海域高樁承臺鋼吊箱結構設計

趙 冉，陳森泉

（1.中交二航局第二工程有限公司，重慶 401121；2.中鐵建港航局第四工程分公司，重慶 401121）

鋼吊箱作為橋梁承臺施工的輔助措施目前已經被廣泛應用[1]。大尺寸鋼吊箱施工工藝較多，且在海域區受波浪力及水流流速的影響下，鋼吊箱施工風險較大。因此如何在復雜施工環境的影響下設計出安全合理的鋼吊箱存在較大困難。故以東雷高速通明海特大橋引橋32#墩為背景，對海域高樁承臺有底鋼吊箱各構件及封底混凝土應力進行詳細的驗算分析。

1 工程概況

通明海特大橋主橋橋跨布置為（146+338+146）m，橋型為鉆石型索塔斜拉橋。橋址位于深水區，且常年受風浪影響。引橋32#墩承臺尺寸較大，基礎采用承臺+群樁基礎。承臺為圓端形承臺，承臺尺寸為30.75 m（長）×9 m（寬）×3 m（高）。承臺基礎采用12根直徑為2.0 m的鉆孔灌注樁。承臺分層澆筑，第一層澆筑高度為1 m，第二層澆筑高度為2 m。結合現場施工條件，承臺采用單壁鋼吊箱施工工藝。

2 設計條件

鋼吊箱頂標高+6.7 m；承臺頂標高+3.0 m；承臺底標高+0.0 m；封底砼底標高-1.0 m；封底砼厚度1.0 m；設計高潮位+4.5 m，設計低潮位-1.0 m；常水位+1.5 m；水流速度V=0.44 m/s；下放期波浪H=0.7 m，T=4.1 s；施工期波浪H=1.1 m，T=4.1 s；臺風期波浪H=4 m,T=4.1 s；護筒外徑2.2 m；封底砼握裹力120 kPa；封底砼浮容重14 kN/m3，封底砼干容重24 kN/m3；承臺砼干容重25 kN/m3；鋼材容重78.5 kN/m3；封底砼強度等級C25。

3 設計概況

鋼吊箱不僅作為承臺施工時的擋水結構，還作為澆筑承臺混凝土時的模板結構[2]。鋼吊箱結構主要有壁板、底板、內支撐、下放系統組成。鋼吊箱內輪廓尺寸為承臺結構尺寸，吊箱壁體總高度為7.7 m，豎向不分節，壁體共分12塊。壁體各單元塊間通過螺栓連接，底板不分塊，焊接連接。鋼吊箱內部豎向設置二道鋼管支撐。為下放鋼吊箱及防止鋼護筒偏位，底板需在鋼護筒位置處預留孔洞，開孔尺寸比護筒半徑大15 cm[3]。沿鋼護筒周長設置2[14拉壓桿。鋼吊箱采用穿心千斤頂下放施工工藝。鋼吊箱施工流程：鋼吊箱制作、拼裝→下放、定位鋼吊箱→安裝拉壓桿→澆筑封底混凝土→抽水→澆筑第一層承臺→澆筑第二層承臺→拆除壁體。

鋼吊箱壁體結構：壁板8 mm鋼板，壁體次梁HN150×75，壁體主梁 HN300×150，圍檁 HM588×300，內撐Φ800×12；底板結構：底板6 mm鋼板，底板次梁HN175×90，壁體主梁HN350×175，拼接槽鋼輕型[36，拉壓桿2[14。壁體內周長76.92 m，鋼吊箱內面積274.82 m2，鋼護筒總面積：75.36 m2封底混凝土總面積237.14 m2。鋼吊箱構件均采用Q235B材料。

鋼吊箱平面及立面布置圖見圖1、圖2。

圖1 鋼吊箱平面布置圖（尺寸單位：mm）

圖2 鋼吊箱立面布置圖（尺寸單位：mm）

4 荷載及工況分析

4.1 荷載計算

結合施工工藝及現場施工條件，為確保結構具有較高的可靠性，鋼吊箱在設計計算時主要考慮以下幾種荷載：吊箱自重、混凝土荷載、靜水壓力、水流力、波浪力。靜水壓力垂于吊箱壁體，呈三角形分布[4]；水流力垂直于吊箱壁體，近似取均布荷載考慮；波浪力垂直于吊箱壁體，近似取梯形荷載考慮。

靜水壓力為p=γwh。根據《港口工程荷載規范》[5]計算，查得Cw=1.1，作用于鋼吊箱上的水流力荷載標準值

根據《港口與航道水位規范》[6]計算作用于鋼吊箱上的波浪力如下：下放期潮位+2.8 m，波浪H=0.7 m，T=4.1 s時，水深6.3 m，吊箱吃水深度3.8 m，水面處的波浪力強度為7.00 kPa，靜水面以上0.75 m處波浪力為0；施工期低潮位-1.0 m，波浪H=1.1 m，T=4.1 s時，水深2.5 m，吊箱吃水深度0 m，水面處的波浪力強度為9.63 kPa，吊箱底波浪力強度為9.63 kPa，靜水面以上1.1 m處波浪力為0；施工期高潮位+4.5 m，波浪H=1.1 m，T=4.1 s時，水深8.0 m，吊箱吃水深度5.5 m，水面處的波浪力強度為11.19 kPa，吊箱底波浪力強度為5.52 kPa，靜水面以上1.2 m處波浪力為0；渡臺期低潮位-1.0 m，波浪H=4.0 m，T=4.1 s時，水深2.5 m，吊箱吃水深度0 m，水面處的波浪力強度為39.98 kPa，吊箱底波浪力強度為39.98 kPa，靜水面以上7.6 m處波浪力為0；渡臺期高潮位+4.5 m，波浪H=4.0 m，T=4.1 s時，水深8.0 m，吊箱吃水深度5.5 m，水面處的波浪力強度為39.12 kPa，吊箱底波浪力強度為19.6 kPa，吊箱頂波浪力強度為25.03 kPa。

吊箱底板的波托力或波吸力取吊箱壁體側面波壓力在吊箱底部處的波浪力值。

4.2 工況分析

根據鋼吊施工工藝考慮以下7個工況：鋼吊箱下放工況、下放到位工況、澆筑封底混凝土工況、抽水工況、第一層承臺澆筑工況、第二層承臺澆筑工況、臺風工況。

1）工況1：鋼吊箱下放工況。鋼吊箱壁體及底板在墩位處整體拼裝，采用穿心千斤頂與鋼絞線配合整體同步下放，下放千斤頂擬采用8個吊點。下放前在鋼護筒頂部布置下放承重架，在壁體上焊接下放掛腿。本工況計算吊箱下放至水面+2.8 m時，在自重和波吸力作用下底板結構應力。

2）工況2：鋼吊箱下放到位工況。鋼吊箱下放到位后，在未安裝拉壓桿之前，結構受力最不利。本工況計算吊箱下放到位后，在施工期高潮位+4.5 m，H=1.1 m最不利情況下壁體各構件的應力。

3）工況3：澆筑封底混凝土工況。全部拉桿安裝后，低潮位割除下放掛腿，拆除下放系統，安裝鋼吊箱底板與鋼護筒間的抱箍，防止混凝土淌漏。抱箍安裝完成后，選擇低潮位焊接剪力牛腿，準備澆筑1 m厚封底混凝土。本工況計算在施工期低潮位-1.0 m，H=1.1 m最不利情況下，澆筑封底混凝土時，鋼吊箱底板結構各構件和拉壓桿的安全性。

4）工況4：抽水工況。封底混凝土達到設計強度后，鋼吊箱內抽水，割除封底外部的拉壓桿、鋼護筒，清理樁頭，在吊箱內部形成干施工工作環境。本工況計算在施工期高潮位+4.5 m，H=1.1 m最不利情況下抽水，壁體各構件的應力。

5）工況5：澆筑第一層承臺工況。封底混凝土達到設計強度后，澆筑第一層承臺（1.0 m）。本工況在施工期低潮位-1.0 m，H=1.1 m最不利，主要驗算封底混凝土的應力及封底與鋼護筒的握裹力。封底混凝土頂面由承臺混凝土產生的豎向壓力及側向壓力荷載25 kN/m2。

6）工況6：澆筑第二層承臺。待第一層承臺混凝土達到設計強度后，綁扎第二層承臺鋼筋，澆筑第二層承臺混凝土（2.0 m）。本工況在施工期低潮位-1.0 m，H=1.1 m最不利，主要驗算壁體各構件應力及第一層承臺的承載力。第一層承臺頂面由澆筑混凝土產生的豎向壓力荷載50 kN/m2。

7）工況7：臺風工況。臺風期H=4.0 m。本工況在鋼吊箱封底澆筑完成，拉壓桿割除后高潮位+4.5 m遭遇臺風時最不利。主要驗算壁體各構件應力和封底混凝土的應力。

5 結構計算

利用Midas Civil軟件整體建模計算，采用整體結構加荷載的形式對鋼吊箱結構的強度進行計算，整體模型見圖3。

圖3 鋼吊箱整體模型圖

模型中壁體面板及底板面板為板單元，壁體主次梁、底板主次梁、圍檁及拉壓桿均為梁單元，內撐為桁架單元，混凝土為實體單元。材料自重及各種荷載的荷載系數均由軟件計入，工況1及工況2約束吊點位移，工況3拉壓桿與鋼護筒焊接處固結，工況4、工況5及工況7封底混凝土與鋼護筒接觸面固結。工況6封底混凝土與鋼護筒接觸面固結、承臺與鋼護筒接觸面固結。根據《鋼結構設計標準》規定，鋼吊箱各構件采用以概率理論為基礎的極限狀態設計方法計算[7]。

鋼吊箱各構件最不利計算結果統計見表1。

根據上述計算結果可知：底板面板的組合應力最大，其值為150.8 MPa，小于鋼材的組合強度設計值f=215 MPa；圍檁HM588的剪應力最大，其值為35.8 MPa，小于鋼材的抗剪強度設計值fv=125 MPa；封底混凝土最大拉壓應力1.0 MPa小于1.78 MPa，最大壓應力0.9 MPa小于16.7 MPa，均在安全范圍內；鋼護筒最大反力為1430 kN（壓力），最大握裹力為227.7 kPa大于120 kPa，故需設置剪力牛腿增大鋼護筒握裹力承載能力。單根鋼護筒上剪力牛腿需承擔剪力V=1430-2×1×120π=676.46 kN，共設置15塊肋板傳遞剪力，單個肋板焊縫剪應力，小于角焊縫的抗剪強度設計值ffw= 160 MPa，故剪力牛腿滿足設計要求。

表1 鋼吊箱各構件計算結果統計

6 結語

為保證鋼吊箱結構滿足施工要求，設計和施工時還需注意以下事項：

1）鋼吊箱下放及澆筑封底混凝土時均應選取在風平浪靜、水流力較小的良好天氣條件下進行，避開最不利設計條件增加結構安全性。

2）澆筑封底混凝土過程中須保持連通器打開，以保證吊箱內外水位保持一致，避免吊箱受拉。

3）澆筑封底混凝土前應清除鋼護筒表面及底板上的淤泥和雜物，增強封底混凝土的握裹力。

目前32#承臺鋼吊箱已順利施工完成，整個過程基本可控，經實際工程檢驗，證明了該吊箱結構設計安全可靠，可為今后類似吊箱設計提供參考。