李静

（中铁十四局集团第二工程有限公司，山东 泰安 271000）

1 工程概况

巴河特大桥中心桩号K6+829，全长1500m。全桥共36 个墩台，其中7#～25#位于巴河河道中；主桥（70+120+70）m 连续梁跨越巴河，21#、22#为主墩，20#、23#为边墩。本文以21#、22#主墩为例，介绍深水基础双壁钢套箱围堰设计与计算。桥梁位于巴河下游孙镇河段，全长约5km。枯水期，上游流量较小且经常出现断流情况；根据现场实际考察，围堰设防水位标高为+14.854m，当水位大于+14.854m 时，围堰内灌水，水位退去后继续抽水施工。

2 方案选择

通常深水基础主要施工方法为双壁钢套箱、钢吊箱以及钢板桩围堰，结合该工程地理位置、水文、地质情况及结构特点，经过多种施工方案比选和现场考察，确定21#、22#主墩采用双壁钢套箱施工，满足经济适用、安全可靠、施工质量要求。

3 双壁钢套箱设计

3.1 双壁钢套箱根据承台尺寸设计为矩形，结构尺寸为33.96m*16.7m，每边比承台尺寸大10cm。内外壁之间距离为1.5m，全高为23.5m，分成四节，第四节（底节）为5.15m，第三、二、一节分别为5.35m、6.1m、6.9m。顶面标高为15.951m，比设计控制水位高1m。

3.2 侧板面板厚为6mm，竖向隔板厚为16mm，水平环向间距为0.8～1.2m，竖向设置∠75×50×6 角钢，水平环板采用12mm 板件焊接成∠型构件，水平连杆为∠100×10 角钢，材质均为Q235B。

3.3 隔舱板竖向采用16mm 钢板，水平环板采用16mm 钢板与侧板焊接，水平斜杆采用∠100×10 角钢与水平环板交错支撑每套围堰设置20 个隔舱。

3.4 双壁钢套箱设置3 层内支撑，内支撑使用HN450*200 型钢及Ф1000 螺旋管，分别在9.68m、14.78m、20.78m 处设置。

3.5 圈梁采用HN450*200 型钢及14mm 钢板制作，与钢套箱壁板双面焊接，在圈梁下部每隔5m 设置一道牛腿，采用25#工字钢制作，圈梁分别在9.68m、14.78m、20.78m 处设置。

3.6 钢套箱分四节施工，每节分16 块，每块重量不超过14 吨，每节套箱连接采用焊接连接，每道焊口处焊接H40 型钢加固。

3.7 钢套箱底节整体下沉到位后钢套箱内壁浇筑8m高C30 混凝土，以增强刃角强度和刚度。

4 计算参数

4.1 材料参数

为与施工阶段结合使用，钢套箱围堰采用允许应力法进行计算。

4.1.1 Q235B 钢参数：容许剪应力[τ]=85MPa，容许弯曲应力为[σ]=145MPa；临时结构考虑1.3 倍应力扩大系数。扩大后为：[σ]=1.3*145=188MPa，[τ]=1.3*85=110MPa。

4.1.2 钢弹性模量：Es=2.06×105MPa。

4.2 计算工况

对各构件进行计算，结合各工序的施工时间安排情况，计算内容及水位控制如表1 所示。

表1 围堰施工步骤及各步骤关键计算内容

4.3 计算荷载

4.3.1 水压力：按照水头差进行计算，三角形荷载进行布置，控制水位为+14.854m，围堰底标高为-7.549m，围堰水头差为：h外=22.403m。

4.3.2 水流力：水流力简化为倒三角形荷载，水面处水压力为Pw=CwρV2，河床处水压力为0。

ρ-水密度，取1t/m3；V-水流流速；L=32.7m，b=16.7m，L/B=32.7m/16.7m=1.96；Cw-水流阻力系数，Cw=1.3；2m/s水流力：pw1=CwρV2=1.3*1*22=5.2KPa。

5 围堰结构计算

围堰抽水工况水位以+14.854m 进行控制，用MIDAScivil2016 建模，模型考虑施工阶段影响。

钢套箱侧板厚为1.5m，面板厚为6mm，竖向隔板为16mm 钢板，竖向设置∠75×50×6 角钢，水平环板采用12mm 板件焊接成L 型构件，水平连杆为∠100×10 角钢。

5.1 侧板计算

面板计算结果如图1-2 所示。

图1 组合应力图（单位：MPa）

图2 剪应力图（单位：MPa）

面 板 受 力：σ=114MPa ＜[σ]=188MPa，τ=65MPa ＜[τ]=110MPa，满足要求。

5.2 隔仓板计算

隔仓板计算结果如图3-4 所示。

图3 组合应力图（单位：MPa）

图4 剪应力图（单位：MPa）

隔仓板受力：σ=125MPa＜[σ]=188MPa，τ=67MPa＜[τ]=110MPa，满足要求。

5.3 水平环板计算

水平环板为280×12+150×12mm（肋板），考虑50 倍板厚参与共同受力。

其截面特性为：A=6960mm2，iv=69mm，L=1.3m，λ=L/iv=1300/69=19，查表得：φ=0.973

稳 定 应 力 计 算 如 下：σmax1=N/ψA+M/ΥxW=13*104/0.973*6960+4.8*107/1.15*642435.9=65MPa ＜188MPa，满足要求。

5.4 折角加劲板计算

折角加劲板计算结果如图5、6 所示。

图5 组合应力图（单位：MPa）

图6 剪应力图（单位：MPa）

水平斜杆受力：σ=30MPa＜[σ]=188MPa，τ=17MPa＜[τ]=110MPa，满足要求。

5.5 围堰整体变形计算

围堰整体变形计算结果如图7 所示。

图7 围堰变形图（mm）

围堰整体变形为8mm。

5.6 圈梁计算

圈梁受力如图8、9 所示。

图8 组合应力图（单位：MPa）

斜杆受力：σ=77.7MPa＜[σ]=188MPa，τ=76.6MPa＜[τ]=110MPa，满足要求。

5.7 内支撑计算

内支撑最大轴力为：N 压= -197t

5.7.1 φ630*12 钢管参数如表2 所示。

图9 剪应力图（单位：MPa）

表2 参数表（mm）

内 撑 参 数 计 算：A=23298mm2，ix=iy=218mm，Wx=3.53*106mm3，L=5.36m，λ=L/ix=25，等效弯曲系数：βmx=1；b类截面，查得＆x=0.9533。

稳 定 性 计 算：σ =N/ψxA =197*104/0.9533*23298 =89MPa＜[σ]=188MPa

5.7.2 φ1000*12 钢管参数如表3 所示。

表3 参数表（mm）

内 撑 参 数 计 算：A=37246mm2，ix=iy=349mm，Wx=9.1*106mm3，L=12.8m，λ=L/ix=37，等效弯曲系数：βmx=1。b类截面，查的＆x=0.9103；稳定性计算：σ=N/ψxA=307*104/0.9103*37246=91＜[σ]=188MPa，满足要求。

6 结论

本文介绍了双壁钢套箱围堰的设计和应力计算，根据该工程的地形、地貌、水文、地质情况和结构特点，从面板、隔仓板、水平环板、水平杆、圈梁和内支撑等材料和杆件的选择和科学合理的布局，通过Midas 软件的计算，各组成构件均满足强度、刚度和稳定性的要求，后续通过深水基础结构的施工验证了钢套箱结构强度、刚度、稳定性均满足要求，为本项目后续基础施工提供了技术保障。