裝配式鋼吊箱在高樁承臺施工中的應用

吳凱軍，蔡 田

（中交第二公路工程局有限公司泉州灣跨海大橋A3合同段項目經理部，福建泉州 362122）

1 工程概況

泉州灣跨海大橋南岸深水區引橋承臺均為高樁承臺，承臺底標高為-1.4 m，封底混凝土厚度為80 cm，封底混凝土底標高為-2.2 m，海床面標高處于-2.5 m～-6.5m之間。承臺均為矩形帶圓弧倒角結構，承臺尺寸為9.1 m×8.0 m×3.5 m。工程所屬區域海面開闊，海床面覆蓋層為淤泥層和中細砂層，潮汐屬于正規半日潮，最高潮位3.36 m，最低潮位-2.85 m，平均潮位下普遍水深1.4 m～5.7 m。橋址區為典型季風區，施工階段設計風速35.1 m/s，最大波浪高2.44 m。承臺施工具有工程數量多，承臺底標高在水面以下且距海床面較高等特點。結合以往施工經驗，確定選擇裝配式鋼吊箱法進行承臺施工。

2 裝配式鋼吊箱相關設計

鋼吊箱作為臨時結構為承臺施工提供無水的施工環境，同時又是承臺施工模板，考慮到承臺施工數量多、潮水水位高、施工工期緊等特點，吊箱底模采用鋼筋混凝土預制板代替鋼模板，待承臺澆注完成拆除吊箱側壁。為避免漲潮時海水由吊箱頂進入吊箱內部，吊箱側模設計高7.5 m。吊箱采用C20水下混凝土進行封底，封底厚度80 cm，承臺澆筑方量56.2 m3，封底混凝土與鋼吊箱之間的粘結力不足以滿足承臺混凝土荷載作用，需要在鋼護筒外側設置剪力件伸入封底混凝土[1-2]。

2.1 側模設計

側模為三層結構，第一層面板采用厚度為8 mm的優質鋼板，第二層橫肋采用[10#型鋼，間距40 cm；第三層豎肋采用][20b#型鋼，間距75 cm；法蘭為100×14 mm的扁鋼。設置兩層內撐桁架，第一層設置于模板的中間距底部4.5 m，第二層設置于距頂部0.2 m處，桁架采用I40b型鋼進行構造支撐。外桁架采用I40b型鋼對吊箱進行加固鎖緊，與模板豎肋之間采用螺栓進行連接，桁架按間距1 m進行布置。側模共分為42塊，沿高度方向分3層，每層由12塊模板拼組而成，單塊模板最大尺寸2.25 m×2.5 m。

2.2 底模設計

底模由四塊鋼筋混凝土預制板組成，每塊板設置兩個預留孔，四個吊點，預留孔孔徑50 mm。每塊預制板在對應樁基位置設置比樁基鋼護筒外徑大20 cm的預留孔，方便拼裝。為滿足受力需求，預制板厚度為16 cm，內設兩層φ16 mm的鋼筋，層間距10 cm；上層鋼筋網鋼筋間距20 cm，下層15 cm。

2.3 封底混凝土設計

封底混凝土厚80 cm，承臺及鋼吊箱自重荷載遠大于封底混凝土與鋼護筒之間的握裹力。為滿足受力要求需設置剪力件，剪力件由φ28鋼筋外加φ16鋼筋加強圈構成，每根鋼護筒上布置16個剪力件，剪力件大樣如圖1所示。

圖1 剪力件大樣圖（單位：mm）

2.4 受力分析

2.4.1 設計荷載工況

綜合考慮海水高低潮水位、吊箱內清淤及排水、封底及承臺混凝土澆筑前后施工情況，共需分5個工況進行吊箱受力驗算，具體如下：

工況1：吊箱下放加固完成，澆注封底混凝土；工況2：封底混凝土達到設計強度后，低潮水位時，吊箱內抽水；工況3：封底混凝土達到設計強度后，高潮水位時，吊箱內抽水；工況4：低潮水位時澆注承臺混凝土；工況5：高潮水位時澆注承臺混凝土。工況1為吊箱底板受力最不利情況，工況3和工況4為吊箱側模荷載最不利工況。封底混凝土澆注完成后，去除吊掛系統，依靠封底混凝土與鋼護筒間的粘結作用來維持結構體穩定，因此需在工況3和工況4下進行封底混凝土受力驗算。

2.4.2 側模受力分析[3-4]

采用MIDAS建立有限元模型，分別在工況3和工況4下進行側模的受力計算，建立的有限元模型如圖2所示，計算結果參見表1所列。由計算結果可知，在兩種工況下各桿件組合應力均小于允許應力188.5 MPa，受力滿足要求。允許撓度[w]=L/500，取高度方向桿件L=7.5 m為最小尺寸，允許撓度[w]=15 mm，計算整體結構最大位移為w=7 mm[w]，變形滿足要求。

圖2 承臺側模計算模型

表1 承臺模板結算結果一覽表

2.4.3 底板受力分析

封底混凝土厚度為80 cm，在工況1情況下，底板依靠吊掛系統懸吊在鋼護筒頂，底板主要受封底混凝土、側模及底板的自重荷載。側模自重按60 t計，以均布荷載的形式加載于承臺吊箱底板四周，新澆注封底混凝土對吊箱底板作用荷載為20 kN/m2，吊箱底板混凝土重度取25 kN/m2。

2.4.4 封底混凝土受力分析

鋼護筒直徑為2.8 m，封底厚度80 cm，封底混凝土與鋼護筒之間的粘結力按照k=15 t/m2計算，則封底混凝土與鋼護筒之間的握裹力f=4220.2 kN。吊箱自重G1=999 kN，80 cm厚封底混凝土自重G2=1377.6 kN，承臺混凝土自重G3=7187.5 kN，高潮位時水對吊箱浮力F=5781 kN。分別在工況3和工況4情況下計算封底混凝土受力能否滿足要求。

工況3：此工況鋼吊箱為抗浮計算，吊箱結構體自重荷載G=G1+G2=2376.6（kN），封底混凝土與鋼護筒之間需要提供的握裹力為F-G=3404.4 kN

工況4：設置剪力件后，工況4情況下剪力件需承受荷載為G-f=5143.9 kN，平均每個剪力件受力80.4 kN，遠小于φ28鋼筋能夠抵抗荷載（126 kN）。封底混凝土內設置的剪力件受力滿足要求，結構安全。

3 裝配式吊箱施工工藝

3.1 搭設臨時拼裝平臺

為了鋼吊箱安裝方便、安全，確保拼裝精度，在鋼護筒上設置臨時拼裝平臺進行鋼吊箱的拼裝施工（見圖3）。拼裝平臺采用I25b型鋼貫穿鋼護筒為承力梁，工字鋼與鋼護筒中心線距離為15 cm，確保吊桿的穿越。最高潮水位+3.36 m，臨時拼裝平臺需搭設在最高潮位之上，確保鋼吊箱拼裝不受潮水影響，從而將施工環境變為干施工，提高鋼吊箱拼裝精度。該項目臨時拼裝平臺標高確定為+4.5 m。

圖3 臨時拼裝平臺型鋼布置圖（單位：mm）

3.2 吊箱拼裝

底板的初步拼裝采用汽車吊進行，底板分為四塊，每塊都有獨立的編號，對應安裝到位后，利用手拉葫蘆和撬桿進行微調，使四塊板在同一水平面拼裝成整體（見圖4）。完成后將板與板之間的預埋件焊接牢固，確保板的整體性。在吊裝孔內穿上精軋螺紋鋼吊桿。吊桿外套PVC管，套管與底板之間接縫采用膠布進行包裹密實，保證澆筑混凝土的過程中不污染吊桿，方便吊桿拆卸。底板拼裝完成后利用全站儀及鋼尺標識出模板安裝輪廓線，以及位置控制線，再采用70 t履帶吊拼裝吊箱側模，拼裝時采用分塊分層進行，模板拼接縫之間采用10 mm厚的橡膠條再涂刷1～1.5 mm的膠水進行拼接，保證拼縫嚴密不漏水。拼裝完第一層后要進行吊箱位置的調整精確定位，保證以后拼裝的模板位置及垂直度等能精確控制（見圖5）。

圖4 底板拼裝完成實景

圖5 吊箱拼裝完成實景

3.3 設置吊掛系統

吊掛系統由分配梁和吊桿組成，分配梁為I40b雙拼，吊桿為Φ32精軋螺紋鋼。鋼護筒頂需設兩個分配梁，液壓千斤頂放置在兩層分配梁之間。吊掛系統設置完成后，吊箱承力由臨時搭設平臺轉化到吊掛系統，如圖6所示。

圖6 設置吊掛系統實景

3.4 鋼吊箱模板下放定位

吊掛系統完成后，經過各項詳細檢驗合格后方可進行下放作業，吊箱下放采用8臺50t千斤頂進行多點同步下放。下放時要在退潮時進行作業，盡量在整個下放過程中吊箱處于水面以上不受水流力和波浪力影響，如圖7所示。

圖7 吊箱下放實景

千斤頂設置在鋼護筒頂分配梁和措施分配梁之間，下放過程如下：（1）將精軋螺紋鋼在下層分配梁頂端鎖死，在上層分配梁頂端放松。（2）頂升千斤頂，頂升過程中保證每臺千斤頂負荷均衡。（3）將精軋螺紋鋼在上層分配梁頂端鎖死，在下層分配梁頂端放松。（4）將千斤頂卸荷，實現模板下放，卸荷緩慢進行，確保承臺底模板水平。重復（1）至（4）步，直到承臺模板下放到設計標高，將精軋螺紋鋼在下層分配梁頂端鎖死，上層分配梁周轉至下一承臺模板下放施工。吊箱下放到位后，將模板與內側鋼護筒及周圍鋼管樁焊接支撐梁加固，確保在海浪作用下吊箱模板不發生位移。

3.5 封底混凝土施工

鋼吊箱封底混凝土為C20水下混凝土，封底厚度80 cm，澆筑方量52.6 m3，采用導管進行水下澆筑。

3.5.1 焊接剪力件

吊桿拆除后，鋼吊箱將依靠封底混凝土與鋼護筒之間的粘結力保持穩定，為保證封底混凝土與鋼護筒之間的握裹力滿足要求，需在鋼護筒上焊接剪力件，根據前述設計可知，剪力件焊接在封底混凝土頂面以下10 cm鋼護筒上，沿鋼護筒周長需均勻布置16個。剪力件由φ28鋼筋外加φ16鋼筋加強圈構成，剪力件直接焊接在鋼護筒側壁上，焊接采用雙面焊接，焊接長度為15 cm，每個鋼護筒焊接16個剪力件。所有焊件均進行鍍鋅防腐處理，焊縫采用環氧粉末進行噴涂，如圖8、圖9所示。

圖8 剪力件鍍鋅處理實景

圖9 剪力件焊接完成實景

3.5.2 封堵底板縫隙

混凝土預制板進行預制時，為了便于預制板安裝，預留的鋼護筒孔洞直徑比鋼護筒直徑大20 cm，因此底板與鋼護筒之間有10 cm的空隙需要封堵，防止混凝土澆筑時漏掉。采用3 mm鋼板加工三段圓弧，圓弧寬度15 cm，內徑與鋼護筒外徑相同，將圓弧鋼板在空隙處拼接，并與鋼護筒焊接牢固。將鋼護筒外壁焊渣及其他雜物進行清理，使其表面雜物清除干凈，如圖10所示。

圖10 堵漏鋼板實景

3.5.3 導管布置及澆筑工藝

封底混凝土采用導管分次對稱澆筑，整個平臺在鋼護筒邊緣約50 cm處布置4根導管。導管懸空底板控制在10～20 cm之間，用拔板法進行封底，封底完成后采用臥泵直接泵送混凝土入導管進行澆筑。封底混凝土導管采用內徑φ275 mm、壁厚δ=8 mm的無縫鋼管制作，管節之間連接采用快速螺紋接頭。導管由臨時導管定型卡固定在操作平臺上，操作平臺主要由I25b型鋼、平臺木板及欄桿組成，如圖11所示。導管上部系白棕繩，控制導管傾斜，并掛設手拉葫蘆控制導管高度，導管頂口與小集料斗相接。

圖11 混凝土澆筑操作平臺實景

3.5.4 封底混凝土澆注

混凝土采用生產能力120 m3/h的攪拌站拌制。水下封底混凝土采用大集料斗集料，溜槽分配到小料斗，大集料斗容量按導管封底要求控制。為了保證封底混凝土施工質量，混凝土澆筑選擇在落潮時進行，封底前在小漏斗內涂抹黃油、鋪塑料薄膜，用塞子堵住管口并用浮吊掛住塞子，待封口大集料斗內儲滿后開啟閥門往小料斗內放料，小料斗滿后拔塞封底，通過溜槽連續供料，使封底不間斷地進行。

封底混凝土施工時，作好測深工作并做好記錄；每根導管封口結束后應及時測量其埋深與流動范圍。導管封底完成后，及時補料，同一導管兩次灌入混凝土的時間間隔控制在30 min以內。封底混凝土厚度0.8 m，為保證導管有一定埋深，混凝土灌注順利時，一般不隨便提升導管，即使需要提管，每次提升的高度都嚴格控制導管的埋深不小于40 cm。灌注過程中根據灌注量，每隔一定時間測一次標高，以指導布料，使混凝土均勻上升?；炷翝沧⑴R近結束時，全面測出混凝土面標高，根據測量結果，對混凝土面標高偏低的測點附近的導管增加灌注量，直至所測結果滿足要求。當所有測點的標高滿足控制要求后，結束封底混凝土灌注。封底過程中鋼圍堰側模上的連通器應打開，保證鋼圍堰內外水位差基本一致，保證封底混凝土不受水頭壓力作用而破壞。

3.6 拆除吊掛系統

待封底混凝土強度達到22 MPa后便可進行吊箱內抽水，抽水時封閉連通器，盡量在低潮位時進行。抽水完成后拆除吊掛系統。吊桿回收時先松鋼護筒頂部分配梁上的螺母，然后再松承臺底部承重分配梁的螺母，抽出吊桿，將下承重系統掉入水中，逐根回收。割除鋼護筒頂分配梁，周轉至下一承臺施工。

3.7 鋼吊箱模板拆除

封底混凝土澆筑完成，拆除吊掛系統后，承臺圍堰安裝完成，將承臺施工由水上施工變為“陸地施工”，施工工藝比較常規。待承臺混凝土強度達到設計要求時進行模板拆除，承臺鋼吊箱側板使用履帶吊自上而下分塊拆除，承臺底板將作為承臺封底混凝土一部分不進行拆除。

4 結論與建議

（1）混凝土預制底板應在保證能進行模板側壁拼裝的原則下盡量減小平面尺寸，保證承臺的外觀美。

（2）裝配式吊箱在臨時搭設平臺上進行拼裝，平臺應設置在最高潮水位1m以上，可以防止潮水對拼裝作業的影響，能保證吊箱拼裝精度，提高施工質量。

（3）在吊箱下放施工中，千斤頂盡量保證同步性，避免不均勻下放影響模板的拼裝質量。

（4）在封底混凝土中設置剪力件，可有效地提高混凝土與鋼護筒的粘結力。剪力件應確保不深入承臺混凝土，以免加速承臺混凝土的腐蝕，破壞承臺混凝土強度。

[1]JTGT F50-2011，公路橋涵施工技術規范[S].

[2]范立礎.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2003.

[3]周水興，等.路橋施工計算手冊[M].北京：人民交通出版社，2004.

[4]張俊義.橋梁施工常用數據手冊[M].北京：人民交通出版社，2005.