國道主幹線哈爾濱繞城公路東北段
(秦家至東風)松花江大橋
雙壁鋼圍堰施工方案
中鐵十三局集團第四工程****
松花江大橋專案部
二零零四年十二月十日
松花江大橋35號、36號墩雙圓形
雙壁鋼圍堰施工方案
1.雙圓形雙壁鋼圍堰設計
圍堰的設計本著受力條件好、穩定性強、方便施工、節約材料和可**的原則進行設計，松花江大橋35號及36號墩承臺為條形29.5m×13.9m×3m，頂面水深14m。
根據結構尺寸設計成內徑20公尺、外徑22.4公尺的雙圓形結構（如圖），即充分發揮了圓形結構受力條件好的特點，又最大限度的節省了材料。圍堰利用自身浮力進行**。
1.1 因素的確定
1.1.1根據承臺形狀和結構受力分析,將圍堰平面布置成雙圓組合形(如圖1)。
1.1.2根據面板的區域性和自重確定面板厚度為5mm。
1.1.3依據確定為薄殼筒狀無蓋無底結構。
1.1.4 殼體滿足以下三方面條件,適用無矩理論。
(1) 幾何方面沿殼中面光滑連續無斜率和曲率的突變,殼體的厚度也無突變。
(2) 載荷方面沿殼面連續分布而無突變。
(3) 邊界條件撓度與轉角不受約束。
1.2 設計採用的理論
1.2.1 以薄殼筒狀體線性理論設計結構。
1.2.2 以軸心受壓穩定設計加強圈、支撐桁架。
1.3 荷載
1.3.1 以承臺底標高為最大壓力計算位。
1.3.2 最大水深為16.5m,其中土深為3.5m。
1.3.3 因有較密定位樁及防衝樁，不考慮水流和浪擊等橫向不均勻載荷。
1.3.4 因有施工平台，圍堰軸向荷載不計。
1.3.5 因為採用浮沉工藝，堰底與地面不均勻接觸、構件吊裝等受力狀態，不予計算。
1.3.6 在最大抽水深度下，考慮了壁間有水9公尺深，以減少壁板區域性計算荷載。
1.4 規範有關採用 《gb 50017-2003》
1.4.1 強度設計 (q235鋼)
1.4.2 穩定
（1） 軸心受壓
（2） 軸心受壓構件腹板參與受力的寬度h0 的確定。
（3） 格構式雙肢組合構件綴件為綴條時，換算長細比按計算。 分肢長細比時，不必驗算分支穩定。
（4） 綴條計算剪力確定。
（5） 最大長細比
2.圓形雙壁鋼圍堰受力計算
2.1結構設計
雙圓形雙壁鋼圍堰結構設計如圖，共分為4個部分，即刃腳段、雙壁加強段、單壁段、內部橫向支撐梁。刃腳部分面板採用8mm鋼板，角度為30度；雙壁加強段內外面板及隔板均採用5mm鋼板，內部為空間桁架結構，水平主桁加強圈採用100×100×10或75×75×8角鋼，綴條用63×63×5角鋼，豎向間距按不同的高度荷載計算求得；豎向加勁肋採用50×50×5或63×63×5角鋼，周向間距按不同的高度荷載計算求得；圍堰中支撐桁架用100×100×10或75×75×8角鋼相扣成方管，空間用75×75×6做綴條組成桁架，豎向間距與加強圈相同。
2.2計算簡化
為簡化圓形鋼圍堰的受力計算，採用如下方法：（1）對環板和水平斜撐計算時考慮壁板40倍板厚的寬度參與受力；（2）豎向加勁肋按多跨連續梁計算，同時考慮壁板40倍板厚的寬度參與受力；（3）壁板按支撐在豎向加勁肋上的多跨連續板計算。
2.3受力工況
澆築承台前鋼圍堰最大抽水狀態為最不利工況。鋼圍堰受力主要計算荷載有靜力壓力、土壓力、施工荷載以及壅水所產生的壓力等。澆築承臺時鋼圍堰外設計施工水位採用13m，土埋置深度3.
5m，壁倉內的水位9m ，計算水流流速1.5 m/s。根據以上簡化計算方法，壁板、豎肋按簡化公式進行區域性計算。
水平加強圈及水平斜撐可採用簡化公式計算。
3.雙圓形雙壁鋼圍堰空間分析計算
3.1結構分析模型
用空間模型進行分析計算，外壁板、內壁板、水平加強圈採用空間板殻單元，豎肋採用空間梁單元，水平斜撐採用空間桁架單元，即兩端與水平加強圈採用鉸接連線。
3.2計算分析
主要計算荷載：靜水壓力、土壓力、浪擊力與風荷載（處作用較小此處可忽略不計）、施工荷載。
3.3計算過程
3.3.1 加強圈設計計算
（1）壁板參與受力的寬度h0 的確定
採用q235鋼=40×5=200mm
（2）依據無矩理論，均勻外壓力作用下的筒壁內力只有周向力，無彎矩。周向力按公式n0=p0r0計算。
式中p0——外壓（n/mm2）
r0——外圓半徑 (mm)
（3）依據線性理論，周向力由雙壁板和加強圈共同承受，那麼壁筒任意高度上的乙個加強圈與壁板組合將成為雙肢格構軸心受壓結構（如圖示）。
（4）每個雙肢格構的承壓能力
式中f=215n/mm2(q235鋼)
——以換算長細比確定的折減係數。
a——加強圈與壁板組合後的總面積。
換算長細比的計算
加強圈採用100×100×10角鋼，a=6852 mm2; =85.5; 綴條用63×63×5角鋼=614.3×2=1228.6 mm2
查表（b類截面）=0.645
=215×0.645×6852=950201n
加強圈採用75×75×8角鋼，a=4606 mm2; =84.4; 綴條用63×63×5角鋼=614.3×2=1228.6 mm2
查表（b類截面）=0.655
=215×0.655×4606=648634n
（5）豎向間距確定
p0在圍堰上沿高度變化，最大為刃角頂面 0.186n/mm2
最小間距取450mm
（6） 綴條計算綴條用63×63×5角鋼 a1=614.3mm2 iy=12.5mm l0=1528mm α=450
查表=0.426
折減係數0.6+0.0015λ=0.6+0.0015×122=0.783
剪力確定
n1=vmax/2=17332/2=8666n
σ=n1/a1=8666/614.3=14.1
≤0.783·f=0.783×0.426×215=71.7
3.3.2 豎向加勁肋的計算
採用50×50×5或63×63×5角鋼,根據受力和加工條件將截面布置成如圖4所示
(1) 組合後截面資料 50×50×5角鋼a=1480mm2 y1=14.9mm y2=40.1mm iy=590000mm4 w1=39600mm3 w2=14700mm3
63×63×5角鋼a=1614mm2 y1=20.8mm y2=47.5mm iy=1125232mm4 w1=54098mm3 w2=23689mm3
(2)間距的確定
荷載圍堰外壓隨深度變化而變
化，為了增加圍堰在水中的穩定，同
時減少外壁的計算壓力，考慮內外壁
間水位9公尺高。
周界固定整個面板受均布荷載。
根據剛性薄平板的計算公式（h≤0.2b），
確定間距。
(負號表示上緣纖維受拉)
式中：σ――計算應力
c――由a/b值確定的係數，查表
取得(a/b≥1)
p0――外壓荷載，沿面板高度不同而度化。
b――加強圈淨間距 a――加勁肋間距 h――板厚
當b＞a時，已不符合周界固定條件，應按多跨連續板計算,確定間距。
以上方法應在每個加強圈間距中計算，因為他們的p0值是不同的。
（3）驗算加勁肋角鋼與面板共同抗彎強度，角鋼在加強圈位置斷開應按簡支梁計算
線荷載 **=a·p0
式中：wx――角鋼與面組合後的抗彎模量（取14700mm3）
當用50×50×5角鋼檢算通不過時，換用63×63×5角鋼，wx=23689 mm3檢算。
3.3.3支撐桁架計算
（1）受力分析
圍堰在中間支撐兩端設計加工不易保證其剛度，為簡化計算忽略圍堰的中間支撐兩端的剛性，根據無矩理論，引用加強圈壓力，中間支撐計算壓力（圖6）
n=2n1cosα
式中 α——雙圓圍堰在中
間支撐兩端切線與中間支撐軸
線的夾角
n=2×950201×cos47.3790=1286849n
（2）採用 100×100×10或75×75×8
角鋼相扣成方管，組成雙肢柱桁架，截面資料
100×100×10角鋼 a1=1926×2=3852mm2 ix1=6231667mm4 ix1=40mm ix=4705588200mm4 ix=782mm l0=14276mm =18.3
綴條用75×75×6角鋼 a1=879.7mm2 l0=1817mm iy0=14.9mm =122
查表=0.966
75×75×8角鋼，綴條用75×75×6角鋼，計算略。
（3）綴條計算
受力檢算與加強圈綴條檢算相同，計算略。
4.抗滑、抗傾覆、抗浮穩定性驗算
4.1抗滑穩定性驗算
在圍堰下水之前要在冰面上測放出圍堰的準確位置，並且在圍堰的內外打入鋼管樁同時起導向作用和約束鋼圍堰不發生滑移。圍堰內部的導向樁和施工平台連起來形成整體，增強穩定性和增大抗衝擊力。在圍堰的第一階段下沉時冰也對圍堰也起約束和導向作用。
在圍堰的內部上游打入4根鋼管樁,主要用來抵抗因水流的衝擊而產生向下游滑移的頃向，鋼管樁打入河床深度不小於5公尺,上部和施工平台相連線。計算簡化模型如圖8所示。
選用ф325壁厚為10mm的鋼管樁 wx=755.7cm3
流水壓力公式為
p=0.8arv2/(2g
式中：0.8為圓形阻水系數；a為圍堰的阻水面積；
r為水的容重； v為水流速
q=p/13=0.8×22.4×l×13×10×1.52/2×10×13
=20.2kn/m
mmax=9ql2/128=9×20.2kn/m×132/128=240knm
f=mmax/4wx=240knm/4×755.7cm3=79.4mpa＜
不發生滑移
4.2抗傾覆穩定性驗算
圍堰的長寬比較大為2.18，且質量均勻並有導向鋼管約束不會發生傾覆，所以不必進行抗傾覆驗算。
4.3抗浮穩定性驗算
在承臺澆築前最大的抽水狀態下，對鋼圍堰及封底混凝土的自重是否能克服浮力的作用考慮，進行鋼圍堰浮力穩定性檢算。由於受河床標高及圍堰入土深度的控制，封底混凝土採用c20水下混凝土，厚度為2公尺；封底混凝土底面的水壓力以18公尺計；僅靠鋼圍堰、封底混凝土、壁倉內注水等的重力不能克服服力作用。因此，必須考慮封底混凝土與基樁間的粘結力，在封底前由潛水員對封底混凝土範圍內的樁身表面進行清理並鑿毛，保證封底混凝土和樁身之能夠很好的粘接，計算中取封底混凝土與基樁間單位面積的粘結力為0.
5mpa。
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