鋼筋砼套箱圍堰受力分析及預制安裝施工

摘要：結合青島海灣大橋第四合同段承臺圍堰施工，對鋼筋混凝土套箱圍堰在不同條件下受力情況進行了分析，并介紹了鋼筋混凝土套箱圍堰的預制、安裝技術。

關鍵詞：混凝土套箱圍堰 受力分析 預制 安裝技術

1 工程簡介

青島海灣大橋位于膠州灣北部，是我國北方海域首座跨海特大橋，主線全長26.767km，黃島連接線長0.827km，紅島連接線長1.3km。該橋位于膠州灣深水區，地質情況復雜，技術工藝要求高。其中第4合同段全部為群樁基礎橋墩，一個承臺下設4根直徑為1.6m鉆孔灌注樁，承臺采用四邊形圓倒角承臺，頂標高全部為0.30，承臺厚3.0m，平面尺寸為6.8m×6.8m。

2 施工方案選擇

經過對技術方案及技術經濟比較并綜合考慮工期要求，本合同段承臺施工采用鋼筋混凝土套箱+鋼套箱的施工方案，混凝土套箱的內部凈尺寸和承臺尺寸一致，頂標高為承臺頂標高，混凝土套箱作為永久性結構，承臺施工結束后不再拆除。鋼套箱頂標高為+3.5，作為承臺施工時的擋水結構，等承臺施工結束后進行周轉使用。

3 鋼筋混凝土套箱圍堰受力分析

根據結構力學原理，圍堰在吊裝過程中、混凝土澆筑前和混凝土澆筑后這三種情況下，受力最復雜，而且也最易出現安全問題，因此對這三種受力狀態進行分析。在受力分析時，由于鋼筋混凝土套箱形狀很規則，所有實體單元都可以按照六面體單元考慮，單元尺寸100mm×100mm×100mm。

3.1 吊裝時受力分析

根據計算，吊裝過程中的鋼筋混凝土單元最大壓應力為2.0Mpa，最大拉應力為4.5Mpa，最大變形0.1mm，考慮到吊裝過程中的沖擊作用，按2.2倍重力加速度進行計算，則吊裝過程中的鋼筋混凝土單元最大壓應力為4.4Mpa，最大拉應力為9.9Mpa，最大變形0.2mm。根據設計資料可知，單元配筋所承受拉力按全部作用于配筋φ22（鋼筋抗拉強度Rg為3400kg/cm2，以下同），則可計算出：

99kg/cm2×10cm×10cm=9900kg

σ=9900/((3.14×2.22)/4)=2605kg/cm2

3.2 混凝土澆筑前受力分析

根據分析，承臺混凝土澆筑前，套箱內抽干水后，當海水面處于高潮位時受力最大，荷載組合為自重加圍堰外水壓力。

澆筑前套箱水平方向鋼筋混凝土單元最大壓應力為10.5Mpa，最大拉應力為7.4Mpa，套箱最大變形0.176mm。根據設計資料可知，單元配筋所承受拉力按全部作用于配筋φ18，則有：

74kg/cm2×10cm×10cm=7400kg

σ=7400/((3.14×1.82)/4)=2909kg/cm2

根據設計，套箱采用C30混凝土，設計強度Rh=21Mpa>單元最大壓應力10.5Mpa，滿足要求。

澆筑前套箱豎直方向鋼筋混凝土單元最大壓應力為3.3Mpa，最大拉應力為4.2Mpa。根據設計資料可知，單元配筋所承受拉力按全部作用于配筋φ22，則有：

42kg/cm2×10cm×10cm=4200kg

σ=4200/((3.14×2.22)/4)=1105kg/cm2

單元最大壓應力3.3Mpa<混凝土設計強度Rh=21Mpa，滿足要求。

3.3 承臺澆注后受力分析

根據分析，混凝土套箱圍堰在承臺澆筑時，還要承受承臺鋼筋混凝土重量及澆注混凝土時產生的側壓力等荷載作用。

根據《公路橋涵設計技術規范》和《公路橋涵施工技術規范》，底部側壓力按75Kpa考慮，振搗砼時產生的荷載，垂直面模板按4kPa考慮，底板混凝土壓力P=25×3=75Kpa。

水壓力：按低水位時不計水壓力進行計算。

澆筑前套箱水平方向鋼筋混凝土單元最大拉應力為8.89Mpa，最大壓應力為7.07Mpa。根據設計資料可知，單元配筋所承受拉力按全部作用于配筋φ18，則有：

88.9kg/cm2×10cm×10cm=8890kg

σ=8890/((3.14×1.82)/4)=3495kg/cm2>Rg=3400kg/cm2，滿足要求。

單元最大壓應力7.07Mpa<混凝土設計強度Rh=21Mpa，滿足要求。

澆筑前套箱豎直方向鋼筋混凝土單元最大壓應力為3.54Mpa，最大拉應力為6.69Mpa。

根據設計資料可知，單元配筋所承受拉力按全部作用于配筋φ22承受，則有：

66.9kg/cm2×10cm×10cm=6690kg

σ=6690/((3.14×2.22)/4)=1760kg/cm2

單元最大壓應力3.54Mpa<混凝土設計強度Rh=21Mpa，滿足要求。

4 承臺混凝土套箱制作及吊裝施工

混凝土套箱采用預制場集中預制，采用起重船裝船出運。現場采取起重船安裝，混凝土套箱圍堰的上部臨時鋼套箱圍堰。大型定型鋼模板由鋼構件加工廠施焊成型，在自航駁上焊接拼裝完成，整體吊裝。混凝土套箱下放至設計標高位置利用吊架臨時懸掛在鋼護筒上并利用反壓牛腿等設施臨時固定，套箱底部與灌注樁鋼護筒之間采取充氣膠囊止水。利用低潮時間抽干水進行永久固定，體系轉換完成后安裝上部鋼套箱圍堰。

4.1 圍堰施工工藝流程

4.2 混凝土套箱預制

套箱施工為整體一次性施工，整體吊裝出運、安裝。

4.2.1 鋼筋施工

鋼筋加工在鋼筋加工場進行，所有鋼筋加工均按圖紙要求長度作料，凡大于原材料長度的設計鋼筋均采用對焊方法接長。鋼筋對焊用一臺100KW對焊機擔負，鋼筋接頭采用閃光對焊。加工廠設置一條20m鋼筋冷拉線，擔負鋼筋調直、除銹及對焊接頭初驗，鋼筋單控冷拉，冷拉率控制1%。鋼筋下料由兩臺切割機和兩臺彎筋機擔負。原材料按不同規格分批堆存并設有標牌，成品鋼筋按綁扎順序分類存放并設標牌，鋼筋存放用石條支墊，高于場內地坪300mm。成型鋼筋水平運輸，由人力（長筋）或平板車拖車（短筋）運往綁扎臺座或網片綁扎區。在預制場內垂直運輸由塔吊擔負。

4.2.2 模板施工

根據套箱預制工期要求和現有的工藝水平，設計模板共計8套，D型3套，E型5套。內、外模均分4片，單片重量不超多6噸。

模板板面為5mm鋼板，水平通肋為[8，間距300mm，豎向肋板為5mm鋼板，寬50mm，間距300mm。外圍設豎向桁架，桁架間距為600mm。將桁架之間連接起來，形成上下各一道水平桁架。桁架外圍設[10圍囹，加強桁架的整體性。模板上部鋪設3mm鋼板做為施工平臺，內、外模均按安全操作規程設置欄桿。

模板加工、拼裝主要在混凝土拼裝臺座和鋼胎模上進行，模板拼裝結束后將板面除銹，均勻涂抹脫模劑。桁架、圍囹均刷防銹漆。

模板拆除應先拆芯模、后拆外模，外模按先安的后拆、后安的先拆的順序進行。

4.2.3 套箱混凝土施工

砼由拌和樓集中拌和供應，拌和車水平運輸，門機或塔吊吊罐垂直運輸入模為主，輔以泵車泵送砼入模，吊罐1.5m3。砼澆筑采用水平分層澆筑法：分層厚度不大于50cm；入模砼坍落度為10～12cm。澆注順序：先澆筑底板，后澆筑側壁。澆筑時配6名振搗手；采用Φ50軟軸長5m～6m的高頻插入式振搗棒，振點間距30cm，振搗時間20～30秒；配3名瓦工負責底板及側壁頂層刮漿、抹面。

砼養護使用自來水通過水池和泵壓送到套箱臺座采用噴水方式養護。

4.3 混凝土套箱出運

預制完成后利用200t龍門吊出運裝船，現場200t起重船安裝。運輸方駁為自航式1000t（50×12m）、2000t（75×13.3m）平板駁，每次可裝運混凝土套箱4個，裝船完成后沿指定航道水上運送到安裝現場。

4.4 混凝土套箱安裝、定位

4.4.1 安裝效率計算

因鋼護筒頂面均高出海面，安裝前統一將鋼護筒找平，臨時導向裝置直接吊裝安放在鋼護筒上。

砼套箱安放考慮1h作業時間；方駁吊機提前在對側站位協助安裝4個反壓支撐牛腿用時1h；測量控制定位0.5h；潛水員安放鋼護筒與套箱底孔之間的止水膠囊用時0.5h；按最大套箱容量7.7×7.7×3.5=208m3計，配備4臺實際流量約100m3/h的QY160-5-3型潛水泵（額定流量160m3/h）、用于底板積水和集水井抽水用的4臺有效流量約10m3/h的QDX15-7-0.55型潛水泵（額定流量15m3/h），可以在1h內完成砼套箱內抽水工作；焊接鋼護筒與砼套箱底板間的連接鋼板（考慮4臺電焊機）、護筒內砼鑿除工作4h；體系轉換、扁擔梁拆除、臨時支撐1h；鋼套箱安裝調整、切除鋼護筒1h。

總歷時為：1+1+0.5+0.5+1+4+1+1=10h，因施工歷時大于6h的低潮砼套箱外露時間，則焊接工作安排在一個有效工作日的2個連續低潮內完成。增加1次抽水時間1h，歷時11h小于2個低潮的12h，滿足要求。

4.4.2 砼套箱的安裝

套箱用起重船吊裝，選小潮流落潮且天氣較好時施工。安裝時，起重船調整船位，仰俯轉動臂桿，起重船垂直于大橋軸線駐位。套箱扁擔梁吊架以上采用4點吊，扁擔梁吊架以下的吊索直接鎖砼套箱底板上用于體系轉換的吊耳板。并用系在套箱兩側的風纜協助，使套箱逐漸與各樁相對應。

為便于砼套箱底孔與灌注樁鋼護筒的套接，安裝前提前在鋼護筒頂面安放圓臺形臨時導向塊（見下頁臨時導向裝置示意圖），然后緩緩落鉤使套箱套入灌注樁鋼護筒，利用頂扁擔梁支撐在鋼護筒中心位置使砼套箱在重力的作用下在已測設好的護筒頂面上坐實穩定、安裝到位。起重船摘鉤撤出。

使用帶調節的反壓和支撐牛腿固定與鋼護筒上，測量控制調整平面位置和標高并用螺栓鎖緊，臨時固定砼套箱。

在鋼護筒與砼套箱底板之間的縫隙安放止水膠囊，低潮時套箱內采用水泵抽水形成干施工條件后，利用型鋼焊連鋼護筒與砼套箱，起固定砼套箱作用，防止其在水流波浪等荷載作用下發生位移。并在鋼套箱安裝后完成體系轉換。

4.4.3 砼套箱安裝定位

砼套箱的安裝線，可依據實測的樁心偏位進行放樣。也可采用RTK背包沿樁邊進行放樣。安裝線標記校核方法如下：

標記線間距與計算值相符；

每組承臺同向邊線標記應8點共線；

每組承臺端線標記應符合設計承臺間距。

5 結束語

施工實踐證明，采用鋼筋混凝土套箱+鋼套箱的施工方案進行承臺施工，施工技術安全可靠，不僅提高了工作效率、節省了工程費用，而且有效地保護了承臺混凝土不被海水中的氯離子侵蝕，圍堰在施工過程中工作狀態良好，可以達到滿意的效果，本項施工技術在青島海灣大橋承臺施工中進行了廣泛的應用。

參考文獻：

[1]《公路橋涵施工技術規范》JTJ041-2000.人民交通出版社.

[2]《實用土木工程手冊》.楊文淵編.人民交通出版社.1983.北京.

[3]《橋梁深水基礎》.(劉自明編).人民交通出版社.2004年4月.