裝配式鋼吊箱在高樁承臺施工中的應(yīng)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(jīng)理部，福建泉州 362122）

1 工程概況

泉州灣跨海大橋南岸深水區(qū)引橋承臺均為高樁承臺，承臺底標(biāo)高為-1.4 m，封底混凝土厚度為80 cm，封底混凝土底標(biāo)高為-2.2 m，海床面標(biāo)高處于-2.5 m～-6.5m之間。承臺均為矩形帶圓弧倒角結(jié)構(gòu)，承臺尺寸為9.1 m×8.0 m×3.5 m。工程所屬區(qū)域海面開闊，海床面覆蓋層為淤泥層和中細(xì)砂層，潮汐屬于正規(guī)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(qū)為典型季風(fēng)區(qū)，施工階段設(shè)計風(fēng)速35.1 m/s，最大波浪高2.44 m。承臺施工具有工程數(shù)量多，承臺底標(biāo)高在水面以下且距海床面較高等特點。結(jié)合以往施工經(jīng)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(guān)設(shè)計

鋼吊箱作為臨時結(jié)構(gòu)為承臺施工提供無水的施工環(huán)境，同時又是承臺施工模板，考慮到承臺施工數(shù)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(yù)制板代替鋼模板，待承臺澆注完成拆除吊箱側(cè)壁。為避免漲潮時海水由吊箱頂進入吊箱內(nèi)部，吊箱側(cè)模設(shè)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(jié)力不足以滿足承臺混凝土荷載作用，需要在鋼護筒外側(cè)設(shè)置剪力件伸入封底混凝土[1-2]。

2.1 側(cè)模設(shè)計

側(cè)模為三層結(jié)構(gòu)，第一層面板采用厚度為8 mm的優(yōu)質(zhì)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(shè)置兩層內(nèi)撐桁架，第一層設(shè)置于模板的中間距底部4.5 m，第二層設(shè)置于距頂部0.2 m處，桁架采用I40b型鋼進行構(gòu)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(cè)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(shè)計

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

2.3 封底混凝土設(shè)計

封底混凝土厚80 cm，承臺及鋼吊箱自重荷載遠(yuǎn)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(shè)置剪力件，剪力件由φ28鋼筋外加φ16鋼筋加強圈構(gòu)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(shè)計荷載工況

綜合考慮海水高低潮水位、吊箱內(nèi)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(dá)到設(shè)計強度后，低潮水位時，吊箱內(nèi)抽水；工況3：封底混凝土達(dá)到設(shè)計強度后，高潮水位時，吊箱內(nèi)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(cè)模荷載最不利工況。封底混凝土澆注完成后，去除吊掛系統(tǒng)，依靠封底混凝土與鋼護筒間的粘結(jié)作用來維持結(jié)構(gòu)體穩(wěn)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(cè)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(cè)模的受力計算，建立的有限元模型如圖2所示，計算結(jié)果參見表1所列。由計算結(jié)果可知，在兩種工況下各桿件組合應(yīng)力均小于允許應(yīng)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(jié)構(gòu)最大位移為w=7 mm[w]，變形滿足要求。

圖2 承臺側(cè)模計算模型

表1 承臺模板結(jié)算結(jié)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(tǒng)懸吊在鋼護筒頂，底板主要受封底混凝土、側(cè)模及底板的自重荷載。側(cè)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(jié)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(jié)構(gòu)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(shè)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(yuǎn)小于φ28鋼筋能夠抵抗荷載（126 kN）。封底混凝土內(nèi)設(shè)置的剪力件受力滿足要求，結(jié)構(gòu)安全。

3 裝配式吊箱施工工藝

3.1 搭設(shè)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(shè)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(shè)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(huán)境變?yōu)楦墒┕ぃ岣咪摰跸淦囱b精度。該項目臨時拼裝平臺標(biāo)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(yīng)安裝到位后，利用手拉葫蘆和撬桿進行微調(diào)，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(yù)埋件焊接牢固，確保板的整體性。在吊裝孔內(nèi)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(biāo)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(cè)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(yán)密不漏水。拼裝完第一層后要進行吊箱位置的調(diào)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(shè)置吊掛系統(tǒng)

吊掛系統(tǒng)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(shè)兩個分配梁，液壓千斤頂放置在兩層分配梁之間。吊掛系統(tǒng)設(shè)置完成后，吊箱承力由臨時搭設(shè)平臺轉(zhuǎn)化到吊掛系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6 設(shè)置吊掛系統(tǒng)實景

3.4 鋼吊箱模板下放定位

吊掛系統(tǒng)完成后，經(jīng)過各項詳細(xì)檢驗合格后方可進行下放作業(yè)，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(yè)，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(shè)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(fù)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(xiàn)模板下放，卸荷緩慢進行，確保承臺底模板水平。重復(fù)（1）至（4）步，直到承臺模板下放到設(shè)計標(biāo)高，將精軋螺紋鋼在下層分配梁頂端鎖死，上層分配梁周轉(zhuǎn)至下一承臺模板下放施工。吊箱下放到位后，將模板與內(nèi)側(cè)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(fā)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(dǎo)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(jié)力保持穩(wěn)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(jù)前述設(shè)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(gòu)成，剪力件直接焊接在鋼護筒側(cè)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(huán)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(yù)制板進行預(yù)制時，為了便于預(yù)制板安裝，預(yù)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(nèi)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(dǎo)管布置及澆筑工藝

封底混凝土采用導(dǎo)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(dǎo)管。導(dǎo)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(dǎo)管進行澆筑。封底混凝土導(dǎo)管采用內(nèi)徑φ275 mm、壁厚δ=8 mm的無縫鋼管制作，管節(jié)之間連接采用快速螺紋接頭。導(dǎo)管由臨時導(dǎo)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(dǎo)管上部系白棕繩，控制導(dǎo)管傾斜，并掛設(shè)手拉葫蘆控制導(dǎo)管高度，導(dǎo)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(chǎn)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(dǎo)管封底要求控制。為了保證封底混凝土施工質(zhì)量，混凝土澆筑選擇在落潮時進行，封底前在小漏斗內(nèi)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(nèi)儲滿后開啟閥門往小料斗內(nèi)放料，小料斗滿后拔塞封底，通過溜槽連續(xù)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(dǎo)管封口結(jié)束后應(yīng)及時測量其埋深與流動范圍。導(dǎo)管封底完成后，及時補料，同一導(dǎo)管兩次灌入混凝土的時間間隔控制在30 min以內(nèi)。封底混凝土厚度0.8 m，為保證導(dǎo)管有一定埋深，混凝土灌注順利時，一般不隨便提升導(dǎo)管，即使需要提管，每次提升的高度都嚴(yán)格控制導(dǎo)管的埋深不小于40 cm。灌注過程中根據(jù)灌注量，每隔一定時間測一次標(biāo)高，以指導(dǎo)布料，使混凝土均勻上升。混凝土澆注臨近結(jié)束時，全面測出混凝土面標(biāo)高，根據(jù)測量結(jié)果，對混凝土面標(biāo)高偏低的測點附近的導(dǎo)管增加灌注量，直至所測結(jié)果滿足要求。當(dāng)所有測點的標(biāo)高滿足控制要求后，結(jié)束封底混凝土灌注。封底過程中鋼圍堰側(cè)模上的連通器應(yīng)打開，保證鋼圍堰內(nèi)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(tǒng)

待封底混凝土強度達(dá)到22 MPa后便可進行吊箱內(nèi)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(tǒng)。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(tǒng)掉入水中，逐根回收。割除鋼護筒頂分配梁，周轉(zhuǎn)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(tǒng)后，承臺圍堰安裝完成，將承臺施工由水上施工變?yōu)椤瓣懙厥┕ぁ保┕すに嚤容^常規(guī)。待承臺混凝土強度達(dá)到設(shè)計要求時進行模板拆除，承臺鋼吊箱側(cè)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(jié)論與建議

（1）混凝土預(yù)制底板應(yīng)在保證能進行模板側(cè)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(shè)平臺上進行拼裝，平臺應(yīng)設(shè)置在最高潮水位1m以上，可以防止潮水對拼裝作業(yè)的影響，能保證吊箱拼裝精度，提高施工質(zhì)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(zhì)量。

（4）在封底混凝土中設(shè)置剪力件，可有效地提高混凝土與鋼護筒的粘結(jié)力。剪力件應(yīng)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(shù)規(guī)范[S].

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