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桥梁工程沉井管柱组合基础

futao 拆除工程 2019-04-27 656 0
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桥梁工程沉井管柱组合基础

大江大河与海湾湖泊修建长大桥,在水深很深、有非常厚的覆盖层或地质条件复杂的情况下,无法将单一形式基础下沉达到预期的深度时,可以采用两种不同形式的基础,以接力的方法来修筑桥梁深水基础,通常称这种形式的基础为组合基础。此处所说的组合,仅指具有在外形结构上的组合,而不是指两种基础作用与性质上的组合。比如,沉井加管柱组合基础,曾在南京长江大桥2、3号墩上用过;再如沉井加钻孔桩组合基础,曾在广东江村南北大桥的南桥各墩台和北桥南台的基础中采用。

很明显,组合基础在施工中,因先、后要作两种形式基础,如沉井、管柱或钻孔桩的施工,设备繁多、工艺复杂,而且要严格防止两种不同基础体系之间的沉降差和相对倾斜差。但上述两桥的实践都证明,采用组合基础不仅是可行的,也是成功的;不仅建成了符合设计要求的大型桥梁深水基础,而且也积累了在深水及地质条件复杂情况下采用组合基础设计、施工的经验。

下面,以沉井加管柱组合基础作以介绍。

南京长江大桥正桥2、3号墩要通过约30m深水、约40m厚的覆盖层,按当时的技术条件修建单一的管柱基础或沉井基础,在设计和施工都缺少经验、存在困难。因此,经多方研究和论证,最后采用了钢沉井加管柱的组合基础,其结构如图8-8所示。

由图8-8可看出,采用组合基础的优点是:用浮式钢沉井代替管桩基础中常用的钢板桩围堰,以解决围堰过高钢板桩太长,抽水太深和管柱长细比不当、桥墩位移超限等为题;用管柱代替部分沉井、嵌进岩层,减少沉井高度,以解决缺乏深沉手段,难以纠正偏斜位移,不易保证岩面与井底密贴等问题。这种组合基础的最大优点,就是能充分发挥沉井和管柱的各自特点。在南京长江大桥2、3号墩的钢沉井加管柱组合基础中,其沉井的设计与施工一般均与前面沉井基础介绍相似,而其管柱的设计与施工又与前面管柱基础介绍相近,相同之处不再重复,故下面仅对2号墩沉井管柱组合基础特有之处作一介绍。

(一)自然条件

2号墩河床高程为-19.7m,当施工水位为+7.5m时,施工冲刷前的水深为27.2m。覆盖层厚约40m,覆盖层土质为粉砂~粗砂,以粉细砂为主。覆盖层底部有最大粒径达20cm的卵石层。岩面高程约-60.1m。墩位内岩面高差约1.5m。根据模拟试验,河床最大冲刷可达23m。

图8-8南京长江大桥正桥2、3号墩沉井加管柱组合基础结构示意图(尺寸单位:m)

图8-8南京长江大桥正桥2、3号墩沉井加管柱组合基础结构示意图(尺寸单位:m)

(二)结构布置

基础由钢沉井、管柱、封底及封顶混凝土、承台组成。沉井穿过覆盖层约22m,刃脚的设计高程为一41.11m,沉井布置成长方形,其平面尺寸为16.19m×25.01m,井内分成15个方格,内插13根直径3m的预应力钢筋混凝土管柱,其间距4.6m。管柱下沉到岩面后钻孔,孔径

2.4m,孔深7~9m,钻孔内放置钢筋骨架,然后在钻孔内灌注水下混凝土,一直填充至管柱顶面。管柱的下端嵌固在基岩内,上端嵌固在承台混凝土中。沉井的封底、封顶混凝土将管柱群连结成整体。

承台与沉井井壁间仅以水平链杆连接,这样承台及其以上的荷重,可以直接传至管柱,而承台所承受的水平力,则通过水平链杆由管柱与沉井共同承受。当河床冲刷至一定深度后,沉井的自重及沉井上的水平力通过封底、封顶混凝土传至管柱。

钢沉井的作用是减少管柱所要穿过的覆盖层厚度,并兼作下沉管柱时的导向架,灌注上下封底、封顶混凝土及承台混凝土时的防水围堰,它代替钢板桩围堰的作用,但它又是永久结构的组成部分,增强了桥墩基础的刚度。

(三)结构设计

1.管柱应力计算

管柱的计算分为两部分:一是封底混凝土以下的管柱;二是封底混凝土以上的管柱(图8-9)。

图8-9管柱计算图示(尺寸单位:m)

图8-9管柱计算图示(尺寸单位:m)

(1)封底混凝土以下部分管柱的计算

按高桩承台设计计算时,假定管柱两端为固结计算,若部分岩石疏松破碎,则按上端固结下端铰接验算。

(2)封底混凝土以上部分管柱的计算

计算时,假定承台可以上下移动与转动,但无相对水平移动,计算图式见图8-9b)。

由于外力矩M。的作用,所产生的承台转角:

。.=(Wo-nM,)h(8-8)

90=

EF2a2由于力矩M的作用,管柱顶产生的转角:

M,LRole

(8-9)

90=EJ628J%

假定承台无水平位移,即管柱顶无水平位移,则:

M1=。l(8-10)式中:M。——承台所受力矩(kN·m);l,——管柱的计算长度(m);E——单根管柱的弹性模量(MPa);F——单根管柱截面面积(m2);J。——单根管柱的截面惯性矩(m2);a——管柱中心至管柱群重心轴间的距离(m);n——管柱根数;

9。——承台转角(rad);

M,——由于外力矩M。的作用,单根管柱顶部所产生的力矩(kN·m);R。——由于外力矩Mo的作用,单根管柱顶部所产生的水平剪力(kN)。

解式(8-8)~式(8-10),可求出Ro、Pmm、M;及o,然后据此检算管柱的应力。

2.管柱钻岩深度和基底应力

管柱钻岩深度应进行下面三项计算:

(1)单根管柱基岩支承强度的计算。

(2)单根管柱钻孔深度检算。

(3)将管柱群作为整体进行检算。具体计算,按管柱检算控制钻岩深度。

3.承台设计

承台与沉井井壁间设有水平链杆,使承台所受的水平力直接传至沉井,竖直荷载不传至井壁而直接传至管柱。这样可以减少沉井通过封底混凝土传到管柱的剪力,从而减少了封底混凝土的厚度。

承台内主筋计算与一般承台相同。与链杆相连的井壁部分,假定由链杆传来的水平力作用在水平框架上,检算其弯曲应力。


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