顧建華
(廣東廣珠城際軌道交通有限責(zé)任公司,廣東 珠海 510335)
為了聯(lián)通不同城市,近年來公鐵兩用橋快速發(fā)展。公鐵兩用橋基礎(chǔ)距離近,進(jìn)行異形圍堰施工時(shí),常見的鋼板樁圍堰整體剛度小、抗動(dòng)水作用和抗沖刷能力差,難以達(dá)到水下基礎(chǔ)施工要求[1-2]。采用鋼管樁圍堰施工則會(huì)增加工程成本,連接處止水要求高,施工難度大[3]。吳玲正[4]采用帽型-H型組合鋼板樁圍堰對深中通道東泄洪區(qū)非通航孔橋的整幅式橋墩施工進(jìn)行優(yōu)化。黃厚卿等[5]在伶仃洋大橋東錨碇采用“鎖口鋼管樁+工字型板樁+平行鋼絲索”組合式筑島圍堰結(jié)構(gòu),提高了施工效率。蔣海濤[6]對深水淺覆蓋層河床條件橋梁圍堰進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)了新型鎖扣鋼管樁內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)形式。劉勇等[7]采用“混凝土咬合樁+雙壁鋼圍堰”混合結(jié)構(gòu)圍堰施工方案,保證了深水急流條件下的圍堰穩(wěn)定。文章以金海特大橋主墩為研究對象,采用Midas GTS軟件在不同工況下對鋼管樁+鋼板樁圍堰施工工程中的彎矩、位移、軸力以及剪力等進(jìn)行分析。結(jié)果表明,鋼管樁+鋼板樁圍堰方案可以提高整體結(jié)構(gòu)剛度,減少施工期間彎矩以及水平位移,有效控制水下土壓力和動(dòng)靜水作用的綜合影響,提高構(gòu)件重復(fù)利用率,降低施工要求和成本。
金海公路大橋是珠海市道路網(wǎng)、“五縱四橫高速公路”中的重要組成部分。金海特大橋?yàn)殡p向六車道的一級高速公路,設(shè)計(jì)速度為100 km/h,是我國最長的水上公鐵兩用橋,全長為11.2 km。主橋?yàn)檫B續(xù)梁拱結(jié)構(gòu)[9],其橋跨布置為(90+180+90)m,上部采用分離式單幅橋,其橋面寬度為16.25 m[8]。
珠海市位于北回歸線以南,地處南海之濱,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,海洋對本地氣候的調(diào)節(jié)作用明顯,常受臺(tái)風(fēng)影響。臺(tái)風(fēng)在每年7—9月登陸最多,而由臺(tái)風(fēng)引起的增水,在最大風(fēng)速下可達(dá)約2.0 m。
金海公路大橋所處場區(qū)為海積地貌。從上到下土層依次為淤泥質(zhì)黏土、黏土夾砂、二長花崗巖、云母花崗巖。海陸相沉積的淤泥質(zhì)黏土、黏土夾砂等δ0為40~200 kPa;花崗巖全風(fēng)化層巖土δ0為200~250 kPa;強(qiáng)至弱風(fēng)化巖體巖土δ0為500~1 000 kPa。
金海大橋主墩基礎(chǔ)采用“先平臺(tái)后圍堰”的施工方法。主橋下鐵路墩和公路墩采用鎖口鋼管樁+鋼板樁圍堰施工,鋼管樁規(guī)格為Ф720 mm×10 mm,鋼板樁規(guī)格為拉森Ⅳ型鋼板樁。鐵路墩設(shè)四層圈梁及內(nèi)支撐,公路墩設(shè)三層圈梁及內(nèi)支撐,前三層圈梁及內(nèi)支撐標(biāo)高相同。在考慮實(shí)際地質(zhì)情況下,鋼板樁以及鋼管樁長度為36 m。
鋼板樁以及鋼管樁截面尺寸及單根材截面特性如表1所示。
表1 鋼板樁以及鋼管樁截面尺寸及單根材截面特性
組合樁(鋼板樁+鋼管樁)截面參數(shù)如圖1所示。
圖1 組合樁(鋼板樁+鋼管樁)截面參數(shù)(單位:mm)
圍堰驗(yàn)算主要考慮靜水壓力、土壓力以及地震作用的影響。淤泥土層容重為17 kN/m3,內(nèi)摩擦角為4°,黏聚力為5 kPa;碎石土層容重為20 kN/m3,內(nèi)摩擦角為36°,無黏聚力。根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)確定地震動(dòng)參數(shù)。地震動(dòng)峰值加速度取0.1g,地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s,基本烈度選?、黾墶Mㄟ^提高水位增加靜水壓力顯示臺(tái)風(fēng)對圍堰的影響程度。
工況1:利用吊掛系統(tǒng)安裝第一層圈梁及內(nèi)支撐后,圍堰內(nèi)水下清淤至-7.0 m,準(zhǔn)備安裝第二層圈梁及內(nèi)支撐(保持內(nèi)外水頭平衡)。
工況2:圍堰內(nèi)繼續(xù)水下清淤至-9.0 m,準(zhǔn)備安裝第三層圈梁及內(nèi)支撐(保持內(nèi)外水頭平衡)。
工況3:公路左右浮墩水下清淤至墊層底,準(zhǔn)備澆筑墊層(保持內(nèi)外水頭平衡)。
工況4:鐵路墩圍堰繼續(xù)水下清淤至-12.0 m,準(zhǔn)備安裝第四層圈梁及內(nèi)支撐(保持內(nèi)外水頭平衡)。
工況5:鐵路墩水下清淤至墊層底,準(zhǔn)備澆筑墊層(保持內(nèi)外水頭平衡)。
工況6:公路墩墊層施工完成,達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后圍堰內(nèi)抽水,準(zhǔn)備澆筑第一層承臺(tái)。
工況7:鐵路墩墊層施工完成,達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后圍堰內(nèi)抽水,拆除第四層圈梁及支撐,準(zhǔn)備澆筑第一層承臺(tái)。
工況8:第一層承臺(tái)砼達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,在第一層承臺(tái)頂部澆筑0.3 m厚砼圈梁,拆除第三層圈梁及支撐,準(zhǔn)備澆筑第二層承臺(tái)。
工況9:第二層承臺(tái)砼達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,在第二層承臺(tái)頂部澆筑0.3 m厚砼圈梁,拆除第二層圈梁及支撐,準(zhǔn)備上部結(jié)構(gòu)施工。
對9種工況下組合樁圍堰的內(nèi)側(cè)土反力、最大水平位移、最大彎矩以及抗隆起系數(shù)驗(yàn)算分析。
不同工況下圍堰各項(xiàng)最大參數(shù)如表2所示。
表2 不同工況下圍堰各項(xiàng)最大參數(shù)
工況1~5為墊層施工前的工況,外部水壓力以及土壓力對圍堰影響較大,需要考慮內(nèi)側(cè)土反力以及抗隆起系數(shù)。其余4種工況下結(jié)構(gòu)內(nèi)部可以達(dá)到內(nèi)力自平衡,故外部水壓機(jī)土壓力不做考慮。與工況1相比,工況2~5的內(nèi)側(cè)土反力均呈下降趨勢,最大下降13.2%,均小于被動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值。抗隆起安全系數(shù)整體也呈下降趨勢,最大降幅為8.2%,安全系數(shù)均高于規(guī)范要求的1.2。最大水平位移呈現(xiàn)先增大后減小再增加的趨勢,最大位移出現(xiàn)在工況4,且均滿足最大水平位移規(guī)范要求的80 mm。最大彎矩在工況1~5與工況6~9均呈現(xiàn)先增后減的趨勢。最大值出現(xiàn)在工況4,因此工況4需要在施工現(xiàn)場重點(diǎn)監(jiān)控。
鋼板樁+鋼管樁組合圍堰內(nèi)部最多采用四層內(nèi)支撐,分別驗(yàn)算其軸力、彎矩、剪力以及變形。
第一層內(nèi)支撐最大應(yīng)力在工況9中,第二層內(nèi)支撐最大軸力在工況8中,第三層內(nèi)支撐最大軸力在工況7中,第四層內(nèi)支撐最大軸力在工況5中,且第三層內(nèi)支撐的最大軸力、最大彎矩、最大剪力以及最大變形量最大,但均滿足規(guī)范要求。最大位移出現(xiàn)在上部是由于內(nèi)支撐層數(shù)越大,距離下部土體越近,外圍土體和水的共同作用下彎矩、剪力和變形都會(huì)增大,從而導(dǎo)致位移最大。
不同層內(nèi)支撐所受各項(xiàng)最大參數(shù)如表3所示。
表3 不同層內(nèi)支撐所受各項(xiàng)最大參數(shù)
文章建立有限元模型模擬分析各工況下外部組合樁、圈梁和內(nèi)支撐的應(yīng)力以及水平位移。且三者的X向水平位移均較大于Y向,最大位移均在組合圍堰結(jié)構(gòu)X方向的兩端中間部位上側(cè),且最大位移數(shù)值為18.78 mm。
組合樁X向水平位移如圖2所示。
圖2 組合樁X向水平位移
組合樁應(yīng)力云圖如圖3所示。
圖3 組合樁應(yīng)力云圖
上下兩側(cè)的壓應(yīng)力較小,位于第二層內(nèi)支撐上部位置所受拉應(yīng)力最大,最大值為74.7 MPa。內(nèi)支撐所受應(yīng)力均超過圈梁所受應(yīng)力,最大值出現(xiàn)在工況6的第二道內(nèi)支撐的斜撐處,最大值為85.2 MPa。整個(gè)結(jié)構(gòu)組合圍堰結(jié)構(gòu)應(yīng)力均小于材料的容許應(yīng)力值,鋼板樁、鋼管樁組合圍堰的最大變形小于容許撓度值L/400,滿足規(guī)范要求。
針對近海公鐵兩用大橋基礎(chǔ)施工存在的受力情況復(fù)雜、施工難度大、工期較長等問題,提出鋼管樁+鋼板樁組合圍堰施工方案,采用Midas GTS軟件驗(yàn)算得到以下結(jié)論:鋼管樁+鋼板樁組合圍堰在整個(gè)施工過程中均滿足規(guī)范要求,具備較高的安全性;在安裝第一層圈梁及內(nèi)支撐后,重點(diǎn)監(jiān)測內(nèi)側(cè)土反力,在準(zhǔn)備安裝第四層圈梁及內(nèi)支撐之前,重點(diǎn)監(jiān)測水平位移以及圍堰產(chǎn)生的彎矩;圍堰內(nèi)部布置四層內(nèi)支撐及圈梁,圍堰長、短邊方向的最大變形均位于堰體中心;第二道圈梁及內(nèi)支撐的應(yīng)力大于第一道圈梁及內(nèi)支撐,最大應(yīng)力值出現(xiàn)在斜桿位置處;最大變形以及最大應(yīng)力處在施工中需要重點(diǎn)監(jiān)控,以確保施工質(zhì)量。