海上承台双壁钢吊箱围堰设计与施工

王晓敬,马行政

(中铁大桥局集团第二工程有限公司, 南京 210015)

1 工程概况

大连长海县长山大桥为连接大长山岛与小长山岛的海上桥梁,双向4车道。主桥为(140+260+140) m双塔双索面预应力混凝土矮塔斜拉桥,桥梁结构采用塔墩梁固结的连续刚构体系。主梁箱梁中心线处梁高跨中4.5 m,主墩根部9.0 m,主墩根部57.0 m的范围为梁高变化区间,采用二次抛物线变化,桥梁全宽23.0 m。斜拉索采用扇形布置,梁上拉索锚固点横向间距21.6 m,斜拉索在主梁上的标准索距为4.0 m,在塔上的标准索距为0.8 m。本桥索塔采用双柱形混凝土塔,含双薄壁墩及墩座索塔全高71.649 m,下塔柱为双薄壁墩,横截面倒花瓶型,每个薄壁墩均采用2个9.0 m×1.2 m的矩形截面,中间设置1 m的断缝,上塔柱为变截面矩形截面。大连长山大桥主桥桥型布置见图1。主墩基础采用19根φ2.5 m钻孔桩,呈梅花形布置,桩中心间距5.5 m,桩基永久护筒直径为2.7 m。承台为正六边形结构,尺寸为27.135 m×23.5 m,厚度5.0 m,承台底封底混凝土厚度为2.0 m。采用双壁钢吊箱围堰的施工方法进行承台施工,双壁钢吊箱围堰在成桥后作为承台防撞结构予以保留。

图1 长山大桥主桥桥型布置(单位：cm)

2 双壁钢吊箱设计条件

双壁钢吊箱围堰是为主墩海上承台施工而设计的临时阻水结构,其作用是通过双壁钢吊箱围堰侧板和底板上的封底混凝土围水,为承台施工提供无水的施工环境。

双壁钢吊箱围堰的主要特点如下：

(1)围堰侧壁采用双壁结构,侧板刚度大,内支撑材料用量少；

(2)围堰底板采用吊箱围堰结构形式,底板承受承台施工封底混凝土浮重,并通过吊杆传递至钢护筒,钢护筒传递竖向力至地基持力层；

(3)围堰吊挂系统始终承受围堰自重荷载,减少了封底过程中的底板受力；

(4)围堰用于承台施工,围堰与钢护筒形成整体框架结构,抵抗水流横向冲击。

2.1 工况条件

根据钢吊箱围堰施工工作时段及设计受力状态,可按以下几种工况进行分析[4]：(1)拼装下放阶段；(2)封底混凝土浇筑阶段；(3)抽水后承台施工阶段。

2.2 水文、结构设计条件

根据《大连长海县长山大桥工程施工图设计》提供水文数据,设计高水位1.98 m,设计低水位-2.03 m,浪高1.9 m。围堰抽水水位按照1.98 m采用,围堰双壁顶部表格考虑浪高影响。

围堰采用正六边形,外轮廓尺寸25.853 m(宽)×29.852 m(长)×8.896 m(高),壁厚1.2 m。考虑围堰侧板内壁兼做承台模板。围堰顶高程+4.00 m,围堰底高程-4.896 m,内支撑高程+0.9 m,承台顶高程+2.5 m,承台底高程-2.5 m,承台高度5 m,封底混凝土厚2.0 m。

3 双壁钢吊箱的结构构造

双壁钢吊箱围堰[1]主体结构包括双壁侧板、底板及龙骨、内支撑架、吊挂系统及下放系统等[2]。具体围堰结构见图2。

围堰各部分结构详述如下。

图2 底板龙骨及侧板平面布置(单位：mm)

(3)底板与侧板连接。围堰整体下放采用侧板吊底板的形式,底板龙骨伸出围堰侧板以外部分采用楔块及螺栓与侧壁连接牢靠。

(4)内支撑架。内支撑架为单层钢管支撑形式,采用φ600 mm,δ=6 mm钢管桩,内支撑架与侧板隔舱板焊接固定。内支撑架提高了双壁钢围堰侧板的整体刚度。

(5)封底混凝土。封底混凝土为承台施工操作平台。封底混凝土浇筑并达到一定强度后,围堰与钢护筒间产生黏结力,使围堰具有一定抗浮及抗沉能力,抽水后进行承台施工。

(7)下放系统。围堰采用墩位拼装,利用护筒下放,不需要大的起吊设备。围堰双壁内设置8个吊点,底板中部设置2个辅助吊点,共布置18台600 kN千斤顶用于围堰下放。双壁侧板内设置箱形吊耳[3],防止吊点由于应力集中而使侧板受力过大。下放系统在围堰封底完成前始终保持受力状态。

4 双壁钢吊箱的设计计算

根据围堰各个受力工况进行分析计算,然后对结构构件进行设计,最后对结构采用MIDAS Civil 2006整体建模,具体模型见图3。

图3 双壁钢吊箱围堰计算整体模型

4.1 荷载取值

(1)围堰所受到的水平作用有：静水压力荷载,呈倒三角分布于围堰侧板上；流水压力,按均布荷载加载至围堰长方向侧板上；波浪力。根据《海港水文规范》[5]附录K:方形或矩形柱体上波浪力的计算方法K.0.2.1:静水面以上高度H处的波浪力为零,静水面处的波浪力ps按

进行计算得出线性荷载为波浪力的总合力。 按静水面处最大,波浪顶及河床底为零的波浪力分布规律进行外侧板加载。

(2)围堰所受到的竖向作用力有：①吊箱自重；②封底混凝土自重；③水的浮力；④第一次浇筑承台自重。

(3)施工工况吊箱围堰结构控制荷载组合如下。

侧板设计荷载组合：静水压力+流水压力+波浪力。

锥形瓶不能直接加热，采用试管可避免锥形瓶直接炸裂，发生意外，还可以减少能量损耗。一般情况下，一粒种子燃烧一分钟就能将10 mL水煮沸。若容积过大，不仅温度变化不明显，而且需要使用较大口径的试管，从而还需要对易拉罐拉环口进一步裁剪，所以量取容积为15 mL的水。

下放吊挂设计荷载组合：围堰自重+水的浮力。

底板设计荷载组合Ⅰ：封底混凝土自重+水的浮力。

底板设计荷载组合Ⅱ：围堰自重+水的浮力。

封底混凝土受力检算：封底混凝土自重+水的浮力+第一次浇筑承台自重。

围堰结构设计针对上述荷载组合进行计算。

4.2 计算内容[8]

(1)围堰拼装工况下护筒牛腿的设置计算；

(2)围堰下放吊挂受力计算；

(3)高水位抽水工况下,围堰侧板的设计计算；

(4)封底混凝土浇筑时,围堰底板和龙骨的设计计算；

(5)低水位承台浇筑时,封底混凝土的受力计算。

4.3 计算结果

结合围堰拼装、下放以及承台浇筑过程中各受力工况,对围堰各部分取最不利工况进行计算分析,得出以下结论。

(1)底板在荷载组合Ⅰ封底混凝土水下浇筑时为控制工况,龙骨最大应力92.5 MPa,最大变形6.7 mm,满足《钢结构设计规范》(GB50017—2003)[6]要求。

(2)侧板在水流力、波浪力以及静水压力荷载组合作用下,双壁内角钢轴力71.4 kN,水平环最大组合应力137.5 MPa,隔舱板最大组合应力73.3 MPa,内支撑最大组合应力49.3 MPa,满足《钢结构设计规范》(GB50017—2003)要求。

(3)承台浇筑阶段,封底混凝土的最大拉应力为0.18 MPa,封底混凝土与护筒间的黏结力为142.7 kPa<150 kPa(经验值)。

5 双壁钢吊箱的施工[7]

围堰高度不高,侧板高度上不分块,平面分为12块,各块侧板预先工厂加工,采用原位拼装精轧螺纹吊挂下放的施工方法,具体施工步骤如下。

(1)围堰原位拼装。钻孔桩施工完成后,拆除平台,护筒割除留有一定高度,在护筒上焊接牛腿,搭设分配梁,拼装围堰。底板以及侧板的分块考虑到安装焊接的方便性。

(2)围堰下放就位。围堰拼装完成,通过吊挂系统提升围堰,拆除牛腿及分配梁,下放围堰至设计高程,并在横、纵桥向精确定位,施工图片见图4。

图4 双壁钢吊箱围堰下放至设计高程

(3)封底混凝土施工。围堰下放就位后,在低潮位先进行各护筒吊杆的焊接,然后再在护筒口周围堵漏,浇筑封底混凝土,封底混凝土施工过程中确保围堰内外水头一致。封底混凝土采用C25水下混凝土,其强度和施工满足相应规范要求。

(4)围堰抽水。封底混凝土强度达到规范要求后,围堰内可进行抽水施工。抽水前设于围堰侧壁的连通器应采取措施堵塞防漏。抽水过程中若海面水位与设计不符时,应根据实际水位高程进行抽水稳定计算,从而采取相应的施工措施确保安全。

(5)承台施工。围堰内抽水结束后,拆除封底以上部分连接吊杆。围堰内泥浆用水清除干净、封底混凝土顶面突出部分相应凿除。承台施工按大体积混凝土体施工工艺进行,按规范或设计要求采取保温和降温措施。5 m厚承台分2次浇筑完成,每次浇筑2.5 m。

7 结语

大连长山大桥位于两岛之间的海上,海风、波浪都很大,每天有2次涨落潮,墩位处水深达19 m；梅花形布置的钻孔桩基础,增加了围堰内支撑布置的难度。由于考虑后期防撞要求而采用双壁钢吊箱围堰的结构形式,可提供足够大的刚度抵御风浪的作用,减少内支撑的数量,具有施工方便、整体效益强、安全性能高的特点。长山大桥主墩承台施工采用双壁钢吊箱围堰结构取得了显著成就；节省了大型起吊设备的费用,兼作为海上桥梁主通航孔承台防撞设施同时对海水环境中承台钢筋的腐蚀起到了保护和延阻的作用。

[1] 贾珍,季袁飞.浅谈南京大胜关长江大桥主桥4号墩双壁钢吊箱围堰施工[J].石家庄铁路职业技术学院学报,2008,7(4)：11-15．

[2] 李德坤,李芳军,朱云翔.深水基础双壁吊箱围堰施工技术[J].铁道标准设计,2003(S)：131-134．

[3] 程晨.南京大胜关长江大桥主桥4号墩双壁钢吊箱围堰整体吊装设计与施工[J].桥梁建设,2008(4)：20-23．

[4] 朱勇战.西江特大桥双壁钢吊箱设计与施工[J].山西建筑,2010,36(9)：309-311．

[5] JTJ213—98，海港水文规范 [S]．

[6] GB50017—2003，钢结构设计规范 [S]．

[7] 张遵明.潮汐环境中大型超重双壁吊箱围堰施工技术[J].现代交通技术,2008(5)：56-62．

[8] 刘爱林.宁安铁路安庆长江大桥主塔墩深水基础施工技术[J].铁道标准设计,2012(2)：73-77．