强涌潮河段双壁钢围堰设计与施工技术

强涌潮河段双壁钢围堰设计与施工技术124公路与汽运Highways&AutomotiveApplications第5期2009年9月强涌潮河段双壁钢围堰设计与施工技术赵天法,鲜正洪,唐红敏(1.路桥集团国际建设股份有限公司,北京100027;2.路桥华南工程有限公司,广东中山528403)摘要:江东大桥(钱江九桥)为自锚式悬索桥,两个主墩PM27,PM28墩承台为深水低桩大体积砼承台,位于钱塘江强涌潮区河段,其施工设计采用双壁钢围堰法.文中分析了该工程双壁钢围堰相关参数和结构设计,介绍了其R_r-技术.关键词:桥梁;强涌潮;双壁钢围堰;设计与施工;承台中图分类号:U443.16文献标识码:A文章编号:16712668(2009)050124-04在桥梁建设中,深水中承台施工的方法有很多种,如砂袋围堰,砼套箱围堰,钢板桩围堰以及钢围堰等,而位于强涌潮地区的承台施工常用方法有砂袋围堰和钢围堰等.钢围堰施工工艺因具有结构合理,适应性强以及安全可靠等优点而得到比较广泛的应用钱塘江涌潮高度一般2.5m,最高达3.7m,一月内除几天小潮之外,几乎都能看到涌潮,是最典型的强涌潮地区.钢围堰在钱塘江桥梁工程施工中最为典型,其施工难度最大,安全隐患最多.本文以江东大桥(钱江九桥)自锚式悬索桥两个主墩PM27,最易受到损坏,防水材料的施工损伤主要来自于运料车,摊铺机,碾压机械作用下的热集料.2)防水层的抗施工损伤性能采用抗施工机械损伤性能,抗热集料刺破性能及不透水性能评价,提出了相应的试验方法和评价指标,并对常见防水材料的抗施工损伤性能进行对比和评价.3)防水层的厚度大小与抗损伤能力密切相关,防水层厚度不足是抗施工损伤能力低的主要原因之一.根据抗施工损伤性能来确定防水层的最小厚度,其中涂膜类防水层厚度应不小于1.5mm,卷材类防水层厚度应不小于2.5mm.4)对防水层最重要的要求是不透水性能,根据对防水施工损伤与不透水性能关系的分析,可以得出桥面防水层的不透水性是指在其经受可能的施工损伤后的不透水性能,由不透水性试验得知,卷材类防水层的不透水性能明显优于涂膜类.参考文献:1张占军,胡长顺.砼桥面防水应用与研究综述EA.全PM28墩承台为研究对象,介绍针对强涌潮采取的双壁钢围堰设计和施工技术.1工程概况江东大桥位于杭州市区的东北角,是沟通杭州三纵五横快速路之一的德胜路与江东工业园区的一条快速通道,是杭州主线与规划江东工业区之间的重要道路连接通道.桥梁全长3.52km,其中二标段桥梁范围为K2+787.5K4+592.该标段桥梁主要包括通航孔连续刚构桥,通航孔自锚式悬索桥和非通航孔连续梁桥及陆上段引桥.国公路科技创新高层论坛论文集C.2002.2PriceA.R.Waterproofingofconcretebridgedecks:SitepracticeandfailuresR.ReportNo.317,TransportandRoadResearchLaboratory,UnitedKingdom,l999.3NCHRP.Synthesisofhighwaypractice220,WaterproofingmembranesforconcretebridgedecksR.TransportationResearchBoard,NationalResearchCouncil,Washington,D.C.1995.4PriceA.R.AfieldtrialofwaterproofingsystemsforconcretebridgedecksR.Researchreport185,Berkshire,TransportandRoadResearchLaboratory,Unitedkingdom,1989.5周庆华.桥面柔性防水材料性能指标与检测技术研究D.西安:长安大学,2003.6张占军.混凝土桥桥面防水系统性能及设计方法研究D.西安:长安大学,2004.7贾克锐.桥面铺装防水粘结层室内外试验研究J.公路与汽运,2007(2).收稿日期:20090623总第134期公一路与汽运HighwaysAutomotiveApplications125PM27,PM28主墩基础采用2.0m钻孔灌注桩群桩结构,每墩布置有18根桩,呈八边形分布,桩纵横间距均为5.4m.承台总体上为台体结构,平面尺寸为(25.620.2)m,高度为5.5m,承台底标高为一6.5m,采用C30砼.2水文特征1)洪水流速.钱塘江径流具有明显的年内和年际变化.年内存在洪,枯季之分,36月或47月为丰水期(或称梅汛期),大洪水主要出现在57月;8月次年2月或3月为枯水期.由于桥址处于洪潮共同作用的河口段中间,桥址断面最大流量和最大流速出现在特大潮落潮时刻(见表1).表1桥址断面各频率流量和最大断面平均流速2)水位特征.距离桥址最近的仓前水位站位于桥址上游约3km,19552002年仓前水文站潮位特征值如表2所示.每年71O月台风期间,钱塘江河口常受风暴潮影响,如果风暴潮与天文大潮相遇,则会形成异常高潮位.据仓前水文站记载,历史高水位中,85由台风暴潮遭遇天文大潮所致,只有15%由上游洪水引起.对仓前水文站逐年高,低潮位进行分析,结果见表3.表2仓前水文站水位特征值3)涌潮.本工程位于强涌潮河段,桥址附近河段涌潮可能最大高度约3.0m.根据野外观测及大范围数值模拟和试验研究,涌潮高度达3.0m时,测表3仓前水文站高,低水位统计频率高水位低水位频率高水位低水位/m/m/%/m/mo.2O8.822.oo7.98o.35O.338.515.OO7.64o.851.oo8.23o.1olO.OO7.351.o5点瞬时流速可达912m/s.19802004年秋季大潮期间实测的最低潮位为1.42m,最高潮位为4.42m.3设计参数的确定1)水位.设计时以6.433m为最高水位,考虑雍水高度和波浪,钢围堰顶标高取8.0m,其中顶端2.0m为防浪板.2)流速.5频率最大断面平均流速口一2.70m/s.3)流向.水流方向与桥轴线基本垂直.4)墩位河床标高.27#,28墩最低河床标高分别为一4.4m,一3.7m,最高河床标高分别为一4.2m,一3.2m.计算时偏安全考虑,墩位河床标高取一3.0m.5)基本风压.根据公路桥涵设计通用规范(JTGD6O一2004),取基本风压为0.5kN/m.6)涌潮高度.桥位处最大潮高为3.0m,而围堰施工期间不属于大潮期,故计算分析时取涌潮高度为2.5m,对应的水位应为施工期间低潮位,即1.343m.7)最大涌潮压力.根据该项目水文数学模型计算及定床模型试验研究报告,在3m涌潮情况下,潮高范围内平均压力为55kPa.计算中最大潮高为2.5m,由于目前没有具体潮压换算公式及其他相关资料,因此潮压按5OkPa考虑,涌潮底部到河床逐渐递减到20kPa.4围堰结构设计双壁钢围堰总体上包括壁板结构系统,内支撑结构系统和悬吊下放系统(见图1).4.1壁板结构系统壁板厚1.2m,平面呈八边形(与承台外形一致),内空尺寸比承台大10cm,顶标高8.Om,底标高一lO.om.从安装和结构构造本身角度考虑,壁板竖向分三节,高度分别为5.9m,5.1m,5.0m,水平分1O块,通过竖向钢箱将壁板分成多个隔仓.126公路与汽运Highways8LAutomotiveApplications第5期2009年91/2B-B!丝垒二垒2570防浪板l,一_内支撑_)一_1I1_/1一一,十】一一_/-11_0.0.卜.一.一图1双壁钢围堰竖向剖面图(单位:cm)壁板由内外面板,水平桁架,面板加劲肋及钢箱组成,水平桁架间距为(1.5+21.25+51.0+51.1+1.5)m,面板及钢箱壁板采用6mm,5mm,4mitt厚钢板,加劲肋采用L755mm,L705mm,L635mm型钢,加劲肋间距30cm,水平桁架弦杆(环向板)采用2212mm钢板,桁架斜杆采用L755mm,L100X6mm型钢.4.2内支撑系统套箱设置三层内支撑,其中心标高分别为2.5m,0.0m,一2.5m.内支撑采用钢管及型钢结构,主受力杆件采用8208mm螺旋钢管,2H600200ITI1TI型钢,斜杆采用6308Film螺旋钢管.钢管之间采用焊接,钢管与套箱壁板焊接,壁板进行局部加强,两层内支撑竖向采用H600x200mm型钢连接,以增加整体受力性能.4.3悬吊下放系统套箱在拼装平台上分节拼装,第一,二两节一次拼装成型,然后下放入床,向隔仓内浇筑隔仓砼或加水辅助下沉,待着床1.0m(具体根据实际水位情况确定)稳定后拼装第三节.在拼装的同时从隔仓内抽水,保持重力平衡,避免围堰不均匀下沉.围堰下放中在基桩钢护筒和围堰外围钢管桩顶布置承重梁(贝雷桁架),在套箱内外壁四周安装下放牛腿,在承重梁顶设置卷扬机及滑车,利用钢丝绳与牛腿连接,启动各点处卷扬机,使钢丝绳受力拉紧,最后同步整体下放.为保证同步性,可将各卷扬机进行串联.为有效控制围堰下放的垂直度,在最外围钢护筒上设置导向装置,该装置高5m,顶标高为5.0171,采用槽钢焊接而成.导向装置与围堰内壁问为半圆形刚性滑轨.5结构应力分析计算5.1计算工况围堰施工主要包括拼装下沉,封底砼施工,抽水,承台施工几个阶段,计算时充分考虑各施工阶段的最不利受力情况(包括整体和局部).其主要分析工况如下:工况一,抽水后对封底砼的受力分析;工况二,抽水全部结束,涌潮发生及高水位时围堰整体结构受力分析;工况三,承台浇筑完第一层并拆除下层内支撑后涌潮发生及高水位时钢围堰整体结构受力分析;工况四,钢围堰刃脚的局部受力分析;工况五,钢围堰人床下沉效果分析.5.2水平桁架整体刚度,杆件受力及围堰壁板钢箱承受的荷载分析计算实际施工时将对围堰隔仓浇筑砼(拟浇筑至一3.0m),即该部分水平桁架与砼共同受力,具有足够的强度和刚度.分析杆件受力情况时只需分析一3.0m以上的桁架,但分析钢箱受力时需对每层水平桁架分别进行计算.计算结果:最大节点位移为6.48mm;一3.0m处桁架杆件轴力在高水位时为最大,弦杆轴力最大为一38.2t,斜杆轴力最大值小于30t,各杆件受力差异较大.为此按杆件受力确定杆件型号:轴力小于lOt的采用L75x75x5mm(容许轴力为10.5t),轴力1020t的采用2L75755ram(容许轴力为21t),轴力大于20t的采用2LIO0x1006ram(容许轴力为3O.15t),弦杆采用22012mmQ235钢板(容许轴力为37.4t).实际施工时隔仓砼已浇筑一3.om,砼将参与共同受力,上述结构能满足受力需要.5.3竖向钢箱整体刚度,受力分析计算计算结果表明,除支撑位置附近部分单元的应力超过容许值(162MPa)外,其他单元的应力均在容许范围内.对支撑附近的内面板及环板均予以加厚处理,并增加环板数量,以解决局部应力问题.5.4内支撑整体刚度,受力分析计算第三层内支撑压杆轴力分别为241.15t,260.1t,131.57t,81.09t,55.3t,内支撑拟采用2H6O0200mm,820l0mm,6306mm三种结构.第二层内支撑压杆轴力分别为76.4t,82.3t,41.6t,25.44t,17.68t,内支撑拟采用2H600200mm,630x8mm,420x5m三种结构.宦哥叶8-【总第134期公路与汽运Highways&AutomotiveApplications127第一层内支撑压杆的轴力分别为147.59t,159.59t,80.4t,49.7t和33.8t,内支撑设计采用2H600200Wlm,958208mitt,63O6mm三种结构.按两端简支模式考虑,对上述受压杆件分别进行计算,结果表明均满足受力需要.6钢围堰的拼装1)加工场地试拼装.为检验加工好的各节钢围堰的拼缝是否吻合以及整体尺寸是否正确,每节钢围堰加工完成后进行该节钢围堰整体试拼.2)钢围堰拼装.第一节钢围堰拼接.将加工场地内试拼平台上的分块钢围堰按编号顺序运输至墩侧平台上,用50t吊车垂直,水平移位至组拼平台放样位置,利用葫芦配合调整垂直度后下放至平台上,并用型钢或钢板将该钢围堰固定在导向架上,相邻分块问用临时螺栓固定.第一节钢围堰全部分块拼完合拢,测量复核位置符合设计要求后,进行拼缝焊接.整条竖缝焊接完毕后,在其上贴6120mm钢板带并进行两条焊缝的焊接.第一节钢围堰整体焊接完成后,利用悬吊系统均匀上提围堰i0cm,拆除底平台,最后边下沉边往仓内注清水并均匀下沉至围堰顶标高+6.0m后固定.对称抽水浇筑i.5m高刃脚砼.第二节钢围堰拼接.重复第一节钢围堰的拼接步骤,使围堰均匀下沉至顶标高+6.0m.第三节钢围堰拼接.重复第二节钢围堰的拼接步骤,待第二,三节焊接整体化完成后,向仓内对称注水使其均匀下沉,采用吸泥助沉,浇筑剩余压仓砼,使围堰下沉至设计标高.7钢围堰下沉1)下沉准备:主墩钻孔平台拆除.拆除平台顶面钢板,纵横型钢分配梁,在钢管桩和钢护筒的相应位置焊接牛腿,以支撑作为搭设平台的临时承重梁.设置钢围堰悬吊下沉系统,并用14台5t卷扬机进行钢围堰提升和下沉.在14根基桩护筒上焊接两片吊装支架形成整体,每个吊装支架的设计承载力为30t.清换护筒内泥浆,清除钻渣等桩底残余物.设置导向架.设置第一节围堰拼装平台.除在顺桥向靠桥轴线一排护筒上设置2-32型钢牛腿外,其余均利用钢管桩和主护筒,并在其上设置牛腿,铺设承重梁和分配梁,从而形成第一节钢围堰拼装平台.2)钢围堰下沉.钢围堰采取不排水,边吸泥除土边下沉的施工方案.钢围堰下沉过程中,采用空压机吸泥助沉,一个钢围堰布置3根导管,2台空压机,由中间向刃脚处均匀对称吸泥除土.随时注意围堰偏位和垂直度情况,一般每下沉0.5m检查一次,并及时校正.为了防止超深,在下沉接近设计标高1.5m左右时,适当放慢下沉速度,控制围堰内除土量和位置,以便围堰平稳下沉,正确就位.8钢围堰小偏位纠正和抗洪,抗涌潮措施8.1小偏位纠正措施在每节钢围堰下沉过程中,跟踪监测桥轴线和墩轴线及围堰六个角点平面位置(允许偏位5cm),监测钢围堰的垂直度(一般不大于0.3).如平面偏位或倾斜度超出规定要求,及时采取不对称吸泥和调整压仓水等措施进行纠偏.8.2抗洪,抗涌潮措施1)从钢围堰结构设计上考虑,主要措施如下:双壁钢围堰井壁内设置竖向及水平向桁架体系,增加围堰的整体刚度和稳定性,抵抗洪水和潮水的作用.在围堰井壁内灌注砼,增加围堰井壁的重量及抗弯截面模量,提高围堰的抗洪,抗潮能力.2)从防冲刷考虑,主要措施是及时检查围堰外围河床标高,辅以抛石或抛砂袋围护.9结语杭州市江东大桥强涌潮河段自锚式悬索桥主墩钢围堰施工难度较大,采用双壁钢围堰进行施工,不仅施工速度快,缩短了工期,而且施工质量优,定位准确,封底砼表面平整,无渗漏现象.该桥双壁钢围堰设计与施工技术可供其他类似桥梁参考.参考文献:1JTJO412000,公路桥涵施工技术规范s-1.2钢结构设计手册编写组.钢结构设计手册(第三版)M.jE京:中国建筑工业出版社,2004.3JTGD602004,公路桥涵设计通用规范s-1.4-1李云飞.阿蓬江大桥深水基础双壁钢围堰施工技术研究fD.成都:西南交通大学,2006.5丁仕洪.钢围堰非线性有限元分析与Marc二次开发I-D-1.合肥:合肥工业大学,2007.收稿日期:2009052O