钢筋混凝土拱围堰在桥梁基础施工中的应用.pdf

第 3 2卷第 1期 2 0 1 6年 2月 公路交通技术 Te c h n o l o g y o f Hi g h wa y a n d Tr a n s p o r t V0 1 3 2 NO 1 Fe b 2 01 6 D O I ： 1 0 1 3 6 0 7 j c n k i g l j t 2 0 1 6 O 1 0 1 6 钢筋混凝土拱围堰在桥梁基础施工 中的应用 彭 撞 ， 许明君 ， 陈德华。 ( 1 重庆交通大学 土木建筑学院 ， 重庆4 0 0 0 7 4； 2 中国十九冶集 团有 限公 司， 成 都6 4 3 2 0 2 ) 摘要 ： 根据拱的 受力特点并考虑钢筋混凝土的材料 和力学性能 ， 将钢 筋混凝土拱用 于桥 梁基础 围堰设 计 中。结合 钢筋混凝土拱围堰的工程实例， 介绍拱围堰的受力特点、 施工方法、 验算理论和实用性。 关键词 ： 钢 筋混凝 土； 拱 围堰 ； 桥 梁基础 文章编号 ： 1 0 0 9 6 4 7 7 ( 2 0 1 6 ) o l 一 0 0 7 0 0 4 中图分类号 ： U 4 4 3 1 6 + 2 文献标识码 ： B Ap p l ic a t io n o f Re i n f o r c e d Co n c r e t e Ar c h Co f f e r d a m i n Co n s t r u c t i o n o f Br i d g e F o u n d a t i o n P E N G Z h u a n g ， X U M i n g j u n ，C H E N D e h u a Abs t r a c t ：Re i n f o r c e d c o n c r e t e a r c h i s us e d i n d e s i g n o f b r i d g e f o u n da t i o n c o f f e r d a m i n a c c o r d a n c e wi t h l o a d i n g f e a t u r e s o f a r c h a nd i n c o n s i d e r a t i o n o f ma t e ria l a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e I n c o m b i n a t i o n w i t h p r o j e c t e x a m p l e s o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e a r c h c o f f e r d a m， t h i s p a p e r i n t r o d u c e s l o a d i n g f e a t u r e s ，c o n s t r uc t i o n me t h o d s ，c h e c k i n g c a l c u l a t i o n t h e o r y a n d p r a c t i c a l i t y o f a r c h c o f f e r d a m Ke y wo r ds：r e i nf o r c e d c o n c r e t e；a r c h c o f f e r d a m ；b rid g e f o u n d a t i o n 围堰作为水工建筑 中临时性 围护结构 ， 其主要 作用是承受水平方向水压力和土压力 ， 为桥梁下部 结构的基础施工提供 足够作业空 间。围堰种类很 多 ， 根据材料类型， 一般可将 围堰分为土石围堰 、 草 土围堰 、 木质围堰 、 钢板桩围堰 、 锁 口管柱围堰 、 钢筋 混凝土围堰以及钢 一混凝土组合围堰等。桥梁基础 施工中， 围堰形式的选择受到施工技术条件和工程 地质条件的双重限制。混凝土围堰 因其抗 冲防渗性 能好 ， 对施工技术要求不高 ， 对工程地质条件适应性 强等特点 ， 目前仍被较多地用于工程施工 中。 本文以混凝土围堰为对象 ， 基于拱 受力特性和 钢筋混凝土的材料特点 ， 研究将钢筋混凝土拱 和围 堰相组合并用于实际工程施工 中。通过工程实例 ， 介绍钢筋混凝土拱围堰的施工方法 、 受力特点 、 验算 理论和适用范围。 1 钢筋混凝土拱围堰 1 1 拱的受力特点 拱在竖向荷载作用下 ， 其拱脚不仅会产生竖 向 反力， 而且还会产生水平推力。由于水平推力的存 在， 拱承受的弯矩相比梁结构要小很多 ， 从 而使整个 收稿 日期 ： 2 0 1 50 9一O 7 作者简 介： 彭撞 ( 1 9 9 0一) ， 男 ， 重庆市人 ， 硕士研究生。 拱 主要承受压力。拱设计 时， 可 以参考合理拱轴线 对拱的受力进行优化 ， 以减小拱圈截面受到的弯矩。 在理想状态下 ， 甚至能够使拱圈截 面只受到轴力而 无弯矩的作用。围堰承受水平方 向水压力和土压力 与拱 的受力形式很相似 ， 从而为将拱 圈运用于围堰 提供 了理论基础。 1 2 混凝土材料特性 混凝土作为一种人造石料 ， 其具有很强抗压能 力 ， 但其抗拉能力却很弱。以 C 2 0混凝土为例 ， 其 轴心抗压强度标准值能够达到 1 3 4 MP a ， 但其轴心 抗拉强度标准值仅为 1 5 4 M P a 。在复合应力状态 下 ， 混凝土强度还会发生明显变化。当双向受压时 ， 1 个方向的混凝土抗压强度随另 1个方向压应力 的 增加而增加 ， 其强度 比单 向受压 时的抗压强度约增 加 1 6 2 5 ； 当 3向受压时 ， 混凝土 的轴心抗压 强度随另外 2个方向压力的增加而增加 ， 增加值 可 按公式求得 。所 以， 采用混凝土来修建 围堰能够很 好地利用其抗压性能 。 1 3 钢筋混凝土拱围堰特点 钢筋混凝土拱围堰将钢筋混凝土的材料性能和 拱的受力特点相结合 ， 不仅在结构上列 围堰进行了 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 2 公路交通技术 第3 2卷 2 3施工步骤 1 )在靠航道侧 围堰筑 岛边缘 1 m处插打钢板 桩 ， 形成有效 的止水帷幕 ， 防止沱江水渗入。 2 )边坡采取挖机开挖 ， 初始开挖 3 m采用放坡 开挖 ， 不采用拱圈支护 ， 开挖过程中注意观测边坡土 体 ， 发现有裂缝 、 变形时应停止开挖 ， 经处理后再继 续开挖。开挖放坡为 1 ： 1 5 。 3 )基岩采用凿岩机破除后挖除， 已经挖好的坡 面需喷施水泥砂浆进行护坡 ， 防止雨水冲刷导致边 坡滑坡。开挖过程中不得超挖 ， 挖 1 层支护 1 层 ， 并 注意观测基坑壁土体 ， 若发现变形 滑坡则必须进行 加固措施后再开挖。 4 )拱圈施工 由上而下进行 ， 由 t- N内， 按测量 放线的位置进行开挖 。挖出拱圈施工位置后须立即 进行钢筋绑扎及模板安装 ， 并尽快浇筑混凝土以形 成拱圈结构 ， 有效支护基坑壁。拱 圈拱脚设置在上 下游侧原有地貌的基岩岩层上 ， 在基岩上植筋并将 其与拱圈钢筋相连， 使其与拱圈钢筋相连形成整体， 同时拱脚与基岩结合处须保证对拱圈施工外的基岩 不会产生扰动 、 破坏。在拱圈底板预埋接茬钢筋 ， 采 用将钢筋直接打人地面的方式进行。待下层拱圈施 工时挖除土方后 ， 露出钢筋 即可与下层拱圈钢筋相 连接。 5 )拱圈浇筑混凝土拆模 ， 混凝土强度超过 5 0 后 ， 即进行下 1层拱圈的施工 ， 方法与第 4 ) 条相 同。 上下层拱圈之间在 宽度方 向咬合 3 0 e m， 高度方 向 咬合 1 0 e m， 上下层拱圈之问形成有效止水带 。 2 4 拱圈结构验算 对于钢筋混凝土结构 ， 通 常需进行 承载能力极 限状态验算和正常使用极限状态验算。承载能力极 限状态验算是指对结构抗拉、 抗压 、 抗扭 以及疲劳等 验算 ， 正常使用极 限状态验算是指对结构抗裂 、 裂缝 和挠度等验算。本文的钢筋混凝土拱围堰作为桥梁 基础施工 中的临时性结构 ， 只对它进行承载能力极 限状态验算 ， 即承载能力验算。 2 4 1 基本假设 验算时作如下假设。 1 )因土处于饱和水状态 ， 故为简化计算且偏安 全考虑 ， 不考虑土 的粘聚力( 即 C=0 ) ， 同时土压力 计算采用不考虑水渗流效应的水土分算法。 2 )每层拱圈沿高度方 向实际受 到逐渐增大 的 均布压力。分析时 ， 假设沿每层拱 圈高度方向土压 力和水压力按最大均匀分布 。此假设是为了便于分 析 ， 但却忽略了偏心荷载对拱圈 的影响。这是 因为 考虑到混凝土拱 圈 自重大 ， 故偏心压力对它的影响 可以忽略 。 3 )每层拱圈之间 ， 由于下层拱 圈受到的土压力 和水压力比上层拱圈的要大 ， 故假设上下层拱圈之 间的咬合不影响相互之间的受力 ， 仅起止水作用 ， 这 种假设也与实际情况更加符合 。 2 4 2地质参数 根据地质勘察报告 ， 列 出 2 墩土层参数及桥墩 处风化页岩土夹粘 土层主动土和被动土压力 系数 ， 分别见表 1 、 表 2 。 表 1 2 墩土层参数 表 2 2 墩风化 页岩 土夹粘土主 、 被动土压力系数 注： 为主动土压力系数； 为被动土压力系数。 2 4 3 验算结果 根据施工顺序 ， 对每个工况进行分析， 然后选择 最不利工况对拱 圈最不利位置承载能力进行验算。 当每 1 层拱圈施工完成并稳定以后， 拱圈受到水平方 向土压力和水压力以及等效车荷载产生的水平压力 ， 其中车荷载为围堰顶面放置的搅拌车等设备 的总重 量。根据搅拌车尺寸将搅拌车等设备换算成地面超 载 ， 即等效车荷载 ， 并根据计算结果选出最不利工况。 根据计算， 发现最不利工况为最下面 1 层拱圈的受 力 ， 计算得到最不利工况下拱圈受到的总水平压力为： 4 01+3 7 8 5 +3 0 6 =7 2 46 k Nm 通过拱圈受到的外力即总水平压力选择有限元 软件迈达斯建立拱圈模 型来计算拱 圈的受力情 况。 由于拱圈成型之后其 自重 由土体 承担 ， 故建模分析 时可以把每个拱圈独立出来并分别进行受力分析。 计算模型及结果如图 3 、 图4所示 。 根据计算结果得 出拱圈拱顶截 面的受力情 况 ， 见表 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 彭 撞 ， 等 ： 钢筋混凝土拱 围堰在桥 梁基础施工中的应用 7 3 图 3 最下面 1 层拱 圈模型 单位：k N m 图 4 拱 图受均 布荷载 表 3 拱圈拱顶截面 受力 1 )应力强度验算 。 根据混凝土结构特性 和拱 圈受力特点 ， 选择 以 下公式对拱圈进行应力验算。 o Js R Td R= y 式 中： 。 为结 构重要 性系数 ， 对应 于安 全级别 I、 、 级 的建筑物 ， 分别取 1 1 、 1 0 、 0 9 ； 为设计 状况系数 ， 对应于持久状况、 短暂状况 、 偶然状况 ， 分 别取 1 0 0 、 0 9 5 、 0 8 5； S为作用效应 函数 ， 为由弹性 有 限元法计算出的主应力 ； R为结构抗力函数 ； 为 混凝土强度 ； 为材料性能的分项系数 ， 取 2 0 ； 为结构系数 ， 查表知 ， 按有 限元法受力状况抗压的结 构系数取 1 6 。 由有 限元软件计算得 出拱 圈受 到的主应力最大 为 S=1 4 MP a ， 在应力强 度计算公式 中， 取 = 1 0、 =0 9 5 、 =2 0、 y d=1 6 ， 可得 ： 0q , s = 1 0 0 9 5 1 4 = 1 3 3 R d = 7 8 5 2 1 6 = 2 45 满足 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 混凝 土结构设计规范 中规定的结构强度要求。 2 )偏心距验算 。 由于圆弧形拱圈在受均布荷载作用下产生的弯 矩很小且主要是 承受轴力 ， 致使拱圈受 到的弯矩与 轴力的比值很小， 完全能够满足偏心距限值的要求， 所以此处不考虑偏心距的影响。 2 5 研 究结 论 从拱 围堰 的设计过程看 ， 拱 围堰对工程地质条 件要求不高 ， 适用 于复杂工程地质 情况 ， 适应 范 围 广 。拱 围堰 自身结构形式简单 ， 受力状况明确 ， 便于 结构验算。从拱 围堰施工看 ， 采用分层施工 的方法 对土体扰动小且可充分保证施工安全。由于其施工 方法简单 ， 无需用到复杂的设备 ， 施工成本较低 ， 施 工可行性高， 所 以该施工工艺具有一定的先进性 ， 对 同类工程施工具有一定的参考价值。从施工效果 看 ， 该形式 的围堰为基础施工提供 了足够 的安全保 障 ， 具有很好的实用性。 总之， 本文对沱江三桥 2 墩围堰工程从设计、 验算 和施工进行 了分析， 结果表明， 在施工条件有限、 地质 状况较为特殊的情况下， 采用钢筋混凝土拱 围堰具有 构造简单、 施工方便、 受力明确等优点， 值得推广。 3结束语 围堰是桥梁基础施工中重要的结构物 。实际工 程中， 围堰形式的选择需根据具体地质条件 、 施工技 术以及工期等各种因素综合考虑 。钢筋混凝土拱 围 堰 由于其构造简单 、 施工方便 、 工作可靠 、 承载能力 强 、 安全度高等优点 ， 在较多工程 中得到运用。实际 工程中， 还可根据具体情况将拱 围堰和钢板桩等结 构结合起来使用 ， 以达到优势互补的效果 。 1 2 3 参 考 文 献 张伟 三峡三期碾压混凝土拱围堰方案研究 D 南 宁： 广西大学， 2 0 0 3 白丽锋 ， 曹向东 ， 李鹏， 等 青岛海湾大桥非通航孔 桥承台围堰形式的比较与实施 J 桥梁建设， 2 0 0 9 ( 增 1 ) ： 5 0 5 4 文 良东 ， 王北辰 ， 李 小刚 钢板 桩与混凝 土组 合 围堰 在 透水性卵石河床深埋承台施工中的应用 J 公路交 通科技 ， 2 0 1 3 ( 1 0 ) ： 1 1 81 2 0 钟振 云 深水基 础 围堰施 工方案 比选 J 铁 道 建筑 ， 2 0 0 9 ( 2 ) ： 68 胡 贺 钢筋混凝土围堰在桥梁承台施工中的应用 J 山西建筑 ， 2 0 0 7， 3 3 ( 1 3 ) ： 3 2 2 3 2 3 水利部长江水利 委员会长江勘测设计研究 院 s L 3 1 9 -2 0 0 5 混凝土重力坝设计规范 S 北京： 水利 水 电出版社 ， 2 0 0 5 国家发 展和 改革委 员会D L T 5 3 4 6 -2 0 0 6 混凝 土 拱坝设计规范 S 北京 ： 中国电力出版社， 2 0 0 6 周水兴 桥梁工程 M 重庆： 重庆大学出版社， 2 0 1 1 1 J 1 J 4 5 6 7 8 rL rL rL rl rL 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m