新型組合結(jié)構(gòu)圍堰鋼-混連接段關(guān)鍵技術(shù)

張凱 張程然， 張振 譚映梁

（1.四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司，成都 610015；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031）

在深水中建造大型水利或交通工程，基礎(chǔ)開(kāi)挖受水的制約而難度很大，必須修建一種臨時(shí)圍封并創(chuàng)造干作業(yè)空間的結(jié)構(gòu)——圍堰［1］。目前，橋梁基礎(chǔ)施工中圍堰類型主要包括：鋼板樁圍堰、鎖扣鋼管樁圍堰、鋼吊箱圍堰、鋼套箱圍堰、土石圍堰等［2-5］。近年來(lái)，從降低施工成本，優(yōu)化作業(yè)效率的角度出發(fā)，各種結(jié)構(gòu)形式的組合圍堰也不斷涌現(xiàn)出來(lái)。蒙西至華中鐵路洞庭湖特大橋［6］施工中，采用了下部鋼筋混凝土+上部鋼板樁圍堰。潮漳高速公路韓江特大橋2#主墩［7］施工中，采用混凝土墻及鋼板樁組合圍堰，取得了理想的經(jīng)濟(jì)以及施工成本控制效果。青島海灣大橋第五合同段［7］承臺(tái)施工采用了混凝土-鋼套箱組合圍堰完成了海上施工任務(wù)。甌江特大橋7 號(hào)主墩［8］利用鋼板樁+混凝土墻組合圍堰解決橋區(qū)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，施工難度大的問(wèn)題，取得了良好的止水效果，各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)均滿足要求。南京內(nèi)環(huán)繞城高速路［9］橋梁擴(kuò)建工程中，采用鋼-混組合雙壁鋼圍堰，克服了復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件，縮短了項(xiàng)目建設(shè)周期。組合圍堰施工中，其組合結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)造是決定圍堰施工質(zhì)量、防滲止水效果的重要控制點(diǎn)，其構(gòu)造設(shè)計(jì)的好壞往往決定橋梁基礎(chǔ)施工建設(shè)的成敗。

本文以建設(shè)中的宜賓臨港長(zhǎng)江公鐵兩用大橋（以下簡(jiǎn)稱臨港橋）3#主墩基礎(chǔ)施工為依托，對(duì)國(guó)內(nèi)首次采用的混凝土咬合樁+雙壁鋼圍堰進(jìn)行了介紹。針對(duì)組合結(jié)構(gòu)圍堰設(shè)計(jì)重點(diǎn)控制環(huán)節(jié)，采用ABAQUS 建立鋼-混連接段有限元元模型并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，驗(yàn)證結(jié)合段設(shè)計(jì)的合理性。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

建設(shè)項(xiàng)目位于四川省宜賓市內(nèi)，該橋?yàn)榇铣请H鐵路與蓉昆高鐵、渝昆高鐵，及連接宜賓北岸臨港區(qū)、南岸翠屏區(qū)市政交通的共同過(guò)江通道。臨港橋跨布置為9×40.7 m+（72.5+203+522+203+72.5）m 主 橋+7×40.7 m；橋梁全長(zhǎng)1 724.2 m，主橋長(zhǎng)1 073 m，主橋立面見(jiàn)圖1。

圖1 主橋立面（單位：cm）

1.2 組合圍堰設(shè)計(jì)概況

臨港橋3#主墩位于江心，采用矩形承臺(tái)設(shè)計(jì)，承臺(tái)頂面標(biāo)高253.3 m，尺寸為67.00 m×35.75 m×7.00 m。

由于橋梁所處區(qū)域水位變化劇烈，在實(shí)際施工中結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件，采用一種新型的鋼-混組合型圍堰設(shè)計(jì)。即在長(zhǎng)江水位枯水期，施工下部混凝土咬合樁作為組合圍堰結(jié)構(gòu)下部基礎(chǔ)。在長(zhǎng)江洪水期來(lái)臨前，接長(zhǎng)上部雙壁鋼圍堰，組合圍堰立面如圖2所示。

圖2 組合圍堰立面（單位：m）

為充分發(fā)揮混凝土材料的抗壓承載能力，臨港橋組合圍堰采用“雙拱形啞鈴”構(gòu)造［10］。組合圍堰沿環(huán)向共分為22 個(gè)塊段，在中部塊段之間設(shè)置3 層橫向鋼管支撐，組合圍堰整體平面尺寸84.5 m×50.0 m，如圖3所示。

圖3 組合圍堰平面布置（單位：cm）

1.3 組合圍堰鋼-混連接段設(shè)計(jì)構(gòu)造

組合圍堰鋼-混連接段為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制重點(diǎn)，是保證圍堰防滲止水效果、結(jié)構(gòu)安全的前提。最為常見(jiàn)的鋼-混連接段設(shè)計(jì)有內(nèi)槽鑲嵌、預(yù)埋螺栓連接等方式［11-12］，但上述連接方式施工工序較為繁瑣，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度難以保證，故在本項(xiàng)目中采用“預(yù)埋板+剪力筋”連接方式。即在組合圍堰冠梁施工期間，提前預(yù)埋中部定位剪力筋以及兩側(cè)預(yù)埋板連接件。當(dāng)組合結(jié)構(gòu)圍堰上部接長(zhǎng)通過(guò)咬合樁上部冠梁接長(zhǎng)時(shí)，將兩側(cè)預(yù)埋板與上部鋼圍堰底部進(jìn)行焊接連接，并澆筑C30 夾倉(cāng)混凝土提高連接段整體止水性以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。組合圍堰鋼-混連接段設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 組合圍堰鋼混連接段設(shè)計(jì)（單位：cm）

2 有限元模型分析

2.1 計(jì)算模型

組合圍堰鋼-混連接段結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制重點(diǎn)部位，為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，利用有限元軟件ABAQUS 建立了組合圍堰結(jié)構(gòu)3D 模型。采用4 節(jié)點(diǎn)線性實(shí)體單元（C3D4）模擬組合圍堰計(jì)算模型中咬合樁、冠梁及夾倉(cāng)混凝土。采用三維桁架單元T3D2 模擬圍堰內(nèi)部剪力筋；4 節(jié)點(diǎn)曲面薄殼模擬上部雙壁鋼圍堰部分。將雙壁鋼圍堰表面與夾倉(cāng)混凝土綁定，從而實(shí)現(xiàn)鋼和混凝土的共同作用。結(jié)構(gòu)總共劃分331 357個(gè)單元，98 884個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.2 材料參數(shù)

計(jì)算模型中混凝土采用Willam?Warnke 五參數(shù)破壞準(zhǔn)則進(jìn)行模擬，相應(yīng)參數(shù)取值可參見(jiàn)文獻(xiàn)［13］，具體表達(dá)式為

式中：y=σ∕fc，x=ε∕εc，fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度，fc= 0.4f7∕6cu；εc為混凝土受壓峰值應(yīng)變，εc= 383f7∕18cu×10-6；fcu為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度；A1為混凝土單軸受壓上升段參數(shù)，A1= 9.1f-4∕9cu；B1= 1.6(A1- 1)2；對(duì)于鋼筋混凝土α1= 2.5f3cu× 10-5。

鋼材本構(gòu)關(guān)系采用彈塑性模型，符合Von Mises屈服準(zhǔn)則和各向同性應(yīng)變硬化。對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如下：

式中：σi為鋼材等效應(yīng)力；fs為鋼材屈服強(qiáng)度；fu為鋼材極限強(qiáng)度，取1.5fs；Es為鋼材彈性模量，取2.06 ×105MPa；Est為硬化模量，取0.46%Es；εi，εy，εst與εu分別為鋼材的等效應(yīng)變、鋼材屈服應(yīng)變、鋼材強(qiáng)化時(shí)應(yīng)變與鋼材的極限應(yīng)變，εu=εst+ 0.5fs∕(0.46%Es)，其中εu= 120εy。

2.3 鋼材與混凝土粘結(jié)

由于夾倉(cāng)混凝土在組合圍堰鋼板中澆筑，圍堰鋼壁板與混凝土間發(fā)生相互滑移前，存在水泥凝膠體與壁板間接觸面的化學(xué)黏結(jié)力以及粗糙不平的鋼板表面和混凝土的機(jī)械咬合力，計(jì)算模型中通過(guò)定義基于面的黏結(jié)行為（Surface?based cohesive behavior）進(jìn)行模擬，其本構(gòu)模型方程如式（3）所示。

式中：τ為黏結(jié)應(yīng)力，MPa；s為滑移，mm；k1為線性段斜率，k1=τcr∕scr；k2為劈裂段斜率，k2=(lu-τcr)∕(su-scr)；k3為下降段斜率，k3=(τr-τu)∕(sr-su)。τan為卸載點(diǎn)的黏結(jié)應(yīng)力，MPa；sun為卸載點(diǎn)的相對(duì)滑移，mm；ft，r為鋼材的極限強(qiáng)度。

2.4 設(shè)計(jì)荷載

1）結(jié)構(gòu)自重

組合圍堰結(jié)構(gòu)自重系數(shù)取1.0。

2）樁身土壓力

樁身主動(dòng)土壓力為

式中：q為咬合樁每延米受到荷載，kN∕m；μ為主動(dòng)土壓力系數(shù)，取0.301 4；D為為咬合樁樁身直徑，取1.25 m；γ為土體重度，取9 kN∕m3（依據(jù)水土分算原則）；h為樁在土內(nèi)的深度。

3）靜水壓力

靜水壓按三角形分布，取橋區(qū)不同水深進(jìn)行計(jì)算，靜水壓最大計(jì)算深度19.2 m。

4）動(dòng)水壓力

組合圍堰結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了準(zhǔn)確獲得施工期間其受到的流水壓力，依據(jù)組合圍堰尺寸制作了1∶100 相似模型，并將其放置于試驗(yàn)水槽中，以測(cè)定組合圍堰結(jié)構(gòu)各塊段在不同流速以及不同水深作用下的動(dòng)水壓力，組合圍堰數(shù)值計(jì)算模型荷載如圖5所示。

圖5 計(jì)算模型荷載分布

2.5 計(jì)算結(jié)果

依據(jù)施工期間橋區(qū)可能出現(xiàn)的水位情況，建立ABAQUS 局部模型對(duì)組合圍堰鋼-混連接段受力狀況進(jìn)行了模擬，最高計(jì)算水位269.0 m，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6，構(gòu)件最大變形及應(yīng)力見(jiàn)表1。

圖6 ABAQUS數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果（單位：MPa）

表1 構(gòu)件最大變形及應(yīng)力

由表1 可知，在預(yù)期出現(xiàn)的最不利工況條件下，組合圍堰內(nèi)、外壁板最大等效應(yīng)力分別為83.4，78.2 MPa小于組合結(jié)構(gòu)圍堰材料Q345鋼材fsd=295 MPa。組合圍堰夾倉(cāng)混凝土的最大變形、最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力分別0.87 mm，0.87 MPa，5.33 MPa。除在部分節(jié)點(diǎn)，混凝土最大主拉應(yīng)力達(dá)到1.98 MPa 外，其余均小于C30 混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度f(wàn)sd= 1.41 MPa，部分最大主拉應(yīng)力最大值為1.18 MPa。組合結(jié)構(gòu)圍堰鋼-混連接段在預(yù)計(jì)最高施工水位269.0 m工況下，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿足需求，組合結(jié)構(gòu)圍堰鋼-混連接段設(shè)計(jì)合理。

3 組合圍堰現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

臨港橋基礎(chǔ)施工期間對(duì)組合結(jié)構(gòu)圍堰內(nèi)外壁板應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。組合圍堰施工期間，連接段部位主應(yīng)力方向未知，故壁板應(yīng)力測(cè)量采用45°應(yīng)變花進(jìn)行測(cè)量，即通過(guò)測(cè)量3組不同角度的應(yīng)力計(jì)讀數(shù)，計(jì)算待測(cè)部位主應(yīng)力，主應(yīng)力計(jì)算公式為

式中：σ為構(gòu)件主應(yīng)力，MPa；ε為對(duì)應(yīng)應(yīng)變計(jì)度數(shù)；μ為鋼材泊松比；E為彈性模量。

組合圍堰共設(shè)置壁板應(yīng)力測(cè)點(diǎn)3 處，分別位于圍堰結(jié)構(gòu)河岸側(cè)、河心側(cè)及迎水面處。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)采集

組合結(jié)構(gòu)圍堰內(nèi)外壁板應(yīng)力監(jiān)測(cè)采用智能表貼式應(yīng)變計(jì)測(cè)量，并通過(guò)擱置于橫撐處的數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行24 h不間斷采集，表貼式應(yīng)變計(jì)測(cè)量量程±1 500×10-6，有效測(cè)精度0.1% F.S。組合圍堰壁板應(yīng)力測(cè)量應(yīng)變計(jì)安裝、數(shù)據(jù)采集設(shè)備如圖7所示。

圖7 組合圍堰現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集

3.3 對(duì)比分析

組合結(jié)構(gòu)圍堰現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中橋區(qū)最高記錄施工水位267.3 m，小于預(yù)計(jì)最高施工水位269.0 m，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控期間在不同水位時(shí)內(nèi)外壁板應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)1，2的測(cè)量數(shù)據(jù)與鋼-混連接段數(shù)值模型模擬結(jié)果見(jiàn)8所示。

圖8 組合圍堰監(jiān)控應(yīng)力與模擬計(jì)算結(jié)果

由圖8 可知，組合圍堰施工期間壁板應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化均勻平穩(wěn)。在水位低于262.0 m 時(shí)，組合圍堰壁板應(yīng)力較小，伴隨洪期來(lái)臨，橋區(qū)水位逐步上升，組合圍堰壁板應(yīng)力逐漸增大，在施工267.0 m 時(shí)達(dá)到記錄最大值。

其中，組合圍堰河心、河岸內(nèi)壁板2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)力為105.2，97.4 MPa，相較于計(jì)算值92.1 MPa 誤差分別為14.22%，5.75%；外壁板2 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)力為100.7，94.6 MPa，相較于計(jì)算結(jié)果85.4 MPa，誤差分別為17.91%，10.78%。

4 結(jié)論

1）組合圍堰“鋼-混連接段”構(gòu)造合理，能保證橋梁基礎(chǔ)施工期間安全需求。

2）分析比較現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果與ABAQUS 數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，二者較為接近，誤差范圍介于5.75%～17.91%，有限元模型符合實(shí)際情況，具有代表性。

3）施工期間圍堰止水效果良好，鋼-混連接部位未出現(xiàn)明顯的滲、漏水情況，為臨港橋基礎(chǔ)施工創(chuàng)造了有利的環(huán)境條件，保證了橋梁基礎(chǔ)施工的順利進(jìn)行。