海上承臺雙壁鋼吊箱圍堰設計與施工

王曉敬,馬行政

(中鐵大橋局集團第二工程有限公司, 南京 210015)

1 工程概況

大連長海縣長山大橋為連接大長山島與小長山島的海上橋梁,雙向4車道。主橋為(140+260+140) m雙塔雙索面預應力混凝土矮塔斜拉橋,橋梁結構采用塔墩梁固結的連續剛構體系。主梁箱梁中心線處梁高跨中4.5 m,主墩根部9.0 m,主墩根部57.0 m的范圍為梁高變化區間,采用二次拋物線變化,橋梁全寬23.0 m。斜拉索采用扇形布置,梁上拉索錨固點橫向間距21.6 m,斜拉索在主梁上的標準索距為4.0 m,在塔上的標準索距為0.8 m。本橋索塔采用雙柱形混凝土塔,含雙薄壁墩及墩座索塔全高71.649 m,下塔柱為雙薄壁墩,橫截面倒花瓶型,每個薄壁墩均采用2個9.0 m×1.2 m的矩形截面,中間設置1 m的斷縫,上塔柱為變截面矩形截面。大連長山大橋主橋橋型布置見圖1。主墩基礎采用19根φ2.5 m鉆孔樁,呈梅花形布置,樁中心間距5.5 m,樁基永久護筒直徑為2.7 m。承臺為正六邊形結構,尺寸為27.135 m×23.5 m,厚度5.0 m,承臺底封底混凝土厚度為2.0 m。采用雙壁鋼吊箱圍堰的施工方法進行承臺施工,雙壁鋼吊箱圍堰在成橋后作為承臺防撞結構予以保留。

圖1 長山大橋主橋橋型布置(單位：cm)

2 雙壁鋼吊箱設計條件

雙壁鋼吊箱圍堰是為主墩海上承臺施工而設計的臨時阻水結構,其作用是通過雙壁鋼吊箱圍堰側板和底板上的封底混凝土圍水,為承臺施工提供無水的施工環境。

雙壁鋼吊箱圍堰的主要特點如下：

(1)圍堰側壁采用雙壁結構,側板剛度大,內支撐材料用量少；

(2)圍堰底板采用吊箱圍堰結構形式,底板承受承臺施工封底混凝土浮重,并通過吊桿傳遞至鋼護筒,鋼護筒傳遞豎向力至地基持力層；

(3)圍堰吊掛系統始終承受圍堰自重荷載,減少了封底過程中的底板受力；

(4)圍堰用于承臺施工,圍堰與鋼護筒形成整體框架結構,抵抗水流橫向沖擊。

2.1 工況條件

根據鋼吊箱圍堰施工工作時段及設計受力狀態,可按以下幾種工況進行分析[4]：(1)拼裝下放階段；(2)封底混凝土澆筑階段；(3)抽水后承臺施工階段。

2.2 水文、結構設計條件

根據《大連長海縣長山大橋工程施工圖設計》提供水文數據,設計高水位1.98 m,設計低水位-2.03 m,浪高1.9 m。圍堰抽水水位按照1.98 m采用,圍堰雙壁頂部表格考慮浪高影響。

圍堰采用正六邊形,外輪廓尺寸25.853 m(寬)×29.852 m(長)×8.896 m(高),壁厚1.2 m。考慮圍堰側板內壁兼做承臺模板。圍堰頂高程+4.00 m,圍堰底高程-4.896 m,內支撐高程+0.9 m,承臺頂高程+2.5 m,承臺底高程-2.5 m,承臺高度5 m,封底混凝土厚2.0 m。

3 雙壁鋼吊箱的結構構造

雙壁鋼吊箱圍堰[1]主體結構包括雙壁側板、底板及龍骨、內支撐架、吊掛系統及下放系統等[2]。具體圍堰結構見圖2。

圍堰各部分結構詳述如下。

圖2 底板龍骨及側板平面布置(單位：mm)

(3)底板與側板連接。圍堰整體下放采用側板吊底板的形式,底板龍骨伸出圍堰側板以外部分采用楔塊及螺栓與側壁連接牢靠。

(4)內支撐架。內支撐架為單層鋼管支撐形式,采用φ600 mm,δ=6 mm鋼管樁,內支撐架與側板隔艙板焊接固定。內支撐架提高了雙壁鋼圍堰側板的整體剛度。

(5)封底混凝土。封底混凝土為承臺施工操作平臺。封底混凝土澆筑并達到一定強度后,圍堰與鋼護筒間產生黏結力,使圍堰具有一定抗浮及抗沉能力,抽水后進行承臺施工。

(7)下放系統。圍堰采用墩位拼裝,利用護筒下放,不需要大的起吊設備。圍堰雙壁內設置8個吊點,底板中部設置2個輔助吊點,共布置18臺600 kN千斤頂用于圍堰下放。雙壁側板內設置箱形吊耳[3],防止吊點由于應力集中而使側板受力過大。下放系統在圍堰封底完成前始終保持受力狀態。

4 雙壁鋼吊箱的設計計算

根據圍堰各個受力工況進行分析計算,然后對結構構件進行設計,最后對結構采用MIDAS Civil 2006整體建模,具體模型見圖3。

圖3 雙壁鋼吊箱圍堰計算整體模型

4.1 荷載取值

(1)圍堰所受到的水平作用有：靜水壓力荷載,呈倒三角分布于圍堰側板上；流水壓力,按均布荷載加載至圍堰長方向側板上；波浪力。根據《海港水文規范》[5]附錄K:方形或矩形柱體上波浪力的計算方法K.0.2.1:靜水面以上高度H處的波浪力為零,靜水面處的波浪力ps按

進行計算得出線性荷載為波浪力的總合力。 按靜水面處最大,波浪頂及河床底為零的波浪力分布規律進行外側板加載。

(2)圍堰所受到的豎向作用力有：①吊箱自重；②封底混凝土自重；③水的浮力；④第一次澆筑承臺自重。

(3)施工工況吊箱圍堰結構控制荷載組合如下。

側板設計荷載組合：靜水壓力+流水壓力+波浪力。

錐形瓶不能直接加熱，采用試管可避免錐形瓶直接炸裂，發生意外，還可以減少能量損耗。一般情況下，一粒種子燃燒一分鐘就能將10 mL水煮沸。若容積過大，不僅溫度變化不明顯，而且需要使用較大口徑的試管，從而還需要對易拉罐拉環口進一步裁剪，所以量取容積為15 mL的水。

下放吊掛設計荷載組合：圍堰自重+水的浮力。

底板設計荷載組合Ⅰ：封底混凝土自重+水的浮力。

底板設計荷載組合Ⅱ：圍堰自重+水的浮力。

封底混凝土受力檢算：封底混凝土自重+水的浮力+第一次澆筑承臺自重。

圍堰結構設計針對上述荷載組合進行計算。

4.2 計算內容[8]

(1)圍堰拼裝工況下護筒牛腿的設置計算；

(2)圍堰下放吊掛受力計算；

(3)高水位抽水工況下,圍堰側板的設計計算；

(4)封底混凝土澆筑時,圍堰底板和龍骨的設計計算；

(5)低水位承臺澆筑時,封底混凝土的受力計算。

4.3 計算結果

結合圍堰拼裝、下放以及承臺澆筑過程中各受力工況,對圍堰各部分取最不利工況進行計算分析,得出以下結論。

(1)底板在荷載組合Ⅰ封底混凝土水下澆筑時為控制工況,龍骨最大應力92.5 MPa,最大變形6.7 mm,滿足《鋼結構設計規范》(GB50017—2003)[6]要求。

(2)側板在水流力、波浪力以及靜水壓力荷載組合作用下,雙壁內角鋼軸力71.4 kN,水平環最大組合應力137.5 MPa,隔艙板最大組合應力73.3 MPa,內支撐最大組合應力49.3 MPa,滿足《鋼結構設計規范》(GB50017—2003)要求。

(3)承臺澆筑階段,封底混凝土的最大拉應力為0.18 MPa,封底混凝土與護筒間的黏結力為142.7 kPa<150 kPa(經驗值)。

5 雙壁鋼吊箱的施工[7]

圍堰高度不高,側板高度上不分塊,平面分為12塊,各塊側板預先工廠加工,采用原位拼裝精軋螺紋吊掛下放的施工方法,具體施工步驟如下。

(1)圍堰原位拼裝。鉆孔樁施工完成后,拆除平臺,護筒割除留有一定高度,在護筒上焊接牛腿,搭設分配梁,拼裝圍堰。底板以及側板的分塊考慮到安裝焊接的方便性。

(2)圍堰下放就位。圍堰拼裝完成,通過吊掛系統提升圍堰,拆除牛腿及分配梁,下放圍堰至設計高程,并在橫、縱橋向精確定位,施工圖片見圖4。

圖4 雙壁鋼吊箱圍堰下放至設計高程

(3)封底混凝土施工。圍堰下放就位后,在低潮位先進行各護筒吊桿的焊接,然后再在護筒口周圍堵漏,澆筑封底混凝土,封底混凝土施工過程中確保圍堰內外水頭一致。封底混凝土采用C25水下混凝土,其強度和施工滿足相應規范要求。

(4)圍堰抽水。封底混凝土強度達到規范要求后,圍堰內可進行抽水施工。抽水前設于圍堰側壁的連通器應采取措施堵塞防漏。抽水過程中若海面水位與設計不符時,應根據實際水位高程進行抽水穩定計算,從而采取相應的施工措施確保安全。

(5)承臺施工。圍堰內抽水結束后,拆除封底以上部分連接吊桿。圍堰內泥漿用水清除干凈、封底混凝土頂面突出部分相應鑿除。承臺施工按大體積混凝土體施工工藝進行,按規范或設計要求采取保溫和降溫措施。5 m厚承臺分2次澆筑完成,每次澆筑2.5 m。

7 結語

大連長山大橋位于兩島之間的海上,海風、波浪都很大,每天有2次漲落潮,墩位處水深達19 m；梅花形布置的鉆孔樁基礎,增加了圍堰內支撐布置的難度。由于考慮后期防撞要求而采用雙壁鋼吊箱圍堰的結構形式,可提供足夠大的剛度抵御風浪的作用,減少內支撐的數量,具有施工方便、整體效益強、安全性能高的特點。長山大橋主墩承臺施工采用雙壁鋼吊箱圍堰結構取得了顯著成就；節省了大型起吊設備的費用,兼作為海上橋梁主通航孔承臺防撞設施同時對海水環境中承臺鋼筋的腐蝕起到了保護和延阻的作用。

[1] 賈珍,季袁飛.淺談南京大勝關長江大橋主橋4號墩雙壁鋼吊箱圍堰施工[J].石家莊鐵路職業技術學院學報,2008,7(4)：11-15．

[2] 李德坤,李芳軍,朱云翔.深水基礎雙壁吊箱圍堰施工技術[J].鐵道標準設計,2003(S)：131-134．

[3] 程晨.南京大勝關長江大橋主橋4號墩雙壁鋼吊箱圍堰整體吊裝設計與施工[J].橋梁建設,2008(4)：20-23．

[4] 朱勇戰.西江特大橋雙壁鋼吊箱設計與施工[J].山西建筑,2010,36(9)：309-311．

[5] JTJ213—98，海港水文規范 [S]．

[6] GB50017—2003，鋼結構設計規范 [S]．

[7] 張遵明.潮汐環境中大型超重雙壁吊箱圍堰施工技術[J].現代交通技術,2008(5)：56-62．

[8] 劉愛林.寧安鐵路安慶長江大橋主塔墩深水基礎施工技術[J].鐵道標準設計,2012(2)：73-77．