鋼吊箱圍堰拼裝平臺力學特性分析

柏紅元

（中鐵十一局集團第五工程有限公司，重慶 400037）

橋梁深水基礎的修建，主要困難在于防水、防土，甚至防沖刷、防滑坡等。使用圍堰配合施工的目的，就是在堰內施工和修筑基礎時，使堰外的水和土不至于大量涌進堰內，并且待基礎、墩臺修筑出水面后又可將其拆除，避免堵塞水流和航道。隨著深水基礎施工技術和機械的發展，吊箱圍堰在高樁承臺施工中的應用日益廣泛。大型鋼吊箱圍堰在工廠整體制造成型、整體下水并浮運至墩位進行定位，是現代特大型橋梁深水基礎施工的一個發展方向，其可以提高鋼吊箱圍堰的制造精度，減少在墩位處現場拼裝的水上作業量。整體制造浮運的鋼吊箱圍堰集鉆孔樁施工平臺、鋼護筒插打導向結構及承臺、墩身施工擋水圍堰等多種功能于一身，可以大大縮短鉆孔樁施工完畢后至開始承臺施工的工序轉換時間，縮短整個基礎的施工時間。但圍堰整體制造成型后結構龐大，對錨定系統投設及圍堰的精確定位標準等均有特殊的要求，并給圍堰浮運拖帶及定位等帶來一系列的困難。文章以武漢天興洲長江大橋2#墩深水基礎為工程實例，詳細介紹了大型鋼吊箱整體浮運錨墩預施拉力定位、兼作鉆孔平臺施工技術，主要包括大型鋼吊箱圍堰和錨墩系統的設計、大型鋼吊箱圍堰的制作和整體下河、大型鋼吊箱圍堰的浮運及初定位、大型鋼吊箱圍堰的精確定位等一系列施工方法。

1 工程概況

該工程鋼吊箱的設計外觀尺寸為：31.3m（長）× 22.3m（寬）×30.9m（高），吊箱內外壁之間相距2.0m，鋼吊箱總重2077.81t，內外壁板厚度δ=8mm，高度方向分為四節（其中第一節高7500mm、第二節高7500mm、第三節高7500mm、第四節高8400mm）。壁板內分三次澆筑8.5m 高井壁砼，封底C30 混凝土厚3.5m（見圖1）。

2 拼裝平臺設計

拼裝平臺必須設置在水位以上，滿足拆除條件。底板拼裝平臺利用鋼護筒作為承重基礎，采用工字鋼橫穿鋼護筒在護筒內側焊接承重牛腿設計形式。其布置形式與數量綜合底板分塊方式確定，底板平臺頂標高設置在175m 位置。

根據鋼吊箱設計方案，底板龍骨橫向大龍骨采取通長布置。根據底板結構設計形式，鋼吊箱拼裝平臺采用橫穿護筒懸挑型鋼+焊接型鋼的形式，并在型鋼下焊接加強牛腿確保受力安全。

圖1 主墩鋼吊箱模型示意圖

鋼吊箱拼裝平臺結構由工字鋼組成，為使鋼吊箱在拼裝平臺受力工況與鋼吊箱在拉壓桿吊掛受力工況相一致，其受力形式按與拉壓受力一致的原則進行平臺結構設計與計算。拉壓桿受力點作為拼裝平臺工字鋼懸臂端加載點，拉壓桿截面型心與鋼護筒邊緣距離30cm，因此拼裝平臺工字鋼懸臂長理論值30cm，考慮實際施工中鋼護筒垂直度因素，拼裝平臺工字鋼懸臂端長按50cm 進行計算（見圖2）。

圖2 拼裝平臺工字鋼加載點

3 拼裝平臺力學特性分析

3.1 平臺有限元分析

采用Midas civil 計算軟件對鋼吊箱底板、第一節側板與拉壓桿進行建模，以拉壓桿頂端作為約束點模擬鋼吊箱底板、第一節側板吊掛工況，并計算出其豎直方向約束反力，將該約束反力加載至工字鋼加載點位置進行工字鋼計算并選型（見圖3）。

圖3 鋼吊箱受力體系有限元模型

3.2 平臺承重構件驗算

由拉壓桿反力計算結果可知，鋼吊箱拼裝時，外圍12 根鋼護筒受力較大，最大值23.8t，中間6 根鋼護筒受力較小，中間6 根鋼護筒受力最大值2.7t。外圍12 根鋼護筒上所安裝的工字鋼按雙拼I40a 工字鋼進行布置，中間6 根鋼護筒上所安裝的工字鋼按I20a 工字鋼進行布置（見圖4）。

圖4 鋼吊箱拼裝拼臺工字鋼布置圖

按照《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》取值：Q235 鋼材的允許彎曲應力：[σ] ＝145MPa；Q235 鋼材的允許剪應力：[τ]＝85MPa。

I40a 工字鋼檢算：

I40a 工字鋼懸臂端長度50cm，懸臂端荷載23.8t，則：

M=F×L=23.8t×0.5m=119kN.m；

Wx=M÷σ=119kN.m÷145MPa=820.6cm3；

拼I40a 工字鋼Wx=2172cm3＞820.6cm3，抗彎強度滿足要求。

雙拼I40a 工字鋼抗剪驗算：τmax=FS÷bI=3F÷2A= 3×238kN÷（2×0.0172224）=20.73MPa ＜[τ]=85MPa，抗剪強度滿足要求。

I20a 工字鋼檢算：

I20a 工字鋼懸臂端長度50cm，懸臂端荷載2.7t，則：

M=F×L=2.7t×0.5m=13.5kN.m；

Wx=M÷σ=13.5kN.m÷145MPa=93.1cm3；

雙拼I20a 工字鋼Wx=474cm3＞93.1cm3，抗彎強度滿足要求。

雙拼I20a 工字鋼抗剪驗算：τmax=FS÷bI=3F÷2A= 3×135kN÷（2×0.0172224）=11.76MPa ＜[τ]=85MPa，抗剪強度滿足要求。

4 結論

拼裝平臺作為鋼圍堰的組裝平臺，一方面決定了圍堰的拼裝精度；另一方面，也是為了提供干作業操作環境。其平臺的安全與穩定性起到了至關重要的作用。本文采用了MIDAS/Civil 有限元軟件加手算相結合的方式對吊箱圍堰的力學特性進行了驗算，其強度滿足要求。