单壁钢吊箱围堰在深水承台施工中的应用分析

郑学涛

(中铁建安工程设计院有限公司，河北 石家庄 050043)

单壁钢吊箱是通过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干处施工环境。根据钢吊箱使用功能，将其分为底板、侧板、内支撑、吊挂系统四大部分。其中，侧板、底板是钢吊箱围堰的主要阻水结构并兼做承台模板。

国内深水承台施工，多采用沉井或钢围堰[1-2]。由于沉井施工工序繁锁，工期长，材料用量大；而钢吊箱工艺操作简单，节约工期，材料用量合理并能回收再利用。综合各方条件，坦桑尼亚基贡戈-布西西大桥引桥承台施工确定采用钢吊箱方案，并对吊箱侧板的单壁、双壁两种方案进行了比较，结合工期、结构特点及施工经验等综合分析，项目钢吊箱侧板采用单壁结构。

1 工程概况

基贡戈-布西西大桥，桥梁横跨维多利亚湖。维多利亚湖区年平均降雨量为999.9 mm，雨季为10月至次年5月，旱季为6月至9月。内陆湖无早晚潮汐变化。经现场调查，维多利亚湖最高水位为1 133.49 m。桥区现状地形起伏不大，从桥台标高约1 140.0 m变化至湖床面1 128.0 m，起伏12.0 m。

桥梁全长3.0 km，全桥67跨，除桥首尾一台两墩位于陆地外，其余墩台均位于水中、水深3.0～50.0 m，引桥62个承台，长宽高尺寸27.5 m×35.0 m×4.0 m。桥梁下部结构采用群桩式高桩矩形承台，采用圆柱式墩+盖梁，桩基础直径为2.5 m。

本段内桥墩承台下部的20桩承台施工时采用单壁钢吊箱围堰。钢吊箱采用工厂制造、现场拼装的形式。钢吊箱侧模高度5 300 mm；水平背肋(Ⅰ12.6工字钢)间距400 mm；竖向背肋双拼[20a槽钢，间距750 mm；模板面板δ=6 mm；竖向高度高出承台顶面1 300 mm；水平围檩采用双拼25#a工字钢；内支撑采用∅800 mm、壁厚10 mm钢管，斜撑采用∅325 mm、壁厚6 mm钢管；围堰底板由20块预制混凝土底板拼装，底板厚380 mm，预制板尺寸分别为6.5 m×6.5 m、7.2 m×6.5 m和7.2 m×7.2 m，混凝土为C40，钢筋采用HRB400。钢材材质均采用Q235B。吊箱围堰的吊点设置在预制底板，共设置20处下放吊点，每个吊点采用连续同步作用千斤顶进行钢吊箱下放。每个钢护筒四周设置拉压杆和剪力板。围堰结构如图1所示。

图1 围堰结构(单位：mm)

2 建立有限元模型

2.1 材料特性

本吊箱围堰材料的主要力学性能如表1所示。

表1 钢材和混凝土主要力学性能

2.2 施工流程和工况分析

根据钢吊箱围堰的施工步骤所承受的荷载，采用承载能力极限状态对钢围堰底板、侧板、内支撑、螺栓等进行强度验算，使用极限状态计算变形。采用以下工况的最不利情形进行计算[3]：

工况Ⅰ，抗浮验算。围堰堵漏封底抽水完毕后，抗浮验算钢护筒与预制底板的抗剪键。承受荷载：混凝土预制底板自重、钢吊箱围堰自重、浮力。

工况Ⅱ，围堰在混凝土浇筑前的受力验算。

工况Ⅲ，围堰在混凝土浇筑后初凝前的受力验算。

各工况荷载参与情况和荷载组合系数见表2。

表2 作用分类和作用力大小

2.3 有限元模型

结构计算是结合手算和计算机对围堰各工况下构件进行计算，采用大型有限元程序Midas civil分析。单壁钢吊箱围堰由面板、横楞、竖楞、内支撑、围檩和预制混凝土底板组成，根据计算工况分别建立有限元模型，采用梁单元模拟横楞、竖楞和内支撑，板单元模拟面板，实体单元模拟预制混凝土底板；各道楞间与楞板之间的约束采用刚性连接模拟，内撑与围檩之间的约束采用弹性支承模拟。围堰计算模型如图2所示。

图2 围堰计算模型

3 围堰各工况安全分析

3.1 抽水后抗浮工况Ⅰ分析

工况Ⅰ为围堰堵漏封底抽水完毕时刻，围堰承受竖向荷载包括围堰自重和水的浮力，此时需要按高水位进行抗浮验算。

围堰自重：G=10 365.0 kN；水的浮力F浮=28.152 m×35.652 m×38.8 kPa=38 942.6 kN。

为了满足抗浮要求，需要钢护筒与预制底板间的抗剪键承受的荷载为：V浮=1.4F浮-G=44 154.6 kN。

在浇筑承台混凝土时抗剪键应该会承受更大的荷载，对工况Ⅰ与工况Ⅲ抗剪键所受荷载进行对比后再对抗剪件进行计算。

3.2 抽水后抗浮工况Ⅱ和工况Ⅲ分析

工况Ⅱ为围堰安装完毕堵漏后抽水，抽水完毕后进行钢筋绑扎等作业，承受荷载为混凝土预制底板自重、钢吊箱围堰自重、浮力、静水压力(此时取施工高水位计算)、施工机具及人群荷载，根据建立的计算模型分别对侧模板、内支撑和混凝土底板进行受力计算。

工况Ⅲ进行承台混凝土浇筑作业，围堰承受荷载为承台混凝土湿重，预制底板自重、钢吊箱围堰自重、浮力、静水压力(此时取施工低水位进行计算)、施工机具及人群荷载，根据建立的计算模型分别对侧模板、内支撑和混凝土底板进行受力计算。

计算模型分析结果如图3和表3所示。

表3 围堰各结构部件内力汇总 MPa

图3 各结构部件应力计算结果

根据图表中数据，剪应力τmax<钢材抗剪强度设计值125 MPa，正应力σmax<钢材抗拉强度设计值215 MPa，满足规范要求。

3.3 抗剪键结构分析

查看工况Ⅲ计算结果中的支座反力知，竖向支座反力总和为65 010.7 kN，该力由钢护筒与预制底板之间的抗剪键承担，工况Ⅰ抗剪键受力为44 154.6 kN，取两者之间的较大值工况Ⅲ进行抗剪键计算，预制底板的支座反力如图4所示。

图4 预制底板支座反力

支座反力最大值为421.6 kN，该支座反力由一组抗剪键承担，每个抗剪键上共有3个抗剪钢板，单个抗剪钢板所受竖向力为140.5 kN。

抗剪钢板为32 mm×100 mm钢板，所受弯矩Mx为14.05 kN·m，剪力V为140.5 kN，进行抗弯和抗剪验算。

式中：σ为正应力；γx为截面塑性发展系数；Wnx为截面模量；f为钢材的抗拉强度设计值；τ为剪应力；A为截面面积；fv为钢材的抗剪强度设计值。

3.4 预制底板结构分析

3.4.1 受力

采用不利工况Ⅲ计算分析。在工况Ⅲ荷载基本组合作用下，经建模计算分析，预制底板弯矩、底板暗梁弯矩、扭矩和剪力计算结果如表4所示。

表4 底板内力计算结果

底板配筋采用双层双向∅25 mm@150 mm，暗梁主筋采用∅6 mm@25 mm，暗梁箍筋采用∅12 mm@150 mm。预制混凝土底板取单位板宽为计算单元，按高380 mm和宽1 000 mm受弯构件进行计算，暗梁按高380 mm和宽300 mm为计算单元，混凝土采用C40，轴心抗压强度设计值fc=19.10 N/mm2，轴心抗拉强度设计值ft=1.71 N/mm2；纵筋 HRB400，抗拉强度设计值fy=360 N/mm2，抗压强度设计值fy'=360 N/mm2；箍筋 HRB400，fy=360 N/mm2。经过验算，预制底板和暗梁配筋均满足规范要求。

3.4.2 变形

在工况Ⅲ荷载标准组合作用下，围堰底板弹性变形如图5所示。

图5 围堰底板变形

4 结束语

本文通过建立有限元模型，对钢围堰整体结构及各个板部件进行受力分析，可知结构整体变形较小，结构刚度、强度和抗浮稳定性符合临时结构要求，为类似工况的单壁钢吊箱围堰结构分析提供了经验借鉴。