中-60型浮箱在95m钢桁梁浮托架设中的应用

杜怡萱

（中铁二十局集团第一工程有限公司，江苏苏州 215151）

1 工程概况

京沪高速公路淮安至江都段改扩建工程苏北灌溉总渠特大桥位于淮安市区，其中跨越苏北灌溉总渠时采用1～95m 下承式钢桁梁，桥面宽度20.5m。钢桁梁主桁结构为三角形结构。两片主桁中心间距22.1m，大节点间距15.6m，主桁中心高度11m。

主桁弦杆为内宽700mm 箱形截面，其中上弦杆高940mm，下弦杆高900mm。主桁斜杆跨中6 根采用工字形截面，端部3 根采用箱形截面，竖杆均采用工字型截面。主桁均为整体式节点，主桁杆件与节点之间采用M27 高强螺栓连接。

桥梁横向设11 片小纵梁，边纵梁与中纵梁间距1.5m，中纵梁间距为2.0m，纵梁腹板、下翼缘与横梁采用高强螺栓连接。纵横梁上铺设厚20cm 钢筋混凝土预制桥面板，桥面板与纵横梁间用剪力钉连接，通过后浇带形成整体，其上铺设厚9cm 沥青混凝土面层。钢桁梁总重量14973kN。墩高13.31m，水位+3.96～8.65m。

2 浮动支墩的设计

根据钢桁梁顶推工况，当钢桁梁在拼装支架上纵向顶推至前端第3 个滑块到达主墩顶部时，若要完成剩余纵向顶推任务，必须用浮箱将钢桁梁托起。

2.1 荷载的计算

当浮箱和钢桁梁尾部支点共同支承钢桁梁时，浮箱及其支架承受最大竖向力，根据该集中荷载设计支架，按照支架荷载及支架重量验算浮箱强度[1]。

依据钢桁梁设计图纸，建立模型，在处于如下支承状态下，支架荷载为钢桁梁前支点反力F=2×4494=8988kN。钢桁梁顶推中浮墩最大受力工况示意图，如图1 所示。

图1 钢桁梁顶推中浮墩最大受力工况示意图（单位：kN）

2.2 浮动平台及支架结构

浮动支墩由中-60 型浮箱拼成的浮平台和钢管支架系统组成。

2.2.1 浮动平台

因新建桥梁距离既有老桥较近，无法用普通大吨位船体作为浮动平台，现场只能用浮箱拼成浮动平台。经比选，浮箱选择中-60 型浮箱，其结构尺寸为6m×3m×2m。浮动平台横桥向长30m，由5 节组成（浮箱长边方向与横桥向方向一致）。顺桥向长24m，由8 节组成。共需40 个中-60 型浮箱[2]。

2.2.2 支架系统

支架的立柱采用φ800×10mm 钢管柱，共布置2组，横向中心间距与钢桁梁下弦杆中心距相同，均为22.1m。每组支架顺桥向布置3 排立柱，横桥向布置2排立柱，排间距均为2m。

每组立柱间设有20#槽钢连接件，与钢管柱双面焊接，焊缝高度≥6mm。钢管柱顶部顺桥方向设1 组3I56a 分配梁，长度5m。分配梁上在横桥向设3 组2I56a 短横梁，长度3m，用于支撑钢桁梁第2 个大节点。分配梁、钢管柱及横梁之间均采用焊接方式固定，并在相互接触部位设20mm 厚加劲板，防止杆件局部失稳[3]。

为将支架立柱荷载分配到浮箱，并控制浮箱局部弯矩，在钢管柱下方设置2 层分配梁和斜撑杆。分配梁为HM500mm×300mm，材质Q235。另外，斜撑杆为φ273×6mm 钢管，通过焊接形成整体桁架。

最底层分配梁共10 根，长度30m，通过焊接形成一整根，横桥向对称浮箱布置。其中，中间2 组浮箱每个对称布设2 根，其余每组浮箱在中心线处布设1根。上层分配梁共设置9 根，长度24m，也要沿浮箱对称布置，在钢管柱处各增设2 根长度6m。浮动支墩结构，如图2 所示。

图2 浮动支墩结构示意图

2.3 支架高度

浮箱顶面支架的高度主要由梁底标高、施工水位、托起钢桁梁后浮箱的吃水深度决定。支架高度H=水面到梁底的距离D－浮箱高度h1＋浮箱满载吃水深度h2。计算钢管柱长度为10m。在实施浮托顶推作业时，现场通过钢板进行标高的调整。

2.4 浮平台吃水计算

2.4.1 空载吃水深度h0

浮箱空载吃水深度，指浮箱未托起钢桁梁时的吃水深度，它由浮箱自重吃水深度和其上支架、机具等重量产生的吃水深度组成。根据中-60 型浮箱参数可知，浮箱自重下的吃水深度为0.3m。浮箱顶面支架重量合计105.4t，卷扬机、水泵等重量合计4t。根据浮力计算公式，支架、机具产生的吃水深度h=（105.4+4）/（24×30）=0.152m。故空载吃水深度h0=0.3+0.152=0.452m。

2.4.2 满载吃水深度h2

根据浮箱托起钢桁梁的支撑力为8988kN，它能产生的吃水深度h=8988÷（1×9.8×24×30）=1.274m。故浮箱满载吃水深度h2=0.452+1.274≈1.73m。

2.4.3 干弦高度h3

因浮箱注水后方可进入钢桁梁下，通过浮箱的排水实现梁体的浮托。在排水时，水泵有时不能将舱内的水全部排出，暂估存有5cm 高度的压舱水。因此，干弦高度h3=2m-1.73m-0.05m=0.22m。满足施工要求。

2.5 强度验算

2.5.1 支架

采用有限元分析软件Midas/Civil2019 建立模型，分项系数取1.25，对支架进行分析验算。计算结果如下。

钢管柱轴力Fmax=124.5kN，组合应力σmax=193.7MPa＜215MPa。

钢管柱连接系槽钢轴力Fmax=168.7kN，组合应力σmax=87.5MPa＜215MPa。

斜撑钢管轴力Fmax=161.2kN，组合应力σmax=76.2MPa＜215MPa。

钢管立柱最顶部分配梁剪力1347.5kN，弯矩1220kN·m，应力σmax=166.2MPa＜205MPa，剪应力τ=112.5MPa＜120MPa。

下垫梁剪力445kN，弯矩96.2kN·m，应力σmax=47.4MPa＜215MPa，剪应力τ=51.5MPa＜125MPa。

2.5.2 浮箱连接部位

浮动支墩托起钢桁梁后，浮箱的纵向和横连接处是浮平台受力的薄弱部位。因此，需计算浮箱纵向和横向最不利连接断面处的剪力和弯矩，从而验算连接件的强度。

考虑最不利情况，不通过斜撑分散荷载，连接处的剪力全部由钩头连接螺栓承担，弯矩形成的拉力由3#连接板（300×300×8mm）和φ27 钩头连接螺栓共同承担。验算时假设3#连接板先达到其允许最大拉力，剩余的拉力再由钩头连接螺栓承担。这样，简化为通过验算连接处钩头连接螺栓在剪力和拉力共同作用下的组合应力，来判定浮箱连接处强度是否满足受力要求。

因支架对称于浮箱平台布置，验算浮箱连接处的强度选择3 个断面。断面1 是将第四、第五列浮箱作为一个整体单元，分析验算第三列浮箱右侧连接面（顺桥向）上80 个φ27 钩头连接螺栓受力情况。断面2 是将第五列浮箱作为一个整体单元，分析验算第四列浮箱右侧连接面（顺桥向）上80 个φ27 钩头连接螺栓受力情况。断面3 是将第六、七、八排浮箱作为一个整体单元，分析验算第六排浮箱右侧连接面（横桥向）上75 个φ27 钩头连接螺栓受力情况。

每个工况下整体单元断面处的总剪力V 为钢桁梁、支架（含机具）、浮箱和压舱水的自重所分配的竖向荷载与其所受浮力之差。根据总剪力及钩头螺栓数量，计算单个钩头螺栓的剪应力。

断面处的总弯矩M 为钢桁梁、支架、浮箱和压舱水自重共同产生的弯矩与其浮力所产生的弯矩之差。该弯矩在浮箱面产生的总拉力T=M/H（浮箱高度）。钩头连接螺栓所要承担的轴向拉力N=T-F。由N值计算出钩头连接螺栓的正应力，最后计算出组合应力。

3#连接板的承载力F取钢板的承载力和4 个M27普通螺栓（C 级）承载力中的较小者。其中，每个螺栓的承载力设计值应取受剪和承压承载力设计值中的较小者。

钢板拉力设计值取毛截面屈服和净截面断裂两种情况下的较小者。其中毛截面屈服时拉力的设计值N ≤Af=300×8×215=516kN。

净截面断裂时N≤0.7Anfu=0.7×(300×8 -4×27)×370=593.63kN。连接钢板拉力设计值取516kN。故3#连接板的承载力设计值为263.52kN。浮箱连接处强度验算结果见表1。

表1 浮箱连接处钩头连接螺栓强度验算结果汇总表

3 浮动支墩的制作

3.1 浮箱的拼装

浮箱在岸边搭设的简易支架上用吊机配合人工拼装，浮箱拼好后采用滑移的方法下水。拼装时要按以下要求连接：一是浮箱上下面连接板的数量、位置须完全一致。螺栓安装齐全，且须拧紧。二是在两节浮箱短边的弦箱角钢上下面须各安装3 块3#连接板和10 个连接螺栓（φ27 钩头螺栓）。三是在两节浮箱长边的弦箱角钢上下面须各安装4 块3#连接板和15个专用螺栓。四是在两节浮箱纵、横向端部弦箱角钢上须各安装1 块1#连接板，侧面须安装1 块2#连接板。

3.2 支架拼装要求

一是支架系统要对称浮箱布置，位置偏差控制在±2cm 以内。二是底层分配梁沿浮箱长边方向布置，并与浮箱点焊固定。三是所有杆件的连接均采用满焊连接，若存在空隙须用钢板调平，保证其间密贴。四是在斜撑钢管与立柱钢管连接处，增设500mm×500mm×10mm 加强钢板，防止立柱钢管壁变形。五是分配梁、垫梁及钢管柱局部应增设加劲板，确保构件局部传力可靠。六是槽钢与钢管柱之间采用双面焊缝，焊缝高＞6mm。

4 使用要求

第一，浮动支墩使用前，须注满水后用地锚卷扬机牵引进行模拟试验。第二，每个浮箱均须配备能力相同的水泵，浮箱注水或抽水时须同步。浮箱的总注水量控制在浮箱干弦高度10cm，即浮箱满载吃水深度1.9m。在抽水托起钢桁梁时，浮箱内部的剩余水量不得超过10cm，力争控制在5cm 以内。此时，钢桁梁中间部位的滑板均脱空，钢桁梁处于由浮箱和后端滑块简支状态，在此状态下继续浮托顶推工作。第三，严格控制浮动支架支承钢桁梁时的横桥向位置偏差在±20mm 以内。其纵向位置尽量往钢梁前进方向移动。第四，浮动支墩托起钢桁梁后，将其与钢梁下弦杆进行固结连接。第五，因干弦高度偏小，浮托顶推期间水面不得出现波浪。第六，上游的控制牵引卷扬机组要配置2 套。第七，建议对不利部位的浮箱连接板进行应力监测，一旦接近警戒值时，可在浮箱中部设置竖向支撑杆，支撑在钢桁梁的中横梁或小纵梁上。

5 结论

一是在浮箱未托起钢桁梁前预先进行顶推作业时，其前部支架将要经受最大竖向反力的考验，需重点监测支架的安全性。在后续的浮托顶推中，需重点监测浮箱的安全性，一旦浮箱出现散体，后果不堪设想。因此，浮箱的安全可靠是浮托顶推施工安全的关键。二是底梁和斜撑钢管的主要作用是控制不利位置浮箱出现向上的变形，从而减小浮箱连接部位的弯矩。对于四车道的钢桁梁桥，可以在浮箱中部增设1组辅助支墩，也能更好地控制横桥向第二、第三、第四节浮箱的受力状态。三是浮箱的不利部位是纵向第三排浮箱的横向连接处。