外海無掩護海域橋梁高樁沒水承臺鋼吊箱設計

周華，喬光，朱煒煒

（中交一航局第三工程有限公司，遼寧 大連 116001）

1 工程概況

大連南部濱海大道工程二標段承臺共131座，其中海上120座，均為矩形承臺。海上承臺主要以結構尺寸9.1 m×9.1 m×3.05 m為主，頂標高為+0.55 m（黃海標高），承臺四角帶半徑0.5 m的圓弧倒角（圖1）。

圖1 鋼吊箱效果圖Fig.1 Design sketch of steel boxed

承臺施工采用單壁有底鋼吊箱施工方案。鋼吊箱既作為止水圍堰又作為承臺混凝土模板，側模采用鋼結構，底板采用預制混凝土結構[1]。

施工時，先將吊掛系統安裝在鉆孔樁鋼護筒頂部，預制混凝土底板在標高+1.8 m位置進行組裝并安裝鋼吊箱側壁，利用吊掛系統將鋼吊箱整體吊放至水中，澆筑0.8 m厚封底混凝土，待封底混凝土強度滿足要求后，吊箱內抽水后干法施工承臺。

2 鋼吊箱設計

2.1 設計基本參數

設計基本參數見表1。

2.2 鋼吊箱設計最不利工況

鋼吊箱結構的受力組合最不利工況為：工況一封底混凝土抽水階段；工況二承臺混凝土施工初凝階段。

2.3 荷載計算

1） 風荷載取值

采用JTS 144-1—2010《港口工程荷載規范》[3]

表1 基本參數表Table1 Basic parameters

3） 波浪荷載

采用 JTS 145-2—2013《海港水文規范》[5]波浪對直墻式建筑物的作用計算方法，將鋼吊箱等效為直墻結構，波態為立波，基床為暗基床[6]。

鋼吊箱在波峰作用時受到波壓力作用，在波谷作用時受到波吸力作用，且底部一直受到浮托力的影響，計算結果見表2。

表2 波浪荷載參數計算值表Table2 Calculation valueof waveload parameter

4） 靜水壓力

靜水壓力計算見表3。

表3 靜水壓力計算值表Table 3 Calculation value of hydrostatic pressure

波峰和波谷受力工況荷載示意圖如圖2。

3 鋼吊箱有限元分析

3.1 有限元模型建立

采用MIDAS/Civil有限元軟件進行受力計算。建立鋼吊箱有限元模型如圖3、圖4，通過加載模擬各個不同施工工況，分析鋼吊箱在不同工況下的變形和受力狀況[6]。

3.2 鋼吊箱結構靜力分析和整體穩定性分析

通過分析，鋼吊箱圍堰結構在最不利工況一下受外荷載最大，此時鋼吊箱內封底混凝土澆筑完成，其荷載組合有：自重+風荷載+波浪荷載+靜水壓力+水流荷載+封底混凝土重量+封底混凝土側壓力+浮托力。

1）波峰時鋼吊箱受力分析

波峰時鋼吊箱應力計算結果見表4。

可以看出鋼吊箱頂口的環形圈梁應力最大，超過允許值，為了減小整體結構用鋼量，實際加工時在此處添加了肋板和局部補強鋼板，計算結果滿足設計要求。

圖2 最不利工況一波峰和波谷時受力圖Fig.2 Stressof the wave peaksand troughsin the worst operating condition

圖3 承臺鋼吊箱有限元模型Fig.3 Finiteelement model of thecap steel boxed

圖4 鋼吊箱混凝土底板有限元模型Fig.4 Finite element model of the steel boxed concrete slab

2） 波谷時鋼吊箱受力分析

表4 波峰時應力計算結果Table 4 Stress results of wave peak

波谷時鋼吊箱應力計算結果見表5。

表5 波谷時應力計算結果Table5 Stressresultsof wavetrough

3） 工況荷載分析

鋼吊箱混凝土底板在工況二作用下受力最大，此時承臺混凝土澆筑完成，但是并沒有終凝，結構除了受到工況一的外荷載外，箱內還有混凝土自重荷載[7]。混凝土底板有限元分析結果見表6。

表6 混凝土底板有限元分析結果Table 6 Finite element analysis results of concrete slab

設計時，根據有限元計算結果進行配筋計算，不再贅述。

4 結語

本次鋼吊箱設計充分考慮各種可能出現的最不利施工工況，分析結構在波峰時的最不利工況，優化設計鋼吊箱圍堰結構；分析波谷時的最不利工況，增設了內十字支撐，增強結構整體穩定性；分析各種工況下的波浪浮托力，設計了混凝土底板，有效抵抗外海無掩護水域風急浪大、浮托力大的不利因素。

本次鋼吊箱設計做到了用料省、結構安全、工藝簡單，在實際施工過程中，各結構單元分塊組裝，輕便快捷，本工程共投入30套鋼吊箱，施工周期約2 a，遇到多次大風巨浪惡劣海況，未發生結構破壞或被吹入海中等情況，取得了良好的施工效果，可推廣使用。