工。其中，輔助墩采用鋼板樁圍堰施工。水文情況根據設計勘察資料：橋位處珠江水道年平均徑流量為億。年平均徑流速為。小潮和大潮全潮下泄量分別是×和×外公路第卷標高為一（考慮厚封底以及河床的不平整性）、河床平均標高為、承臺底設計標高為、設計水位為（另考慮船只引起的浪高）、設計流速、設計波浪力為一，波浪作用高度。鋼板樁圍堰共設置層型鋼內支撐結構，內支撐由圈梁及斜撐組成。圈梁

6、采用制作，斜撐采用擊×鋼管制作（圖）。，年平均徑流速分別為和頂層內支撐結構中心標高為，第二層內支撐結構中心標高為（圖）。主要材料及指標。水道潮型屬于不正規(guī)半日潮混合潮型。多年平均潮差為，最大為，均為珠江八大口門最大值。地質情況根據地質鉆探結果，主橋輔助墩墩位處地質主要為：淤泥、粉砂、全風化混合巖、強風化混合巖、微風化混合巖，局部范圍存在粉砂層中間夾雜淤泥層的復雜地質。（）鋼板樁結構為鋼板，容許彎曲應力盯；容許剪應力；內支撐結構為鋼板，容許彎瞌應力盯；容許剪應力。（）封底混凝土為混凝土，施工期間，容許拉應力仉一、容許壓應力吼一。鋼板樁圍堰的設計輔助墩承臺平面尺寸為×圍堰計算工

7、況的確定、承臺頂面施工流程埋入河床超過，土壓力及靜動水壓均較大，且距離北岸防洪河堤僅，位于珠江主航道，施工時間為當年月，正值珠江汛期，無法進行常規(guī)筑島施工。經過安全性、經濟性、總體工期及施工可行性等方面分析比較，最終選用鋼板樁圍堰。鋼板樁圍堰設計鋼板樁頂設計標高為、鋼板樁底設計樁基施工完畢一部分平臺拆除一第一次圍堰內、外清淤一插打鋼板樁一鋼板樁合龍一抽水第二次清淤一水下混凝土封底，混凝土等強一抽水到第一層內支撐標高（以下）一安裝第一層內支撐一抽水到第二層內支撐標高（以下）一安裝第二層內支撐一抽水至封底混凝土頂面一樁頭破除一樁基檢測一承臺澆筑一支撐拆除一鋼板樁拔除一鋼板樁圍堰施工完成。、一：。赫

8、詒計付，善坐“”“、“可第一層內支撐中址第二層內支撐中）高一承臺頂標高（：§鯉些）顯。熬攀鬻蘺褰轤一守（“）二二二漉層二，罵三粵：摯底混凝專矽水下混警土：。，寸鋼板樁底標高（！：塑巴亞；：”、：二“；麓王?。可疲郝矗哄揪?；蔓；：謄）鼻：”，：¨：？：÷毒。二：一：一圖鋼板樁結構立面布置圍（單位：）、：幣砂層：。？蘭：“：，。：萬方數據年第期雷志超，等：增量法在鋼板樁圍堰設計施工中的應用毀。卜鯉卜鏹寸一繕心西寸，肄霜蓼：蕙、黛囊，巖圖內支撐的平面布置圖（單位：）控制性計算工況鋼板樁圍堰內部抽水至封底混凝土頂面（即：），是檢驗圍堰結構使用性能的關鍵狀態(tài)。流水壓力出于

9、安全考慮，施工區(qū)域流水設計流速為。根據公路橋涵設計通用規(guī)范，流水壓力可按下式計算：。研口（）在此工況下，將水壓力、波浪力、土壓力等荷載組合考慮，是控制性工況下的荷載組合。因此鋼板樁圍堰內部抽水至封底混凝土頂面是控制性工況。（）取流水壓力系數忌一，經計算，水流壓力為。，計算中取。設計荷載波浪力該鋼板樁圍堰波浪力按照。一，浪高靜水壓力鋼板樁圍堰結構靜水壓力計算公式為：一（）進行考慮。鋼板樁圍堰計算過程中，靜水壓力、主動土壓力、動水壓力、波浪力均按照面荷載（即：壓力荷載）的形式施加給鋼板樁，進而傳遞給內支撐結構及封底混凝土，形成整體空間結構，共同參與受力。鋼板樁圍堰設計水位，封底混凝土頂標高，則圍堰

10、底最大水壓力為：。一鋼板樁圍堰頂水壓力為，從圍堰頂到封底混凝土頂面的靜水壓力呈倒三角形分布。底部外側土壓力鋼板樁圍堰外側土壓力按主動土壓力計算，圍堰外側土層厚度考慮為，最大土壓力在河床標高位置。主動土壓力采用朗金土壓力計算公式計算：（。一）（）。有限元模型結構模型鋼板樁圍堰結構中主要有封底混凝土、內支撐結構、鋼板樁結構。此次采用軟件進行分析，建模時主要采用實體單元、梁單元、板單元，分別模擬封底混凝土、內支撐和鋼板樁。全結構共分為個節(jié)點，個單元，其中包括個梁單元，個板單元，個實體單元。邊界條件根據輔助墩墩位處地勘報告及相應的地基系數最大土壓力經計算為。結構自重結構自重按其體積和容重相乘即可，軟件

11、處理中是輸入材料的密度，由軟件輸入重力加速度即可。萬方數據中外公路第卷（），在封底混凝土以下部位，沿鋼板樁按照間距設置節(jié)點彈性支撐（表）。表節(jié)點彈性約束表增量法計算結果控制性工況下按增量法計算的結構變形云圖、鋼板樁及內支撐應力云圖分別見圖、。圖增量法控制性工況結構變形云圖（單位：）圖增量法控制性工況鋼板樁應力云圖（單位：）萬方數據圖增量法控制性工況內支撐應力云圖（單位：）增量法計算結果見表。表增量法計算結果常規(guī)方法計算結果按常規(guī)方法計算的控制性工況結構變形云圖、鋼板樁及內支撐應力云圖分別見圖、。圖常規(guī)法控制性工況結構變形云圖（單位：）常規(guī)方法計算結果見表。表常規(guī)方法計算結果年第期雷志超，等：增

12、量法在鋼板樁圍堰設計施工中的應用圖常規(guī)法控制性工況鋼板樁應力云圖（單位：）圖常規(guī)法控制性工況內支撐應力云圖（單位：）兩種方法計算結果比較見表。表常規(guī)方法計算結果萬方數據除去計算結果上的差異外，關鍵問題在于最大應力（即：控制應力）所出現(xiàn)的位置不同。這是本質上、致命的差異。結論新造珠江大橋輔助墩承臺充分考慮了鋼板樁圍堰結構的施工流程，采用增量法詳細分析了結構最不利工況下的受力，保證了結構的安全，通過此鋼板樁圍堰設計可得如下結論。（）常規(guī)方法進行鋼板樁圍堰設計存在不合理與不實際的方面，難以真實模擬鋼板樁及內支撐結構在施工過程中的受力情況。（）鋼板樁圍堰結構在采用常規(guī)方法與增量法計算時，無論是結構的內

13、力，還是結構的變形值，均存在較大差異，應予以充分重視。（）兩種計算方法分析所得的鋼板樁圍堰空間結構受力存在本質上的差異，即：控制性應力出現(xiàn)在不同結構部位，這將直接導致致命錯誤的發(fā)生。參考文獻：郭廣銀珠江黃浦大橋南漢橋南塔大型超深承臺鋼板樁圍堰施工廣東公路交通，（）姜中祖鐘敬鈞番禺大橋水上主塔基礎鋼板樁圍堰施工廣東公路交通，（）陸培炎陸培炎科技著作及論文選集北京：科學出版社，公路橋涵施工技術規(guī)范一公路橋涵設計通用規(guī)范公路橋涵鋼結構及木結構設計規(guī)范陳明憲斜拉橋建造技術北京：人民交通出版社，任亮廣州新光大橋深水承臺鋼板樁圍堰施工中外公路，（）許紅勝，顏東煌，黃元群深水基礎鋼圍堰結構方案比選研究中外公

14、路，（）曾慶敦，姚雙龍鋼板樁圍堰及支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定安全性分析中外公路，（）結果對比增量法在鋼板樁圍堰設計施工中的應用作者：作者單位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：雷志超， 楊芬， 汪君文， 梁悅鵬， 夏爭志雷志超,汪君文,梁悅鵬,夏爭志(路橋華南工程有限公司,廣東中山,528403)， 楊芬(湖北省交通規(guī)劃設計院)中外公路JOURNAL OF CHINA & FOREIGN HIGHWAY2010,30(4)參考文獻(10條)1.許紅勝;顏東煌;黃元群 深水基礎鋼圍堰結構方案比選研究期刊論文-中外公路 2007(03)2.任亮 廣州新光大橋深水承臺鋼板樁圍堰施工期刊論文-中外公路 2006(04)3.陳明憲 斜拉橋建造技術 20034.JTJ 025-86,