特大橋水中基礎雙壁鋼圍堰施工技術研究

王振杰

(中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300000)

當前我國城市水上交通路線主要由立交橋、江河湖泊上的橋梁及跨海峽海灣的跨境大橋組成。隨著水上交通施工技術的發展，深水基礎上的圍堰施工技術也在不斷提高，而特大橋的水中基礎雙壁鋼圍堰施工一直是深水施工技術的重點研究項目[1]。在現有圍堰施工技術中，梁之海[2]采用雙壁鋼圍堰施工法并結合實例對不同水深的河床裸巖狀態進行了研究與分析，測試了特定條件下的懸空嵌巖狀態，并基于深水施工基礎優化了雙壁鋼圍堰施工技術，提出了防傾覆的施工技術重點。劉曉敏等[3]采用MIDAS 數值仿真軟件，以某特大橋為基礎研究對象，計算了單構件的仿真結構，并設計不同水位深度下的雙壁鋼吊箱圍堰施工重點，同時在鋼材結構施工基礎上設計了整套施工技術，極大提高了特大橋在不同水深環境下的穩定性，減少了變形撓度?？何牟╗4]將BIM 技術應用于大橋的雙壁鋼圍堰設計中，以衡陽東洲湘江大橋為例，在滿足深水施工的基礎上結合當地水文地質情況，分析了該圍堰結構的應力變化特點，并選擇了合適的封底厚度與施工工序，在受力分析的基礎上經過深化設計，模擬最優的經濟方案，縮短了工期，降低了施工成本。結合以上施工技術，以降低橋梁形變為基礎施工目的，設計本特大橋水中基礎雙壁鋼圍堰施工方案。

1 建立雙壁鋼圍堰力學模型

采用有限元分析軟件，分別以鋼材的材料特性、雙壁鋼圍堰荷載的靜力學特征為研究重點，建立雙壁鋼圍堰力學模型。

1.1 特大橋材料特性

特大橋的水中雙壁鋼圍堰主要分為內外壁板、水平環板、水平桁架、隔艙板、內支撐、封底六種實體單元。其中內外壁板的鋼材厚約5-6 mm，在建模過程中使用梁單元結構模擬豎肋薄板。水平環板與桁架的連接部位通常使用焊接方式，并在內外壁板間以縱向分布作為支撐體，其厚約8.5-9 mm。隔艙板的鋼材料厚約8-9 mm，使用板單元模擬作為建模方式。內支撐結構一般采用850×15 mm 的鋼管作為主材料，使用梁單元模擬方式建立力學模型。封底則主要使用混凝土作為填充材料，強度等級通常為C30，使用實體單元模擬方式建立力學模型。以上六種結構中，統一使用Q235B 鋼材，其容許應力的最小值1σ=175 MPa、最大值2σ=235 MPa，容許剪應力 3σ為120 MPa，鋼彈性模量mμ=2.35×105MPa。封底使用的混凝土容重為23.6 kN/m3。豎肋薄板可分為豎桿與橫桿兩種材料，其承載力見表1。由表可知，無論是橫桿還是豎桿的豎肋，其斷面模式均為I8，且其材料均為16 Mn。

表1 豎肋承載特性

1.2 計算雙壁鋼圍堰荷載應力

在計算雙壁鋼圍堰荷載壓力時需先計算其內外水位的靜水壓力。將內外水位控制在10 m 以下，則圍堰水頭的外部與艙內水頭計算公式分別為：

式中，yF表示混凝土在單一模板下的最大側壓力(MPa) ；ip表示混凝土的密度系數；t0表示澆筑混凝土速度（m3/h）；1β和2β分別表示兩種添加劑的外加系數；vw表示當前的水流速度（m3/s）。結合以上三種雙壁鋼圍堰應力計算公式，可得到該特大橋的力學模型。

2 特大橋水中基礎雙壁鋼圍堰施工技術設計

基于荷載應力以及材料特性設計特大橋在水中的基礎雙壁鋼圍堰施工技術，可得到雙壁鋼圍堰的拼接流程（見圖2）。

圖2 雙壁鋼圍堰拼接流程

拼裝時需保證雙壁鋼的拼接順序。首先拼裝1-2 層圍堰，然后拼裝3-4 層，最后拼裝5 層。通過豎向拼裝模式，將履帶吊在長邊的圍堰中，并接高不同的焊接點。支架需保證定位子碼的安裝支撐點，其導向裝置主要由對接鋼圍結構與垂直圍堰組成，使用履帶將加工完成的鋼材結構均運到構件的安裝位置后，就可直接接入下口焊接點，并相互連接壁板、底板以及木板（拼裝布置見圖3）。

圖3 拼裝布置示意

圖中所有的焊接支架與底板、木板、壁板之間均使用角鋼作為焊接的連接點。在圍堰內外壁上添加三角支撐平臺，并結合水平縫隙連接裝置，進行雙壁鋼的圍堰施工接縫工程。下方焊接支架時，需將支架作為護筒頂面的受力結構，將鋼板架作為護桶的頂面構型，以此完成特大橋水中基礎雙壁鋼圍堰施工。

3 工程實例

3.1 工程概況

本實驗為驗證上述特大橋水中基礎雙壁鋼圍堰施工方法的優越性，對不同水深的施工環境進行測試。選擇縣道九臺至大坡公路中的一部分作為本項目的核心區域，起點位于K66+392，終點位于K68+492，全長2 100 m。在其中建一特大橋，長度1 046 m，橋兩側引道長約1 054 m，平面交叉處為3，該橋即半拉山松花江大橋。大橋位于吉林省北部松花江中游，在榆樹市大坡鎮和德惠市朝陽鄉之間跨越第二松花江。該特大橋作為公路橋梁連接兩岸，是居民及車輛橫跨兩岸的唯一通路。在重新施工前該橋已為危橋，為保障居民生命安全已全面禁行，為解決河流兩岸居民的出行問題，將該橋拆除并重建。

3.2 實驗儀器及參數

采用弦式鋼板計為應力監測儀器（見圖4）。

圖4 弦式鋼板計示意及參數

將弦式鋼板計焊接在特大橋水中基礎雙壁鋼圍堰表面，當橋的鋼結構因外力作用發生形變時，弦式鋼板計也會發生相應形變，通過焊接部位的應變壓強，將弦式鋼板計內的振弦轉變為電信號，并直接轉變鋼板計內部的振動頻率，此時的振動頻率會直接通過數字呈現。由此可讀取橋體的應力變化值，但周邊環境溫度會導致應力變化值出現一定的誤差，因此需計算該溫度下的修正結果，并結合鋼材料的彈性變化參數，得到最終應力值[5]。采集數據時將智能讀數儀連接在鋼板計左側（見圖4），以讀取該位置的溫度與應變系數。

為降低溫度對應力值的影響，需進行溫度修正。將弦式鋼板計置于恒溫環境中，不斷調整溫度，并記錄不同溫度下應變值。重復上述內容，在一定的溫度范圍內可得到實測應變增量與溫度增量的線性關系，通過該線性關系可實現溫度修正。

3.3 應力測點布置

將弦式鋼板計焊接在橋梁之上，可以直接監測橋梁該節點的應變指數。在監測特大橋的施工技術時，可布置如圖5 所示的測點。

圖5 特大橋測點布置

可分別對橋的內外壁及豎肋應力及內支撐應力進行檢測。其中外壁板應力監測點為X-1、X-2、X-3、X-4，內壁板應力監測點為X-5、X-6、X-7、X-8，豎肋應力監測點為Y-1、Y-2、Y-3，內支撐應力監測點為Z-1、Z-2、Z-3、Z-4。內外壁板中X-1 與X-5 距橋梁最左側距離為17.25 m，內外壁板在左側橋梁兩個應力監測點的間距為15.37 m，X-2 與X-6 距橋梁中部的距離為18.35 m。豎肋應力的監測點分別位于三道豎直支撐體中點部位，而內支撐應力監測點則置于內支撐鋼板中部。

3.4 應力監測結果分析

3.4.1 外壁板應力監測

通過智能讀數儀得到四個外壁板應力與溫度，整理外壁板隨著內外水位差的變化情況，外壁板測點應力的變化值如圖6 所示。

圖6 外壁板測點應力變化值

當內外壁水位差在4-6 m 時，橋外壁板的應力處于最大值。在內外壁水位差為5 m 時，X-4 測點應力可達116.4 MPa，X-3 測點的應力為109.2 MPa，X-2 和X-1 測 點 應 力 分 別 為82.3 MPa 和70.6 MPa。從圖中曲線可知，橋梁兩側所承受的應力最大，其形變更嚴重，X-4 測點的應力變化值在不同的水位差下均為應力變化的最大值。

3.4.2 內壁板應力監測

在智能讀數儀中讀取X-5 至X-8 四個測點的應力值，結合不同的內外壁水位差，可得如圖7所示的監測結果。

圖7 內壁板測點應力變化值

由圖可知，隨著內外壁水位差的變化，四個測點的應力變化值差距較大，其中X-5 測點的應力從-51.3 MPa 變為52.3 MPa，X-6 測點從-65.25 MPa 變 為66.27 MPa，X-7 測 點 從-46.5 MPa 變為44.7 MPa，X-8 測 點 則 從-57.9 MPa 變 為58.7 MPa。通過以上數據可知，在內壁板的應力變化值中，X-6 測點承受的應力最大，形變最明顯；X-7測點承受的應力最小，形變量最小。

3.4.3 豎肋應力監測

豎肋的三個測點主要是對三條豎直支撐柱的應力監測，通過智能讀數儀的應力與溫度值可得如圖8 所示的變化量。

圖8 豎肋測點應力變化值

由圖可知，隨著內外壁水位差逐漸增大，三個豎肋測點的應力呈現明顯增加趨勢。其中Y-3測點所承受的應力明顯小于Y-1 和Y-2 測點，該測點在內外壁水位差為10 m 時應力值為90.8 MPa；Y-1 與Y-2 測點在內外壁水位差為10 m 時應力值分別為112.3 MPa 和128.7 MPa?？梢姌蛑兄沃惺艿膽γ黠@小于兩側支撐柱。

3.4.4 內支撐應力監測

在智能讀數儀中讀取Z-1 至Z-4 四個測點的應力值，結合不同的內外壁水位差，可得如圖9所示的監測結果。

圖9 內支撐測點應力變化值

圖中，隨著內外壁水位差的持續增加，應力變化值先急速增加，到水位差為7-m 時增速變緩，直至不再變化。Z-1 至Z-4 四個測點在水位差為10 m 時的應力變化值分別為88.6 MPa、117.4 MPa、129.8 MPa、138.6 MPa，其中位于下方的Z-3和Z-4 測點應力變化較大。

3.5 橋梁變形結果監測

在測量各測點應力變化的同時，還需通過光學儀器測量雙壁鋼圍堰的形變結果，通過X-1、X-2、X-3、X-4 四個測點上壁板的撓度，得到不同水位差下四個測點的形變值（見表2）。

由表2、圖10 可知，隨著水位差不斷增加，四個測點的形變撓度也在不斷增長，整體呈上升趨勢。其中在0-6 m 前增長速度較為平緩，在6-9 m 處增長迅速，并在9-10 m 時幾乎暫緩增長，在10 m 后即使內外壁水位差繼續增長，橋梁形變撓度也不會發生更大變化。在內外壁水位差為10 m時，橋梁的最大撓度為5.27 mm，滿足設計規范要求，由此可見本文設計的特大橋水中基礎雙壁鋼圍堰施工技術能夠應用于實際施工中。

圖1 雙壁鋼圍堰立面

圖10 橋梁形變趨勢擬合分析

表2 橋梁形變情況（mm）

4 結語

在特大橋水中基礎雙壁鋼圍堰施工中，為減小圍堰支護結構承載力及應力并保障橋梁安全，提出新的特大橋水中基礎雙壁鋼圍堰施工技術。其創新之處在于設計了雙壁鋼圍堰力學模型，計算了荷載應力，并在工程實例中得到驗證。針對應力監測，設計了內外壁應力、豎肋應力和內支撐應力等監測項目，結果顯示各位置應力變化值均在規范要求范圍內。針對結構形變量，對各位置撓度變化進行了監測，最大值為5.27 mm，滿足規范要求，設計結構總體安全可靠。實驗涉及各結構代表性位置應力和形變監測，但后續研究還需進一步優化該項技術。