東海大橋承臺(tái)混凝土套箱分塊拼接施工安全分析

黃向平，莫景逸

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海市 200030）

0 前言

東海大橋是舉世矚目的上海國際航運(yùn)中心洋山深水港區(qū)最主要的工程之一。大橋從蘆潮港開始至洋山深水港區(qū)，總長度達(dá)31.053 km，工程規(guī)模巨大。大橋所處海區(qū)海況惡劣，一年中海上安裝工程有效作業(yè)天數(shù)為180 d,可供混凝土澆筑的天數(shù)也僅為240 d。整座大橋從2002年8月開始施工，須在2005年底竣工完成。

非通航孔橋梁的承臺(tái)套箱分兩類：圓套箱和方套箱。其中圓套箱施工已順利展開，一天最多可安裝4個(gè)套箱，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)；方套箱長27.85 m，寬 10.2 m，高 4.35 m，體積較大，原計(jì)劃采用鋼套箱方案。混凝土圓套箱的順利安裝增強(qiáng)了施工單位采用混凝土套箱的信心，提出大套箱是否能采用混凝土套箱，將混凝土圓套箱的施工工藝推廣到大套箱上。這樣，整個(gè)非通航孔的承臺(tái)安裝的工期都可得到保證。

1 承臺(tái)套箱施工方案

國內(nèi)大江大河上的橋梁承臺(tái)套箱大都采用鋼套箱，工藝較成熟。但是，在東海大橋使用鋼套箱有其自身的特點(diǎn)：一是東海大橋?qū)偻夂９こ蹋鸪撎紫涑蔀橐坏离y度和風(fēng)險(xiǎn)較高的工序；二是東海大橋橋墩工程量大，鋼套箱需周轉(zhuǎn)才能保證施工方案的經(jīng)濟(jì)性，從安裝到拆除需幾個(gè)月的時(shí)間，這期間螺栓可能銹蝕且位置在封底混凝土底部，須選擇在天氣好、潮位低的時(shí)候進(jìn)行。受天氣潮位的影響，鋼套箱的周轉(zhuǎn)次數(shù)很難保證。

若采用混凝土套箱，承臺(tái)澆完后不用拆除，受天氣潮位的影響相對(duì)小，施工更安全，經(jīng)濟(jì)更合理。但是混凝土套箱重量較大，對(duì)運(yùn)輸和起吊設(shè)備的要求較高。若采用整體吊裝方案，需要大型浮吊，現(xiàn)有的吊裝設(shè)備不能充分利用；而采用分兩塊拼接方案，每一塊的重量與整個(gè)圓套箱的重量相當(dāng)，能夠充分利用現(xiàn)有的設(shè)備條件，實(shí)現(xiàn)快速安裝承臺(tái)套箱的目的。

經(jīng)過認(rèn)真權(quán)衡鋼套箱和混凝土套箱的優(yōu)缺點(diǎn)，本著盡可能減少海上作業(yè)時(shí)間，盡快提高套箱剛度的原則，提出了將方套箱分兩U形吊裝，水上拼接的施工方案，施工流程如下：

陸上分片預(yù)制套箱→方駁上拼裝U形套箱→起吊U形套箱→將兩片U形套箱正確定位并支撐在樁上→連接好樁頂和鋼扁擔(dān)，焊好拼裝部分鋼梁、鋼板→澆灌封底混凝土→現(xiàn)澆套箱壁濕接頭→封底混凝土達(dá)到85%強(qiáng)度后，拆除部分鋼扁擔(dān)，澆筑第一層承臺(tái)混凝土→第一層承臺(tái)混凝土達(dá)到85%強(qiáng)度后，拆除全部鋼扁擔(dān)，澆筑第二層承臺(tái)混凝土。

2 套箱構(gòu)造

整個(gè)套箱長27.85 m，寬10.2 m，承臺(tái)內(nèi)布置16根鋼樁，空間有限元模型見圖1。套箱中間處設(shè)置鋼扁擔(dān)（見圖2），并擱置在樁上，套箱吊裝時(shí)吊點(diǎn)設(shè)在鋼扁擔(dān)上；套箱底部采用鋼底板結(jié)合鋼底梁來承受澆筑混凝土的重量；在樁間的鋼扁擔(dān)與鋼底梁設(shè)吊桿以減小底梁跨徑。因套箱分塊吊裝，則半個(gè)套箱呈開口U形，開口處設(shè)桁架（見圖3）保證套箱具有足夠的剛度以防變形。

3 計(jì)算分析

3.1 荷載標(biāo)準(zhǔn)

圖1 方套箱空間有限元模型

圖2 方套箱鋼扁擔(dān)布置圖(單位：mm)

圖3 方套箱桁架布置圖（單位：mm）

從開始安裝套箱到施工完承臺(tái)只需經(jīng)歷幾十天時(shí)間，取過大的波浪可能造成套箱設(shè)計(jì)上的浪費(fèi)，過小的波浪則可能不滿足施工安全。不同的工序其施工風(fēng)險(xiǎn)性也不一樣，經(jīng)過研究，套箱拼接前的水位采用施工期水位及波高，套箱拼接后的水位施工期水位與使用期的水位都考慮，波高采用5 a一遇的波高，取最不利控制計(jì)算。

（1）施工水位：1.86 m

（2）施工期波流：表層流速為2.53 m/s（套箱）；垂線平均流速為1.93 m/s（基樁）；波浪要素H4%：2 m，T:5.05 s，L:38.6 m

（3）設(shè)計(jì)高水位：2.48 m

3.2 計(jì)算工況

套箱吊裝、安放須選擇較好的天氣，在波浪不大，低潮位的時(shí)候進(jìn)行。因此，吊裝、安放兩階段僅考慮套箱自重。

考慮到海上自然條件較差，受風(fēng)浪、流、潮水影響大，在一個(gè)潮水內(nèi)把兩個(gè)U形連接好，但不一定都能當(dāng)天澆完封底混凝土，這樣未澆封底混凝土的套箱就要經(jīng)受風(fēng)浪荷載的考驗(yàn)。

澆完封底混凝土到封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度這段時(shí)間，封底混凝土作為荷載，暴露在海上有一定的時(shí)間段。此時(shí)結(jié)構(gòu)是否能承受得了大浪，是否會(huì)影響封底混凝土的凝結(jié)質(zhì)量，是計(jì)算的關(guān)鍵。

封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，拆除部分鋼扁擔(dān)和吊桿，封底混凝土作為結(jié)構(gòu)的一部分計(jì)算。封底完成后須抽水，因此這兩個(gè)階段的計(jì)算都需考慮靜水浮力。靜水浮力和波浪浮托力的疊加可能控制底板的配筋。表1為各計(jì)算工況。

表1 計(jì)算工況

3.3 受力特點(diǎn)

（1）與圓套箱相比，大套箱受波浪作用方向的影響更大，長度寬度方向的剛度不同，波浪控制方向?yàn)閷挾确较颉?/p>

（2）圓套箱壁為拱形，受波浪作用后，受力表現(xiàn)出軸力大彎矩小的特征，大套箱的長邊為直線形，受浪后表現(xiàn)出軸力小彎矩大的特征。

（3）大套箱由兩個(gè)U形拼接而成，吊裝、擱置的初始偏位可能造成拼接困難，整個(gè)過程需注意位移控制。需足夠剛度的桁架保證吊裝擱置過程的U形不產(chǎn)生過大的變形。

（4）封底混凝土達(dá)到強(qiáng)度前，套箱內(nèi)剛度取決于套箱內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)，含鋼扁擔(dān)、鋼底板及底梁，鋼扁擔(dān)、鋼底梁是結(jié)構(gòu)剛度的關(guān)鍵；封底混凝土達(dá)到強(qiáng)度后，整個(gè)套箱具有一定的剛度，鋼扁擔(dān)的變形較小，受力就相應(yīng)變小，鋼底梁、底板成為混凝土底板的一部分，封底混凝土是結(jié)構(gòu)剛度的關(guān)鍵。

（5）承臺(tái)內(nèi)樁間距離不大，豎向荷載在混凝土底板引起的彎矩遠(yuǎn)小于水平荷載。豎向荷載作用下，在應(yīng)力圖上表現(xiàn)為樁周頂部受拉，跨中底部受拉；在水平波浪力作用下，樁周一側(cè)頂部受拉，另一側(cè)底部受拉。

（6）套箱與承臺(tái)相比，具有同樣的受浪面，但套箱的豎向力及剛度比承臺(tái)小得多，因此樁的應(yīng)力變形都較大，應(yīng)考慮這個(gè)施工階段的樁的受力及變形是否超過使用階段。使用套箱法施工承臺(tái)時(shí)，樁基設(shè)計(jì)須考慮因套箱吊放可能造成樁基變形而引起的永久內(nèi)力因素。

4 套箱設(shè)計(jì)施工要點(diǎn)

（1）承臺(tái)的重量通過底板傳遞到樁上，計(jì)算中偏安全地假定樁與底板之間的連接為鉸接。施工中要采取一定措施保證樁與底板之間力的有效傳遞。封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度前，可采取鋼底梁與樁焊接或加抱箍等措施，封底混凝土設(shè)計(jì)時(shí)，可在封底混凝土中適當(dāng)配筋保證樁與底板的連接。可根據(jù)不同的樁型采取不同措施，直樁應(yīng)采取更多的措施，因?yàn)橹睒稑吨芊獾谆炷翆⒊惺芎艽蟮募袅Γㄟ^適當(dāng)配筋，既保證力的有效傳遞又保證樁周的封底混凝土不被剪壞。對(duì)于斜樁，這部分力除了由封底混凝土與樁之間的粘接力承擔(dān)外，還有斜樁的彈力支承，故比直樁安全。

（2）當(dāng)套箱安裝后，如果兩個(gè)U形套箱安上后未拼接而遇到較大波浪作用，樁基彎矩以及樁頂位移都是較大的，故在套箱安裝后應(yīng)盡快拼接，盡量縮短中間間隙時(shí)間，降低在此期間出現(xiàn)較大波浪作用的概率，防止在此期間遇到較大波浪而使套箱產(chǎn)生位移，造成控制套箱安裝精度不便。

（3）原則上在套箱安裝就位后，應(yīng)抓緊完成各種鋼結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)、塞縫、排水，在預(yù)埋底板鋼筋、吊筋與預(yù)埋件后，盡快澆筑封底混凝土，以使橋墩基礎(chǔ)及早成為整體，以抵抗可能發(fā)生的較大波浪荷載，并應(yīng)避免空箱情況下承受較大波浪荷載的情況，確保工程安全。

（4）由于底板開孔原因，鋼底板上的次梁均斷開，為保證底板結(jié)構(gòu)剛度，在套箱安放后，應(yīng)考慮在每個(gè)樁上設(shè)置抱箍，并與鋼底板的次梁進(jìn)行聯(lián)結(jié)，抱箍應(yīng)與樁夾緊，以改善這部分鋼底板上的受力，也可改善樁與鋼底板之間力的可靠傳遞。

（5）東海大橋在海洋中，鋼樁經(jīng)過防腐，因此不能在鋼樁上焊接型鋼，以免成為銹蝕通道。封底混凝土與鋼樁的連接必須采取其他措施，可通過在樁頂設(shè)置小扁擔(dān)，通過角鋼將作用在封底混凝土的部分力傳至樁上，增加結(jié)構(gòu)施工過程的安全度。

（6）承臺(tái)混凝土體積較大，大體積混凝土的水化熱不僅對(duì)承臺(tái)混凝土自身的質(zhì)量有影響，同時(shí)可能會(huì)造成套箱內(nèi)外壁受熱不均，產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。因此有條件的情況下，應(yīng)盡量分層澆筑承臺(tái)混凝土，同時(shí)采取冷凝，調(diào)整混凝土配合比等措施降低水化熱。

5 結(jié)語

（1）根據(jù)東海大橋的海況條件，對(duì)東海大橋混凝土套箱施工過程進(jìn)行細(xì)致全面的分析，分析套箱在各種工況下的受力特點(diǎn)，提出了套箱設(shè)計(jì)施工的要點(diǎn)，對(duì)指導(dǎo)施工具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。在條件差、工期緊的情況下，下部結(jié)構(gòu)工期比預(yù)計(jì)提前3個(gè)月，為東海大橋的順利施工走出關(guān)鍵的一步。

（2）分兩片U形吊裝水上拼接的做法的順利實(shí)現(xiàn)，是一種創(chuàng)新，不僅使套箱結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理，而且降低了作業(yè)人員水上工作的風(fēng)險(xiǎn)，具有較大的借鑒意義。