试论深水裸岩高桩承台钢吊箱围堰设计及施工

发布时间：2015-02-04 16:11

　　摘 要：钢吊箱围堰施工方法是深水承台施工中的一种主要施工方法。钢吊箱作为深水承台施工的主要构件， 其设计的合理与否关系到整个桥梁的施工质量。以罗屿特大桥高桩承台施工为例，介绍柱式钢吊箱围堰的设计与施工。 重点介绍钢吊箱围堰的设计方案、施工工艺及施工要点等技术细节。同时对钢吊箱围堰施工中的注意事项进行了阐述。工程实践表明，该钢吊箱设计合理， 能满足工程的需要。

　　关键词：深水裸岩；高桩承台；钢吊箱围堰；设计及施工

　　1.工程概况
　　罗屿特大桥为跨越罗屿海峡设计，桥全长765.75m。墩台基础采用φ1.25m和φ1.5m钻孔桩，钻孔桩共计113根，最长桩长36米；桥台为矩形空心桥台，桥墩为圆端形桥墩，最高墩9.75米；桥跨为23-32m预制后张法简支T梁。湄州湾罗屿海峡属于规则半日潮类型，并且低潮位时水位比较低，施工受大风、高潮差的影响较大。桥位区域地质情况从上至下依次为淤泥质土、粉质粘土、全风化混合岩、强风化混合岩、弱风化混合岩。地质资料显示不均匀性，地质条件比较复杂。
　　8#-23#墩承台基础采用5根钻孔灌注桩， 桩顶以上设整体式高桩承台，承台尺寸为8.7（长）×8.7m（宽）×3m （高），下设封底混凝土设计厚1.5m。桥位位于海中、水深约7-16m。最低水位在-1.5m、最高潮水位在+3.92 m、浪高60cm。承台设计底高程为- 5.4m。根据施工水位、工程特点及工期要求等综合考虑， 决定采用有底钢吊箱围堰施工。考虑到承台砼施工后需要进行防腐处理，钢吊箱围堰尺寸为10m（长）×10m（宽）×12m （高）。
　　2、整体式钢吊箱围堰设计
　　（1）钢围堰相关参数
　　护筒外径D（m）： 1.7m， 承台桩数n（根）： 5， 设计最高水位（m）： 4.6， 围堰顶高程（m）：4.6， 围堰底高程（m）： -6.9， 承台顶高程： -2.4m， 潮位差H（m）： 6.1， 封底厚度h1（m）：1.5， 围堰外轮廓底面积A0（m2）：100， 孔面积A1（m2）： 11.4， （去孔后）A= A0- A1（m2）： 88.6
　　围堰自重G1（t）：100， 封底自重G2=2.4x A h1（t）：320， 围堰承受最大浮力（t）：1019
　　封底砼与钢护筒粘结力（t）：720， 每平方米18吨
　　（2）工况分析
　　钢吊箱围堰作业时段， 设计受力状态可按照以下工况条件进行分析。
　　工况一： 150 cm厚封底混凝土浇筑完成， 按最低水位-1.5m考虑；
　　吊挂及底承重系统承受吊箱围堰自重及封底砼重量（100+320=420吨）
　　工况二： 150 cm厚封底混凝土浇筑完成， 抽干水阶段按最高水位+4.6m考虑；
　　吊箱围堰承受浮力1019吨；
　　工况三： 浇筑承台混凝土施工阶段，按在最低水位-1.5m考虑；
　　吊挂系统承受围堰自重及封底砼自重、承台砼重量、封底砼与钢护筒粘结力。浮力剩余部分重量（100+320+590-720-434=-144吨）。故吊挂系统不受力无需验算。
　　（3）围堰结构组成及受力体系介绍
　　①模板：吊箱侧模、底模模板采用δ=6mm钢板，∠80×8mm为组合模板边框，内肋为8cm槽钢，间距为30cm。
　　②侧板：侧板采用模板组合而成，第一层采用双16槽钢竖向布置作为整体背肋（间距为1m）、第二层采用双32工钢横向布置作为加强肋（间距为1.5m×2道+2m×3道），立柱与加强肋采用拉杆螺栓连接并焊接，加强肋与模板背肋采用焊接连接成整体。
　　（备注说明：考虑到节省吊箱封底砼、吊箱大小重量及后续承台施工方便，吊箱模板设置在外侧为背肋和加强肋结构，因此在封底完成抽干水后吊箱整体结构各个部位焊点处于受拉状态，故在吊箱整体焊接过程一定要按规范要求做到模板和背肋、背肋和加强肋之间紧密焊接。）
　　③底模及承重结构：底模采用6mm钢板拼装，在护筒处预留孔洞。模板下铺设12工钢作为分配梁，间距为20cm，分配梁长度为12米；分配梁下设4道双拼45cm工字钢作为主承重梁，每排桩基在护筒两侧各设一道，每道长度均为12m。
　　④承吊系统：利用钢护筒作为承吊系统，由于封底混凝土浇筑后要割除钢护筒，为保证底模及侧板正常工作，在护筒内埋设φ500mm钢管，作为以后体系的转换。主承重上吊梁采用双贝雷梁（横向布置4组8片贝雷片），长度为12m，顺路线方向在护筒顶立柱横梁上安装，通过50mm圆钢与底承重梁连接，共设置横向4个、纵向8个共32个吊点。
　　⑤内支撑及封底分仓：为防止侧板在水压下内倾及吊箱下沉定位，在钢护筒与侧模之间设置两道竖向支撑，在封底完成后在为保证吊箱整体稳定性，在吊箱内横向设置三道内支撑（采用200mm钢管）间距为1m+4m+4m+1m；竖向设置两道：一道在承台顶标高上来50cm处，另一道布置在离第一道顶标高四米处。
　　（3）吊挂系统检算
　　①悬吊用50mm圆钢
　　按工况一检算，总荷载为420t，共设置32根吊杆，考虑吊杆间受力不均匀系数1.2，吊杆承受的最大荷载为1.2×420/32=15t。单根圆钢25×25×3.14×140=27.4t，满足要求。
　　②抗浮，按工况二检算。
　　检算水位+4.6m， 浮力计算水头差h： 6.1m， 围堰总计算浮力F总=A*h=1019t
　　围堰封底砼重量G1=320t， 围堰重量G2=100t， 护筒外壁与封底混凝土粘结力G3=720t
　　抗浮总稳定荷载∑G1=1140t
　　结论：钢护筒与封底混凝土抗浮稳定系数K=∑G1/F总，满足要求

　　（4）侧板模板加强肋施工验算
　　结构模式：内支撑三道横向间距为1m+4m+4m+1m，内支撑直接对顶在模板外侧双拼I32工字钢的垂直面上。
　　计算模式：按横向三根钢管（横向间距4m）、管顶双拼I32工字钢，按二等跨连续梁计算内力。
　　受力分析：封底后抽干吊箱内水时最下层I32工字钢横梁承受最大水压力。（此时水头压力H=10米）
　　N=rHs=10KN/m3×10×8×0.26=208KN q=208/8=26kn/m
　　Mmax=0.125ql2=0.125×26×16=52KN.m Qmax=（0.625+0.625）ql=1.35×26×4=140KN
　　I32力学特性：Ix=16574cm4，Wx=920.8cm3，Sx=541.2cm3，t=15.8mm
　　主梁横梁强度验算
　　σ=Mmax/Wo=52×106/（920.8×2×103）=28Mpa<〔σ〕=188Mpa 剪应力τ=Q Sx/（Ixt）=140×1000×1082.4×1000/（33148×10000×30）=16Mpa<[τ]=110 Mpa
　　故模板加强肋采用双拼I32工字钢满足使用要求。

　　（5）侧板整体内支撑施工验算
　　由加强肋计算知道，内支撑最大压力为140KN，计算200mm钢管应力。钢管桩杆件按两端固结受力模式验算
　　钢管桩截面惯性半径 i===7.4cm
　　截面面积：A=0.785（20×20-19.88×19.88）=3.75cm2
　　柔度λ=0.65l/i=0.65×10×102/7.4=87，查表知纵向弯曲系数∮1=0.60
　　应力N=140KN/3.75cm2=37MPa<0.60〔σ〕=84Mpa
　　故横向布置三道采用200mm钢管内支撑满足使用要求。
　　钢吊箱围堰示意图
　　3、钢吊箱围堰施工
　　（1）在深水裸岩钻孔灌注桩桩基完成后， 用浮吊将钢吊箱逐部分拼装成整体后， 安装下放， 然后通过力的转换， 将整个吊箱重量（及以后封底混凝土重量）悬吊在钻孔桩主钢护筒顶部，然后灌注水下混凝土封底，待水下混凝土形成强度后， 钢吊箱即和封底混凝土结合在一起， 并通过吊杆系统锚固在钢护筒上，抽干水后，，撤去原来的钢吊箱吊杆系统， 然后进行承台施工。这时，封底混凝土作为承台底模。
　　（2）钢吊箱围堰拼装下放
　　钢吊箱围堰在加工场地加工制造完成后，运至墩位处拼装，拼装利用墩位钻孔平台进行，在原墩位平台基础上加焊支撑型钢，构成拼装平台。围堰的组拼工作是将各块件点焊组拼成型，待其高度、倾斜度及结构的对焊焊接情况等进行检查签证、验收合格后方可进行全面焊接。围堰采用分段拼装、分段下沉的施工方法，先拼装底节钢围堰，拼焊好后，进行全面质检，对内外壁板焊缝及隔舱板焊缝进行煤油渗透试验。对重要焊缝进行超声波探伤抽查，确保围堰水密性，结构安全。
　　（3）钢围堰拼装顺序
　　①首先在作业平台上放样划线；
　　②拼装从一个角向两边对称进行，直至合拢；
　　③第一层围堰拼完后，利用顶、垫、拉和支撑等方法对之进行校正；
　　④为加快拼装速度，可根据吊机的起重能力，在岸上分段预拼装后吊上工作平台逐段接长直至合拢。
　　（4）钢围堰起吊
　　正式起吊前进行试吊，即把钢围堰吊起至离开作业平台面5cm左右，停止起吊，对钢围堰进行一次全面检查，当确认其纵、横和水平方向情况良好，无大的变形之后，再继续起吊至离开作业平台1m左右后停止，锁定各倒链滑车，然后拆除支撑平台。
　　底节拼装完毕，安装围堰起吊设备（包括起吊梁、4门滑车组、卷扬机及钢丝绳等）。卷扬机布置在贝雷梁平台上，采取措施保证其安全稳固。围堰起吊下放前严格检查起吊设备，消除安全隐患，确认正常后起吊。滑车组通过下吊点将底节围堰提升，先提高1m以后割除拼装平台，清除有碍于围堰下放的结构。利用卷扬机将围堰缓慢下放至水中，下放过程中保证各卷扬机下放的同步，保证各点按相同的下放速度入水。
　　围堰底节入水初步阶段起吊设施不松钩，保持起吊下放状态。大致调整围堰平面位置，随围堰下沉松放起吊钢丝绳，待围堰下沉至要求位置后，将围堰与墩位平台进行临时连接。快速运输、并对称安装中节上节钢围堰侧板。
　　（5）封堵孔隙
　　安排潜水员封堵桩和底板之间缝隙， 采用胶垫和钢板抱箍进行封堵。
　　（5）钢吊箱拆除
　　①首先拆除吊箱侧模板外框架， 然后拆除外侧模板。
　　②在底板横梁上挂上并收紧手动葫芦， 潜水员水下切割吊杆， 使底板重由卷扬机承受。
　　③放松卷扬机， 使底板纵横梁下落脱离承台。然后拆除纵梁， 最后拆除横梁。
　　4 结语
　　（1） 钢吊箱不受水流对河床冲刷的影响， 其底标高只需满足封底混凝土施工的要求即可， 因而吊箱的结构高度变小， 虽然增加了底板及吊杆， 但用钢总量较钢套箱少。
　　（2）钢吊箱通过传力杆件吊挂在成桩后的钢护筒上， 受力明确； 在吊箱底板上进行封底混凝土施工， 风险小。
　　（3）本钢吊箱采取分块制作、分块现场安装的制作吊装工艺， 需要的起重能力相对较小。同时吊装方法可靠性高、技术风险小， 对吊箱工况下的受力要求相对不高。
　　（4）该拉压柱式钢吊箱围堰对于承台体积较小的高桩承台施工适用性强。利用型钢制作的拉压柱既能抵抗部分浮力， 降低封底混凝土高度， 又能起到拉杆的作用承受承台混凝土的自重。同时采用手拉葫芦下沉的方法合理地取消了大型浮吊设备。拉压柱是主要承力构件，其在施工过程中的焊接工作量大， 且焊接质量须严格控制。

 

 

本文编号：13963