黄黄铁路巴河特大桥钢管桩围堰封底设计优化.pdf

第2 3卷 第1 3期2 0 2 3年 7月 科 技 和 产 业S c i e n c eT e c h n o l o g ya n dI n d u s t r y V o l.2 3,N o.1 3J u l.,2 0 2 3黄黄铁路巴河特大桥钢管桩围堰封底设计优化刘 奇1,雷胜友2,杨忠领3,周兴颖3(1.上海勘察设计研究院(集团)有限公司 青岛分公司,山东 青岛2 6 6 0 0 0;2.长安大学 公路学院,西安7 1 0 0 6 4;3.中铁十六局集团第五工程有限公司,河北 唐山0 6 4 0 0 0)摘要:依托黄黄铁路巴河特大桥2 3#墩锁扣钢管桩围堰,通过三维有限元数值计算表明,封底的应力和变形关于桩基中线对称分布,在桩基之间封底混凝土顶面顺桥向x为拉应力而y为压应力,横桥向x为压应力而y为拉应力,挠度在中心位置达到最大。优化强度计算公式,对比四边简支双向板法表明,在桩基约束作用下,相同等级的混凝土厚度可减小6 09 0mm,建议封底采用1m的C 3 0混凝土浇筑。关键词:钢管桩围堰;封底;数值分析;厚度;强度中图分类号:U 4 4 8.1 3;U 4 4 5.5 5 6 文献标志码:A 文章编号:1 6 7 1-1 8 0 7(2 0 2 3)1 3-0 2 4 5-0 5收稿日期:2 0 2 3-0 2-2 5基金项目:铁道部科技研究开发项目(2 0 1 0 G 0 0 3-F)。作者简介:刘奇(1 9 9 4),男,山西朔州人,上海勘察设计研究院(集团)有限公司青岛分公司,助理工程师,硕士,研究方向为地下空间开发与利用、钢围堰工程;通信作者雷胜友(1 9 6 5),男,陕西渭南人,长安大学公路学院,教授,博士,博士研究生导师,研究方向为土力学与岩石力学、高铁深水基础;杨忠领(1 9 6 5),男,河北新河人,中铁十六局集团第五工程有限公司,高级工程师,研究方向为桥梁工程;周兴颖(1 9 8 2),男,河北唐山人,中铁十六局集团第五工程有限公司,工程师,研究方向桥梁工程。随着桥梁工程快速发展,锁扣钢管桩围堰已成为深水基础施工的常用方式1-2,而围堰封底浇筑是保证桥梁下部结构顺利完成施工的关键工序之一。拉萨河特大桥围堰封底施工表明,提高桩周混凝土强度和增加封 底厚度可 以有效解 决 围 堰 渗 漏 问题3;吴亮秦等4通过AN S Y S建立三维有限元模型对锁扣钢管桩围堰的受力性能分析表明,封底混凝土厚度的增加可以有效控制开挖至设计高程后锁扣钢管桩的应力增大。由此可见,围堰封底施工采用合理的混凝土厚度和相应等级对保障围堰安全施工至关重要。工程实践中,为保证封底混凝土在最不利工况下不发生开裂、上浮和下沉,不同形式的钢围堰需要结合现场施工条件,按四边简支板法或有限元法进行计算。考虑到封底混凝土周边与钢围堰黏结,内部与桩基钢护筒黏结,围堰的形状和尺寸以及桩基布置对封底的受力与变形影响较大,有限元法逐渐推广开来。张静5考虑桩基与混凝土黏结作用,采用板单元对封底的最大拉应力进行数值计算;李胜臣和朱东生6研究了不同桩基数目和围堰尺寸下封底的应力变化规律;闫志刚7计算了封底与桩基和围堰黏结力,并用于抗沉验算。郭成刚8则将桩间封底混凝土简化为简支梁,用梁单元计算封底最大拉应力。本文通过A b a q u s软件建立巴河特大桥2 3#墩锁扣钢管桩围堰封底有限元模型,揭示封底混凝土的受力变形规律,进而优化设计公式,对封底混凝土厚度和相应等级进行计算。1 工程概况巴河特大桥是黄黄高速铁路全线的关键控制工程之一,位于湖北省黄冈市黄州区及浠水县境内。如图1所示,设计采用4 4.5+1 0 8+22 0 0+1 0 8+4 4.5m的预应力混凝土矮塔斜拉桥跨越巴河,2 1#2 3#墩位于深水环境中,采用锁扣钢管桩围堰进行施工。图1 黄黄铁路巴河特大桥542如图2所示,2 3#墩的承台平面尺寸为2 4m1 4m,基础采用1 5根直径为2.5m的钻孔灌注桩,中心 间 距 为lxly=5 m 5 m。围 堰 采 用8 2 0mm1 4mm钢管桩进行支护,C-I型锁扣,堰内平面尺寸为LxLy=2 7m1 7.3 7m。图2 2 3#墩围堰平面布置图2 封底受力变形规律2.1 有限元建模封底混凝土初始厚度h0=1m。根据施工材料用量和现场施工条件,承台一次性完成浇筑。结合锁扣钢管桩围堰构造,取混凝土重度c=2 4k N/m3,重力加速度g 1 0m/s2,封底混凝土计算所需荷载参数见表1(模型按均布荷载施加在相应作用范围上)。表1 封底计算荷载参数材料类型集中荷载/k N均布荷载/k P a封底混凝土Gc=97 2 0gc=2 4承台钢筋N1=18 4 0.6 0q1=5.0 2 9承台冷却管N2=4 4.4 0q2=0.1 2 1承台混凝土N3=4 31 5 2q3=1 2 8.4 3承台钢模板N4=1 5q4=5 8.9 0施工动荷载N5=4 5 0q5=0.0 4 1最大动水力Fw=21 4 6.5 0f=5.3 0 建模的几何、材料参数和边界条件见表2。封底混凝土与桩基均采用线弹性模型;桩基由C 3 5混凝土浇筑,弹性模量E1=3.1 51 07k P a;桩基外侧有钢护筒包裹,侧向变形受限,取泊松比1=0.0 1。封底 初 始 等 级 取 为C 2 5,弹 性 模 量E2=2.8 01 07k P a,泊松比2=0.2。封底混凝土浇筑后与周边锁扣钢管桩内侧黏结,封底板边竖向位移U3=0;桩基插入基岩,忽略封底范围内桩基的弹性压缩,桩底竖向位移U3=0。由于封底与桩基护筒充分黏结,接触面完全粗糙,按两者共节点处理。网格划分如图3所示,单元表2 模型参数有限元模型桩基封底混凝土几何尺寸桩径d=2.5m;桩距为lxly整体尺寸为LxLyh0材料模型线弹性模型线弹性模型材料参数E1=3.1 51 07k P a,1=0.0 1E2=2.8 01 07k P a,2=0.2边界条件桩底竖向位移U3=0板边竖向位移U3=0图3 网格划分类型采用C 3 D 8(三维8节点六面体单元),封底混凝土划分为2 57 7 6个计算单元,桩基66 6 4个。2.2 封底混凝土受力变形如图4所示,封底混凝土拉、压应力分布形态在整体上关于桩基中线对称分布,且拉应力分布呈双曲线状,压应力分布呈椭圆状。受桩基影响,封底混凝土在空间上是不连续的,x应力在桩间混凝土顺桥向(y方向)受拉、横桥向(x方向)受压,而y应力在顺桥向受压、横桥向受拉。在承台重力的作用范围内,分别按顺桥向和横桥向提取桩基间封底混凝土中间位置的应力值,绘制的应力曲线如图5所示。可以看到,x和y压应力图4 封底混凝土应力分布云图642 科技和产业 第2 3卷 第1 3期 图5 封底混凝土应力分布曲线均呈山峰状起伏,峰值点分别出现在横桥向和纵桥向的桩基中线上;拉应力受应力集中影响,在桩基界面附近较大,随着与桩基距离的增大而呈抛物线减小,在相邻两根桩基中间达到最小值0.3 8M P a。M i s e s应力分布如图6所示,不同桩基之间封底的应力分布规律基本一致,桩孔附近应力集中明显。封底主要受横向荷载作用,以中面的竖向位移刻画其挠度9。如图7所示,承台下方桩基间的封底混凝土挠度分布也基本一致,自上而下呈锅底状,在各自的中心位置达到最大值w1=1.1 5 9 1 0-4m。图6 封底混凝土M i s e s应力图7 封底混凝土挠度分布3 封底设计优化3.1 最大弯矩标准值取值优化按有限元法计算,弯矩值在桩基间封底混凝土的中间位置达到最大,单位板宽(b=1.0m)上的最大弯矩见表3,取最大弯矩标准值Mp l 1=1 4 3.5 6k Nm。根据横向均布荷载作用下四边简支双向板的弯矩分配系数表,横向尺寸和纵向尺寸相同时,两个方向上的弯矩相等;若横向和纵向的跨度不等,则弯矩在跨度较小的方向上较大。分析表3数据,x方向和y方向上,有限元法弯矩计算结果不等,但是两组弯矩的差值较小且均值基本相等。受封底的整体尺寸LxLy影响,有限元法计算结果My1表3 不同泊松比材料有限元法弯矩计算结果项目弯矩/(k Nm)=0.2=0.2x方向Mx1=1 3 4.0 2Mx2=1 2 9.0 8y方向My1=1 3 9.0 6My2=1 4 3.5 6差值M1=5.0 4M2=1 4.4 8均值M1=1 3 6.5 4M2=1 3 6.3 2最大弯矩标准值Mp l 1=1 4 3.5 6742 刘 奇等:黄黄铁路巴河特大桥钢管桩围堰封底设计优化 Mx1、My2Mx2;同时,受围堰的矩形形状影响,靠近围堰四角处存在应力集中现象,从而M2M1。按四边简支双向板计算,跨度取桩心距lxly,最不利横向均布荷载组合q=gc+q1+q2+q3+q5-f=1 5 2.7 8k P a,最大弯矩计算结果见表4,最大弯矩标准值Mp l 2=1 6 8.6 7k Nm。分析表3、表4,按四边简支双向板计算,取0时的弯矩值与有限元法非常接近,取0.2时弯矩值偏大;且取0.2时最大挠度值w2=1.5 9 1 1 0-4m,则w2/w1=1.3 7。这是因为在有限元计算过程中,桩基对其间的封底混凝土形成约束,而按双向板计算时忽略了桩基的约束作用。因此,采用有限元法计算所得弯矩标准值Mp l 1进行强度计算更加合理。表4 不同泊松比材料四边简支双向板法弯矩计算结果项目弯矩/(k Nm)=0=0.2x方向Mx0=1 4 0.5 6Mx=1 6 8.6 7y方向My0=1 4 0.5 6My=1 6 8.6 7最大弯矩标准值Mp l 2=1 6 8.6 73.2 强度计算公式系数取值优化封底混凝土强度计算公式取法较多,但形式上可以统一为ht=KMftb+hu(1)式中:hu为混凝土与围堰底泥土混掺厚度,m m;ht为围堰封底混凝土厚度,m m;M为每米宽度最大弯矩的标准值,Nm m;ft为混凝土的抗拉强度设计值,N/m m2;b为计算宽度,取10 0 0m m;K为公式系数。文献1 0 取K21=5.7 2;文献1 1 取K22=9.0 9;文献1 2 取K23=9.2 7 5。选用不同的计算公式,所需封底厚度和混凝土等级不同,太薄无法保证承台施工质量和围堰安全,而太厚造成工程材料浪费。为此,先不考虑hu,根据文献1 3 矩形截面素混凝土受弯构件承载力为M fc tb h26,整理得h1 0.9 1Mftb(2)式中:fc t为素混凝土的抗拉强度设计值,且fc t=0.5 5ft;为混凝土构件的截面抵抗矩塑性系数,且=0.7+0.1 2h m;m为抵抗矩塑性影响系数基本值,且矩形截面有m=1.5 5。令K2=1 0.9 1/,不同封底混凝土厚度下的K2计算结果见表5。表5 不同封底混凝土厚度h下的强度计算公式系数K2h0.40.60.81.01.21.41.61.5 51.4 01.3 21.2 71.2 41.2 21.2 0K27.0 47.8 28.2 88.5 88.8 08.9 69.0 9 易知,K21不利于保证承台的安全施工;K22取Km a x进行计算,结果偏于保守;K23则容易导致材料浪费。当初始厚 度h0=1 m时,式(2)系数宜取K2=8.5 8。3.3 封底混凝土强度计算代入最大弯矩标准值,不同混凝土等级下的封底最小厚度计算结果见表6。根据表6可知,按有限元法计算,采用1m的C 2 5混凝土可以满足围堰封底的强度和厚度要求。且根据图4可知,封底的最大拉应力为0.7 3 MP a,也小于容许拉应力值1.2 7MP a。以围堰封底为研究对象,对计算结果进行抗浮和抗沉验算:Fw=21 4 6k NGc=97 2 0k N,抗浮满足要求。考虑桩基础对承台自重的支撑作用,按面积比例进行荷载分配,最大下沉力F1=Gc+m5i=1Ni,荷载分配系数m=0.8 4。封底混凝土分别与桩基钢护筒和周边钢围堰充分黏结,最大抗沉力F2=FS+Fw,其中黏结力为FS=1S1+2S2(S1为封底与桩基的接触面积;S2为封底与钢围堰的接触面积;1、2为黏结应力),抗沉安全系数Kc=F2/F1。S1=1 4 3.5 6 m2,黏 结 应 力 为1;S2=1 7 3.3 6 m2,黏结应力为2。文献1 1 建议对于不同混凝土等级取值为1 0 02 0 0k P a,崔清强1 4通过模型试验和仿真计算表明,对C 2 5封底混凝土,的取值范围是3 0 05 4 0k P a,且混凝土等级越高,越大。本文取黏结应力为2 0 0k P a。抗沉安全系数计算结果见表7。表6 封底混凝土厚度(ht-hu)混凝土等级厚度/m有限元法双向板法C 2 01.0 61.1 5C 2 50.9 91.0 7C 3 00.9 31.0 0C 3 50.8 80.9 6C 4 00.8 50.9 2C 4 50.8 30.9 0表7 抗沉安全系数F1/k NF2/k NKcm=0.8 4m=1.0=2 0 0k P am=0.8 4m=1.04 79 4 1.3 45 59 4 1.6 06 55 3 0.0 01.3 71.1 7842 科技和产业 第2 3卷 第1 3期 根据表7可知,荷载分配系数m=0.8 4时,安全系数Kc 1.1,抗沉满足要求。需要指出,文献1 1忽略了桩基对于承台的支撑作用,荷载分配系数m=1.0,此时安全系数为1.1 7,验算结果偏于保守。最后,考虑到泥土混掺对混凝土强度的削弱,若增加封底厚度而继续开挖土体对围堰的受力和变形影响较大,所以通过提高混凝土等级进行补强,同时为增加封底堵漏效果,建议采用1m的C 3 0抗渗混凝土浇筑。如图8所示,封底施工完成后,围堰受力变形稳定,堰内基本干燥,为保障墩台顺利施工奠定了良好基础。图8 封底浇筑效果4 结论1)封底混凝土x和y应力关于桩基中线对称分布,顺桥向桩基间的封底混凝土顶面x为拉应力而y为压应力,横桥向则x为压应力而y为拉应力。承台下方的桩基间混凝土挠度分布基本一致,均在中间位置达到最大值。2)受围堰平面尺寸和形状影响,顺桥向的最大弯矩值大于横桥向的最大弯矩值。桩基对封底的受力和变形约束作用明显,四边简支板法得到的最大弯矩标 准 值 约 为 有 限 元 法 的1.2倍,挠 度 值 为1.3 7倍。采用相同等级混凝土封底,四边简支双向板法比有限元法计算所需厚度大6 09 0mm。3)封底强度计算应根据不同厚度调整公式系数,1m厚度时建议取值K2=8.5 8;抗沉验算建议考虑桩基对承台的支撑作用。参考文献1 黄梁,闫嵩,吴廷楹,等.软质岩地区深水围堰施工方案比选研究J.科学技术与工程,2 0 2 2,2 2(3 2):1 4 4 2 4-1 4 4 3 3.2 黄梁,王宁,康华,等.流速对深水锁扣钢管桩围堰侧向变形的影响J.科学技术与工程,2 0 2 2,2 2(1 0):4 1 6 0-4 1 6 9.3 刘幸福.拉萨河特大桥围堰封底混凝土桩周堵漏技术J.桥梁建设,2 0 0 5(5):4 9-5 0.4 吴亮秦,阚剑锋,伍海山,等.锁口钢管桩围堰结构受力性能分析J.公路,2 0 1 7,6 2(6):6 9-7 3.5 张静.围堰封底混凝土厚度设计J.铁道建筑技术,2 0 1 2(8):3 4-3 6.6 李胜臣,朱东生.围堰施工中封底混凝土厚度的有限元法求解J.兰州交通大学学报(自然科学版),2 0 0 6,2 5(3):3 0-3 2.7 闫志刚.沪通长江大桥天生港专用航道桥3号主墩钢围堰封底技术J.桥梁建设,2 0 1 5,4 5(6):8 9-9 4.8 郭成刚.深水大直径双壁钢围堰封底混凝土厚度设计与施工技术J.铁道建筑技术,2 0 1 5(3):6 3-6 6.9 徐芝纶.弹性力学(下册)M.4版.北京:高等教育出版社,2 0 0 6:1-9.1 0 张四平.基础工程M.北京:中国建筑工业出 版 社,2 0 1 2:1 7 1-1 7 2.1 1 钢围堰工程技术标准:G B/T5 1 2 9 52 0 1 8S.北京:中国计划出版社,2 0 1 8.1 2 江正荣,朱国梁.简明施工计算手册M.4版.北京:中国建筑工业出版,2 0 1 6:6 4-6 7.1 3 混凝土结构设计规范:G B5 0 0 1 02 0 1 0(2 0 1 5)S.北京:中国建筑工业出版,2 0 1 5.1 4 崔清强.围堰封底混凝土与钢管桩粘结力模型试验研究J.桥梁建设,2 0 1 4,4 4(6):6 9-7 4.T h eB o t t o mS e a l i n gD e s i g nO p t i m i z a t i o nf o r t h eS t e e lP i p eP i l eC o f f e r d a mo fB aR i v e rG r a n dB r i d g e i nH u a n g-H u a n gH i g h-s p e e dR a i l w a yL I U Q i1,L E IS h e n g y o u2,YANGZ h o n g l i n g3,Z HOUX i n g y i n g3(1.Q i n g d a oB r a n c h,S G I D IE n g i n e e r i n gC o n s u l t i n g(G r o u p)C o.,L t d.,Q i n g d a o2 6 6 0 0 0,S h a n d o n g,C h i n a;2.S c h o o l o fH i g h w a y,C h a n ga nU n i v e r s i t y,X ia n7 1 0 0 6 4,C h i n a;3.T h e5 t hE n g i n e e r i n gC o.,L t d.,C h i n aR a i l w a y1 6 t hB u i l d i n gG r o u p,T a n g s h a n0 6 4 0 0 0,H e b e i,C h i n a)A b s t r a c t:R e l y i n go n t h e l o c kc a t c hs t e e l p i p e c o f f e r d a m,t h e t w e n t y-t h i r dp i e r o fB aR i v e rG r a n dB r i d g e i nH u a n g-H u a n gh i g h-s p e e dr a i l w a y,b u i l dt h e3 Df i n i t ee l e m e n tm o d e l.T h en u m e r i c a l c a l c u l a t i o nm a n i f e s t st h a t t h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o na r eb o t hs y mm e t r i ca r o u n dt h ec e n t e rl i n e so fp i l e s.O nt h e t o ps u r f a c eo f b o t t o ms e a l i n gb e t w e e np i l e s,f o l l o w i n g t h eb r i d g e,xi s t e n s i o ns t r e s s a n dyi s c o m p r e s s i o ns t r e s s.T r a n s-v e r s e t o t h eb r i d g e i s j u s t t h e r e v e r s e.T h em a x i m u mo f d e f l e c t i o n i s l o c a t e d i nt h ec e n t e r so fm i d-p i l e s c o n c r e t e.O p t i m i z i n g t h e c a l c u l a t i o ne x-p r e s s i o nf o r t h e t h i c k n e s sa n dc o n c r e t es t r e n g t h,c o m p a r e dw i t ht h em e t h o do f t w o-w a ys l a b,d e m o n s t r a t e t h a tb o t t o ms e a l i n g i so b v i o u s l yr e-s t r a i n e db yp i l e s.I t c a nr e d u c e t h eb o t t o ms e a l i n g t h i c k n e s s a r o u n ds i x t y t on i n e t ym i l l i m e t e r s i n t h e s a m e c o n c r e t eg r a d e.S u g g e s t t h a t b o t t o ms e a l i n g i sp o u r e db yt h e t h i c k n e s so f 1.0m e t e r i nC 3 0.K e y w o r d s:s t e e l p i p ep i l ec o f f e r d a m;b o t t o ms e a l i n g;n u m e r i c a l a n a l y s i s;t h i c k n e s s;s t r e n g t h942 刘 奇等:黄黄铁路巴河特大桥钢管桩围堰封底设计优化