潮州外环大桥主墩承台单壁钢套箱围堰设计与施工

2021-12-24陈锦辉

工程建设与设计 2021年23期

关键词：箱底钢套侧板

陈锦辉

（潮州市交通运输工程质量监督站，广东潮州521000）

1 引言

潮州外环大桥主墩9#承台，采用单壁有底钢套箱围堰施工技术，围堰主要是由底板、侧板、围囹、内支撑和导向架构成的箱形结构，能够有效地缩短工期，提高质量，安全保障。

2 工程概况

潮州外环大桥位于广东潮州市韩江河上，河谷断面呈U字形，河道宽500 m，桥址下游5 km建有供水枢纽，水深6～12 m，潮差0.2～0.5 m，每天涨落潮1次。外环大桥左幅长1 022.6 m，右幅长997.6 m。按一级公路等级兼城市主干路设计，双向6车道，主桥标准宽度36 m，设计行车速度60 km/h。主桥为85 m+150 m+85 m预应力混凝土连续箱梁，主墩8#、9#均采用水下钻孔灌注桩接钢筋混凝土承台基础，采用整体式承台，横桥向38.25 m，顺桥向10.75 m，高4.5 m，采用C35混凝土。承台底设1.3 m厚的C25水下封底混凝土分2次封底，第1次封底厚1.1 m，第2次0.2 m。

3 主要设计参数

3.1 结构总体尺寸

平面尺寸40 m×12 m,承台顶标高+11.5 m，承台底标高+7 m，封底混凝土底标高+5.7 m（封底厚度1.3 m），单壁有底套箱高7.0 m，套箱顶标高+12.7 m，套箱底标高+5.7 m，钢护筒直径2.8 m，拼装平台设计顶标高+16.5 m。

3.2 气象水文条件

设计最高水位+11.5 m，设计最低水位+9.1 m，水流流速按1.5 m/s计算，设计风速正常期按25 m/s，台风期按40 m/s。

3.3 材料性能

主要材料采用Q235钢、PSB930级精轧钢、Q235钢、角焊缝及钢护筒。Q235钢弹性模量206 GPa，拉压弯强度215 MPa，剪切强度125 MPa；PSB930级精轧钢弹性模量200 GPa，拉压弯强度770 MPa；角焊缝拉应力、剪应力均为160 MPa，钢护筒与混凝土的黏结强度150 kPa。

4 单壁钢套箱围堰设计

4.1 单壁钢套箱结构设计

主墩9#承台钢套箱围堰由4个部分组成：底板系统，侧板系统，提吊及下放系统，围囹、内支撑及导向架系统。

4.1.1 底板系统

底板由承重梁、分配梁、面板组成。其中承重梁采用4组2I45a工字钢，长39.7 m，间距为3.35 m+2.75 m+3.35 m。底板分配梁采用I20a工字钢，面板采用6 mm厚钢板，面板开槽采用φ20 mm圆钢锚筋与分配梁焊接，依次安装承重梁、分配梁、分块底板程序拼装套箱底板。

4.1.2 侧板系统

侧板由主龙骨、边龙骨、横肋及面板组成，侧板与侧板之间采用螺栓连接。主龙骨采用2[28a槽钢，长7.0 m，间距1.0 m，边龙骨采用[28a槽钢，横肋采用[10槽钢，间距0.4 m，面板采用8 mm厚钢板。侧板分为直线段和弧线段，弧线段分为A、B、C的3种类型，直线段分块宽度3 m，单块重3 t。

4.1.3 提吊及下放系统

提吊系统由转换梁、扁担梁、吊杆、导向架组成，转换梁及扁担梁均采用2I36a工字钢，吊杆采用φ32 mm精轧螺纹钢。套箱底板通过提吊系统锚固于护筒顶端，每个护筒设置2个锚固吊杆，吊杆采用φ32 mm精扎螺纹钢。套箱提吊下放时，共设置8个千斤顶下放点。

4.1.4 围囹、内支撑及导向架系统

套箱侧板内侧上部设置1道围囹和1道直线辅助围囹，套箱内部设置5道内支撑。内支撑采用φ630 mm×8 mm钢管，长9.85 m，共设置5根。导向架由导向头、导向槽和连接杆组成，导向头和导向槽分别采用2[20的槽钢和I20a工字钢，连接杆采用2[10槽钢与护筒相连。

4.2 单壁钢套箱结构验算

采用极限应力法，利用Autodesk Robot Structure有限元软件分析计算，主要验算钢套箱结构强度、刚度及稳定性，确保结构受力安全。模型见图1。

图1 单壁钢套箱结构模型示意图

4.2.1 工况情况

钢套箱下放，主要验算提吊系统及套箱底板。水下浇筑封底混凝土，主要验算提吊系统及套箱底板。

台风期高水位抽水，主要验算套箱侧板及围囹以及封底混凝土。第1次浇筑主要用于封底混凝土验算，承台混凝土侧压力与套箱外部水压力相抵消，套箱侧板更安全。承台第2次浇筑无须验算。

4.2.2 封底板抗弯强度验算

验算封底板抗弯强度主要包括以下内容：（1）高水位套箱抽水工况；（2）低水位第1次浇筑承台工况。

经验算，封底板混凝土拉应力最大值0.79 MPa，小于C25抗拉强度设计值1.3 MPa，满足规范要求[1]。

4.2.3 封底板抗浮稳定性验算

验算封底板抗浮稳定性主要包括以下内容：

1）高水位套箱抽水工况。封底混凝土与护筒的黏结力计算结果为17 407 kN，护筒数量为12个，护筒直径为2.8 m，板厚为1.1 m，钢混黏结强度为150 kPa；套箱底板净面积321 m2，计算效力荷载为12 454 kN；安全系数1.40＞1.2，满足要求。

2）低水位第1次浇筑承台工况。封底混凝土与护筒的黏结力为20 086 kN，护筒数量为12个，护筒直径为2.8 m，板厚为1.3 m，钢混黏结强度为150 kPa；套箱底板净面积为321 m2，计算效力荷载为16 050 kN；安全系数1.25＞1.2，满足要求。

5 单壁钢套箱围堰施工

5.1 钢套箱加工制作、运输

钢套箱由专业厂家严格按照规范和设计图纸尺寸分块加工制作。加工过程中严格控制焊接工艺，并采用3检1验制度，加强检查和监督，及时验收，确保焊接质量得到保证。运输采用吊车配合平板车转运至承台处就位。

5.2 钢套箱拼装及下放

5.2.1 搭设拼装平台

拆除承台区域钻孔平台，拔除钢管桩，利用原钻孔平台改造为拼装平台。

5.2.2钢套箱底板安装

依次安装承重梁、分配梁、分块底板，安装时先将通长承重梁按顺序摆放在拼装平台上，分配梁依次放置在承重梁上，必要时承重梁和分配梁采用定位装置，逐块铺设钢套箱底板，分界线须与主龙骨对应。底板分为A、B、C的3种类型，B区加工12块，C区6块。底板与护筒间缝隙采用环形止水板+环形砂袋填塞方法进行堵漏，环缝封堵随套箱一起下放，套箱内外卡板设置在侧板龙骨上，内卡板通过槽钢扣住封底混凝土，防止套箱下滑，外卡板是套箱抽水后防止侧板外翘导致的漏水。

5.2.3 钢套箱侧板安装

侧板拼装顺序为从中间向两边，侧板接缝处填塞橡胶条，底部限位卡板与套箱底板焊接，接缝位置设置1 cm厚止水橡胶板，在轮廓线外侧设置三角挡板限制套箱外移。利用吊车配合人工按照先中间后两边、两边对称同时安装的原则逐块安装套箱侧板并编号。在套箱内侧安装内支架，高度低于侧板，利用内支架做工作平台，侧板立模在内支架上临时加固，起整体性作用。套箱侧板与底板连接采用型钢加筋板锚固，安装侧板螺栓时利用钢筋提前加工好的包围式挂梯，侧板拼缝处需填充1 cm厚的橡胶条，拼装时要保证拼缝严密，防止拼缝渗水、漏水。安装套箱侧板时，应及时连续记录近期最低水位，在套箱侧板上设置连通孔，保证套箱在封底时内外水头一致。

5.2.4 安装提吊及下放系统

依次安装转换梁、扁担梁、吊杆。吊杆穿过转换梁和承重梁的位置需提前开孔，型钢侧面设置加劲肋。所有转换梁必须设置在统一标高上，保证所有吊杆均匀受力，应保证转换梁的焊接质量，并在应力集中的地方做加筋补强。

吊杆在钢套箱底板安装后进行安装，其下端采用垫板和双螺母，上端通过扁担梁与转换梁连接，每根吊杆长度及时记录并做相应标记，将吊杆下端均旋入下双螺母，保证吊杆下端伸出螺母15 cm。吊杆布置在所有承重梁和扁担梁的交叉位置，每根吊杆套1根PVC管，防止吊杆嵌固在封底混凝土之内；PVC套管上端与吊杆固定，塞海绵、缠胶带及涂满玻璃胶封堵，抽水过程中逐步拆除吊杆并用木楔子将其封堵防止漏水。吊杆下端螺帽需固定在承重梁上，套箱下放采用液压同步千斤顶整体下放，千斤顶规格≥50 t。

扁担梁在护筒支承处设置肋筋。套箱底板通过提吊系统锚固于护筒顶端，每个护筒设置2个锚固吊杆，吊杆采用φ32 mm精扎螺纹钢。套箱提吊下放时，共设置8个千斤顶下放点。

5.2.5 安装围囹、内支撑及下放导向架

套箱侧板内侧上部设置1道围囹，距离底板100 cm处设置1道直线辅助围囹，套箱内部设置5道内支撑，围囹与侧板间采用焊接固定，内支撑与套箱侧板进行焊接。

围囹分为直线围囹和弧线围囹，围囹与侧板间每隔3 m设置1道焊缝，防止侧板外扩。严格控制弧线段的围囹和侧板加工尺寸，并保证焊接质量。

导向架由导向头、导向槽和连接杆组成，导向头和导向槽分别采用2[20的槽钢和I20a工字钢，连接杆采用2[10槽钢与护筒相连。钢护筒上部焊接4个导向架，架体由连接杆和导向头组成，在导向架对应的侧板位置焊接导向槽。

5.2.6 套箱下放

利用液压千斤顶，将两侧的精轧螺纹管吊住底板下的承重梁把套箱提起，拆除下面临时拼装平台，从护筒内部割断平台梁，向两侧抽出，将套箱转为吊杆受力。下放时，在8个吊杆临时吊点处设立标高观测点，同步缓慢整体下放，确保下放时各吊点受力均匀。若观测发现不同步时，应立即停止下放，并对局部下放点调整一致后方可再次下放，直至将套箱同步下放到位。每下放100 cm检测套箱侧板四角标高及外侧板倾斜度，保证套箱侧板四角标高一致，外侧板不得倾斜。下放安装到位复测标高、平面位置合格后，将套箱侧板顶部固定在主护筒口，避免套箱晃动。