程　斌　林賢光

(1.武漢城市職業(yè)學(xué)院　湖北　武漢：430064；2.湖北省路橋集團(tuán)有限公司　湖北　武漢：430056)

雙壁鋼圍堰施工技術(shù)是橋梁深水施工中的一種新技術(shù)。它是一個帶有單斜面韌腳的圓形(矩形、圓端形或異形)雙壁全焊水密鋼結(jié)構(gòu)筒體，有自浮能力，筒體內(nèi)外壁由鋼板圍焊而成，筒體上下均不設(shè)蓋板或底板，下口以環(huán)形單斜面韌腳封閉，上口敞開，以方便施工時，往里灌注混凝土或注水。圍堰內(nèi)外壁之間以剛性支撐聯(lián)接，并設(shè)豎向隔艙板，把圍堰殼體分成若干個互不相通的隔艙，以保證鋼圍堰在水中懸浮階段于殼內(nèi)注水下沉?xí)r圍堰的穩(wěn)定及著床時能分艙注水或灌注混凝土，以適應(yīng)河床面的高差和調(diào)整圍堰的傾斜度。雙壁鋼圍堰韌腳根據(jù)墩位處巖層面傾斜情況，可做成高低韌腳形狀，使圍堰下沉到巖面時，與巖面吻合密貼[1]。雙壁鋼圍堰底節(jié)圍堰下水后,通過導(dǎo)向船四角的導(dǎo)向架和錨繩、拉纜共同作用，將圍堰浮運(yùn)至施工現(xiàn)場，在鋼圍堰浮運(yùn)定位過程中，必須對浮運(yùn)時的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。

1　工程概況

武穴長江大橋橋位北岸位于湖北武穴市余祥村上游，下距武穴市市區(qū)約4.5公里，主橋起點(diǎn)樁號為K159+344.891。主橋橋型方案為主跨808米雙塔斜拉橋，雙塔雙索面半漂浮體系，鉆石型索塔，空間扇形斜拉索。橋跨(主橋、灘橋)組合為：(56+100+56)m連續(xù)箱梁+(6×30)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁+(56+100+56)m連續(xù)箱梁+(80+290+808+75+75+75)mPK鋼箱混合梁斜拉橋+40m簡支組合梁，橋梁全長2051.5m，其中主橋斜拉橋長1403m(不含橋臺)，詳見圖1。

圖1　橋型布置圖

2　鋼圍堰設(shè)計(jì)參數(shù)

武穴長江大橋15#墩圍堰為啞鈴型雙壁鋼套箱結(jié)構(gòu)，平面尺寸為62.4m×32.4m，壁厚1.8m，圍堰頂高程為+22.15m，底高程為-12.0m，總高度34.15m，圍堰最大設(shè)防水位+17.0m。總排水量52000立方米，自重3200噸，圍堰自帶鉆孔平臺,詳見圖2 。

圖2　15#墩圍堰浮運(yùn)圖

圍堰結(jié)構(gòu)用鋼材質(zhì)主要為Q235B，圍堰加勁肋采用AH32(屈服強(qiáng)度≥315MPa)球扁鋼。材料技術(shù)條件符合《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》(GB714-2000)的要求。鋼材的屈服強(qiáng)度σs按照《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T 714-2000)采用。鋼材力學(xué)性能：允許抗拉、抗壓和抗彎應(yīng)力[σ]=170MPa；工廠貼角焊縫抗剪[τ]=100MPa；工地手工焊縫抗剪[τ]=80MPa。

2.1　圍堰組成

圍堰由雙壁側(cè)板、底隔艙、內(nèi)支撐等組成[2]。

2.2　圍堰側(cè)板結(jié)構(gòu)

圍堰側(cè)板壁板采用8mm、9mm、10mm厚三種鋼板，對應(yīng)的豎向加勁肋分別為160×8球扁鋼、160×9球扁鋼、160×11球扁鋼，角鋼布置最大間距為424mm。雙壁水平環(huán)內(nèi)斜撐為∠75×10角鋼，隔艙板及水平環(huán)板分別由16mm厚和12mm厚鋼板制造。水平環(huán)板有三種間距，分別為1800mm、1500mm、1300mm。

2.3　底隔艙結(jié)構(gòu)

底隔艙壁板采用8mm厚鋼板，160×8球扁鋼作加勁肋，球扁鋼布置間距為500mm。隔艙板及水平環(huán)板分別由16mm厚和12mm厚鋼板制造。

2.4　圍堰內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)

圍堰內(nèi)支撐分兩部分制造，中間在鉆孔平臺處斷開，第一層內(nèi)支撐高9.912m，內(nèi)支撐頂標(biāo)高為+22m，第二層內(nèi)支撐高6.756m，內(nèi)支撐頂標(biāo)高為+9.2m。

3　穩(wěn)定性計(jì)算

所謂穩(wěn)定性是指船舶在外力矩作用下偏離其初始平衡位置而傾斜,當(dāng)外力矩消失后能夠自行恢復(fù)到初始平衡狀態(tài)的能力[3]。圍堰體積龐大，自重大，浮運(yùn)時的穩(wěn)定性至關(guān)重要，滿足浮運(yùn)穩(wěn)定性的兩條要求：

(1)穩(wěn)心M高于重心G，詳見圖3。

(2)圍堰抗傾安全系數(shù)K取1.3以上。

圖3　浮體穩(wěn)心、重心、浮心關(guān)系圖

圖中B為浮心，G為重心，M為穩(wěn)心,ω為水的密度,△為船的排水量。MR(+)表示浮力和重力形成的力矩能夠保證浮體穩(wěn)定(穩(wěn)心M在重心G上面)；MR(-)表示浮力和重力形成的力矩加速浮體傾覆(穩(wěn)心M在重心G下面)。

安全系數(shù)MR(+)≥K×外荷載產(chǎn)生彎矩，K取1.3及以上[4]。

3.1　圍堰的重心計(jì)算

鋼圍堰的重心為所有材料對X、Y、Z軸的靜矩/自重，一般而言，圍堰為對稱結(jié)構(gòu)，重心在X和Y軸的交點(diǎn)上，Z軸則需計(jì)算后求得，或者采用CAD實(shí)體進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，詳見圖4 。

圖4　15#圍堰實(shí)體圖

圍堰上面無移動荷載，圍堰的重心位置不會發(fā)生變化，根據(jù)三維建模統(tǒng)計(jì)的圍堰重心見表1。

表1　15#墩雙壁鋼圍堰重心計(jì)算表(從圍堰底計(jì)算)

3.2　圍堰的浮心計(jì)算

浮體浮心的概念為浮體浸沒部分排水的型心,可以用CAD程序畫出實(shí)體來統(tǒng)計(jì), 根據(jù)圍堰的吃水深度和圍堰橫向及縱向尺寸，橫傾的最大角度不超過arctan(3.64/32.4)=6.4°，縱傾的最大角度不超過arctan(3.64/62.4)=3.3°，因此在浮運(yùn)過程中鋼圍堰的浮心分為以下五種情況來畫圖統(tǒng)計(jì)，其他情況用內(nèi)插法求解，詳見圖5 及表2。

(1) 水平狀態(tài)的浮心：

(2) 3°橫傾的浮心：

(3) 6°橫傾的浮心：

(4) 1.5°縱傾的浮心：

(5) 3°縱傾的浮心：

圖5　CAD實(shí)體圖計(jì)算15#圍堰浮心(24m高)

圍堰高度(m)狀態(tài)圍堰浮心X(m)圍堰浮心Y(m)圍堰浮心Z(m)24水平狀態(tài)00-1．1133243°橫傾0-1．4092-1．1474246°橫傾0-2．8010-1．2484241．5°縱傾-3．84670-1．1629243°縱傾-7．6850-1．3117

3.3　圍堰的穩(wěn)心計(jì)算

用CAD圖解法求出15#圍堰的穩(wěn)心，詳見圖6及表3。

表3　15#雙壁鋼圍堰穩(wěn)心計(jì)算(浮運(yùn)高度24m，從液面計(jì)算)

3.4　雙壁鋼圍堰恢復(fù)力矩MR計(jì)算

圍堰恢復(fù)力矩計(jì)算詳見表4。

3.5　浮運(yùn)過程圍堰的外力傾覆彎矩計(jì)算

圍堰浮運(yùn)過程可能受到的傾覆荷載有動水阻力荷載和風(fēng)荷載，按照最不利組合見表5及表6。15#圍堰下水的選擇時機(jī)為2017年1月，最低水位7.67m，最高水位15.6m，多年平均水位8.84～11.40m；按照歷時最低水位7.67m計(jì)算，委托九江航道部門測量的圍堰浮運(yùn)航跡線的河床深度最淺有6m，預(yù)備絞吸船作為航道清理設(shè)備，橋址區(qū)的范圍先用絞吸船清理整平河床，減少圍堰內(nèi)抽砂工作量?？赡艹霈F(xiàn)的最大流速為1m/s，圍堰走上水，按照6km/h折算流速，圍堰的動水設(shè)計(jì)流速為1+6000/3600≈2.7(m/s)。

表4　15#圍堰恢復(fù)力矩MR計(jì)算表(浮運(yùn)高度24m)

表5　15#圍堰浮運(yùn)流水阻力計(jì)算表

注：1.流水壓力合力的著力點(diǎn)，假定在設(shè)計(jì)水位線以下0.3倍水深處;2.參考規(guī)范：《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)，P32。

圖6　CAD圖解法求解15#圍堰穩(wěn)心

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值高度(m)24．00基本風(fēng)壓(kN/m2)0．30長度(m)62．40縱向風(fēng)荷載(kN/m2)381．14寬度(m)32．40橫向風(fēng)荷載(kN/m2)0．30吃水深度(m)3．64力臂(m)10．18橫向阻風(fēng)面積(m2)659．66基本風(fēng)壓(kN/m2)0．30縱向阻風(fēng)面積(m2)1270．46橫傾彎矩(kN·m)3880．00

風(fēng)荷載按照GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》里面的推薦基本風(fēng)壓計(jì)算，對應(yīng)的風(fēng)速為小于10m/s，故6級風(fēng)以下才能進(jìn)行圍堰浮運(yùn)。當(dāng)外力傾覆彎矩超過恢復(fù)力矩時，圍堰浮運(yùn)會出現(xiàn)側(cè)傾。可能出現(xiàn)的彎矩組合見表7。

表7　15#圍堰外力彎矩組合表

3.6　浮運(yùn)過程圍堰的穩(wěn)定性安全系數(shù)

根據(jù)上述的計(jì)算，15#圍堰浮運(yùn)的安全系數(shù)見表8。

表8　圍堰浮運(yùn)穩(wěn)定性評價表

綜上所述，15#雙壁鋼圍堰24m一次性下水的穩(wěn)定性安全系數(shù)K均大于1.3，滿足浮運(yùn)安全需要。

3.7　圍堰浮運(yùn)總馬力計(jì)算

雙壁鋼圍堰水上運(yùn)輸需要計(jì)算圍堰浮運(yùn)阻力，根據(jù)阻力計(jì)算結(jié)果配置浮運(yùn)總馬力，詳見表9。

表9　圍堰浮運(yùn)阻力統(tǒng)計(jì)表

3.8　圍堰浮運(yùn)編隊(duì)

設(shè)兩艘主拖輪，在圍堰正后部采取硬頂形式編隊(duì)，其船艏分別向左右各出操縱纜、連接纜、交叉纜[5-6]。

在圍堰右后舷和圍堰左后舷設(shè)旁拖船，采取旁拖形式編隊(duì)，各出拖纜、八字纜、尾纜。武穴105輪在圍堰右前帶首纜幫助用舵穩(wěn)船，編隊(duì)均用直徑28mm鋼纜，詳見圖7圍堰浮運(yùn)編隊(duì)圖。

圖7　圍堰浮運(yùn)編隊(duì)圖

4　結(jié)語

通過分析, 武穴長江大橋15#墩圍堰穩(wěn)定性滿足穩(wěn)定性要求，圍堰浮整個航程約5公里，圍堰船隊(duì)緩速頂推，頂推過程2個小時完成，整個浮運(yùn)作業(yè)約3小時完成(離碼頭和左舷拖輪編隊(duì)0.5小時，上行時間1小時，臨時靠泊0.5小時),于2017年2月28日成功浮運(yùn)。此分析為同類型鋼圍堰浮運(yùn)提供一種詳細(xì)的計(jì)算分析方法。

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