鋼混組合無封底鋼吊箱設計與施工技術

李招明

（中國鐵建大橋工程局集團有限公司 天津 300308）

1 工程概況

1.1 工程簡介

福廈客專安海灣特大橋位于晉江市東石鎮和南安市石井鎮境內，主橋采用（40＋135＋300＋135＋40）m雙塔雙索面疊合梁斜拉橋跨越安海灣主航道，主橋全長650 m。主橋基礎采用直徑2.8 m鉆孔樁，主塔承臺為矩形高樁承臺，承臺尺寸為25 m×34 m×6 m（順橋向×橫橋向×厚度），承臺四角為半徑1.5 m的圓弧倒角，承臺頂面標高＋4.612 m，承臺底面標高－1.388 m，10 年一遇高潮位＋4.72 m，低潮位－3.27 m。

1.2 施工條件

橋址處屬于亞熱帶海洋季風氣候，熱帶氣旋（臺風）是影響大橋的主要災害性天氣，年臺風次數5.6次，臺風在7月中旬至9月中旬為盛行期。

工程海域的潮流性質為正規半日潮，呈往復流特征，流向與水道走向基本一致，根據橋區附近進行的大潮漲、落流速觀測，最大表面流速為1.08 m/s。

安海灣內水深自灣口向灣頂逐漸變淺，大部分水深淺于4 m，最大水深10.5 m。

波浪系由風成浪和涌浪組合的混合浪，由于安海灣灣口朝東南，寬達12 km，灣外波浪經灣口傳到安海灣灣口波高已經折減，平均波高小于1.5 m。

1.3 施工難點

（1）工期緊：安海灣主橋為全線控制性工程，前期受征海等因素影響，進場晚，工期壓力巨大。

（2）安全風險高：臺風、涌浪沖擊的影響貫穿施工全過程，圍堰下放、定位面臨挑戰，施工期間需接受臺風考驗。

（3）組織難度大：主橋與在建城市聯盟高速安海灣大橋平行跨越安海灣主航道，橋中心線間距為68 m，在保證正常通航的同時，船機設備交叉干擾大，橋梁上部涉及立體交叉作業協調組織難度大。

2 吊箱方案比選

鋼吊箱是適應大型橋梁深水高樁承臺施工的先行結構，既是防水圍堰又是承臺混凝土澆筑模板，既有定位、防水、承重作用，又有抵抗浮力、抗波浪沖擊力等多種功能，具有結構復雜，設計剛度要求大，制作、安裝精度高等特點［1－3］。

2.1 吊箱下放方式比選

鋼吊箱下放方式有整體吊裝下放、現場高位拼裝下放和現場原位拼裝3種方式，具體如下：

（1）整體吊裝下放：鋼吊箱在工廠或碼頭加工拼裝完成，通過平駁運至橋位處，采用大型浮吊整體吊裝［4］，一次下放到位。整體吊裝下放優點是吊放過程簡單，吊箱拼裝與平臺拆除可同步作業，吊箱在廠內拼裝，有利于保證拼裝質量，同時較現場拼裝安全風險低；其缺點是成本高，占用航道，對吊裝、運輸設備要求高，拼裝場地的選擇有局限性，適用于大重型吊箱圍堰，具備船舶航行的水深條件。

（2）現場高位拼裝下放：鋼吊箱在廠內分節分塊加工制作，鉆孔平臺拆除后在鋼護筒高位（高潮位以上）上焊接牛腿或設置下托梁，拼裝吊箱，待全部拼裝完成后利用千斤頂下放到位。現場高位拼裝下放優點是對設備要求低、定位精確工藝成熟，節省空間，下放受環境因素影響小，綜合費用低；其缺點是不能與平臺拆除同步作業，現場拼裝、下放施工期長，現場作業安全、質量風險較高。

（3）現場原位拼裝：現場原位拼裝工藝同高位拼裝［5］，按吊箱標高一次拼裝到設計位置，不再進行下放，較高位拼裝相比減少下放環節，缺點是作業受潮汐影響大，需乘潮施工或增加水下作業量。

安海灣內水深自灣口向灣頂逐漸變淺，大部分水深淺于4 m，灘涂面積約占整個海灣面積的80%以上，低潮位除主航道外兩側海床外露，水深不滿足船舶航行及大型浮吊吃水要求，考慮鋼吊箱原位拼裝需趁潮施工，每天有效作業時間不超過4 h，組織難度大，施工期長，綜合各種影響因素，經比選確定吊箱下放采用現場高位拼裝下放。

2.2 吊箱底板結構形式比選

鋼吊箱底板拆除難度大，拆除重復利用的經濟效益不明顯，一般采用一次性投入，由于底板系統既有承重作用，又需抵抗浮力、抗波浪沖擊力等多種功能，鋼吊箱底板結構形式比選對降低吊箱成本意義重大［6］。安海灣主橋承臺吊箱底板擬采用以下三種方案：

（1）方案一：鋼底板＋2 m封底混凝土

鋼底板由 δ＝6 mm鋼面板和縱橫向主梁HN400×200，縱橫向次梁 HN150×75，封邊主梁40b組成的型鋼骨架組成，鋼吊箱下放到位采用2 m厚度C30混凝土封底。

（2）方案二：鋼底板＋0.5 m混凝土結合底板

底板采用δ＝6 mm面板，∠75×8角鋼加勁，間距300 mm，底板與龍骨焊接，底板龍骨采用H294×200組成縱橫框架結構形式，龍骨朝上在頂層布置φ22鋼筋網片，間距180 mm，鋼底板拼裝完成后在上澆筑0.5 m混凝土，該底板方案不設封底混凝土。

（3）方案三：裝配式混凝土預制底板

采用C50混凝土預制底板，厚度t＝25 cm，底板環向主梁尺寸為50 cm×65 cm，鋼護筒四周環向圈梁尺寸為40 cm×70 cm，底板次梁尺寸為40 cm×70 cm，底板分為20塊，預制場分塊預制，現場拼裝，調整、固定后進行濕接縫施工，該方案不設封底混凝土。裝配式混凝土底板見圖1。

圖1 裝配式混凝土底板

綜合考慮施工成本、組織難度、安全風險及工期等因素，方案三裝配式混凝土預制底板方案最為經濟，較方案一鋼底板節省成本約200萬元，其濕接縫施工較鋼底板增加一周左右時間，但節省封底混凝土施工時間，經綜合比選確定安海灣主橋吊箱采用方案三，底板方案對比見表1。

表1 吊箱底板方案對比一覽表

3 鋼吊箱圍堰結構設計

3.1 設計準則

（1）設計方法

鋼混組合吊箱結構采用以概率理論為基礎的極限狀態設計法，用分項系數的設計表達式進行設計。

（2）設計狀態（見表 2）

表2 設計狀態

（3）荷載組合原則

對恒載應采用標準值作為代表值，極限狀態設計法設計時，對活荷載采用標準值或組合值為代表值。各工況考慮兩種荷載組合形式，即標準組合和基本組合，荷載組合形式如下：

標準組合＝∑恒載＋∑（活載）

基本組合＝1.2 ∑恒載＋1.4∑（活載）

以上組合中，標準組合計算結果用來評價剛度指標，基本組合計算結果用來評價結構強度指標。

3.2 設計工況

鋼混組合吊箱結構設計考慮5種工況［7－8］，具體如下：

（1）工況一：鋼混組合吊箱圍堰起吊下放時底板受力驗算。

（2）工況二：設計高水位下鋼混組合吊箱圍堰內抽水時吊箱結構受力計算。

（3）工況三：設計高水位下鋼混組合吊箱圍堰內澆筑首層承臺混凝土時吊箱結構受力計算。

（4）工況四：設計高水位下鋼混組合吊箱圍堰內澆筑二層承臺混凝土時吊箱結構受力計算。

（5）工況五：非工作狀態下鋼混組合吊箱圍堰整體受力驗算。

3.3 建模分析

鋼混組合吊箱采用有限元軟件進行建模分析，底板梁系以及壁體梁系計算時均采用梁單元，混凝土底板以及鋼混組合吊箱圍堰壁板均采用殼單元，底板與壁體分開建模計算［9－10］。

經計算分析鋼混組合鋼吊箱圍堰強度、剛度、穩定性滿足要求。

3.4 鋼混組合吊箱結構設計

鋼混組合無封底吊箱分別由鋼筋混凝土底板、鋼結構壁板、內支撐、壁板與底板之間連接件、連通器、環形封堵槽、受力體系等七大部分組成。鋼吊箱圍堰立、平面圖見圖2、圖3。

圖2 1/2吊箱立面圖

圖3 吊箱平面圖

（1）鋼筋混凝土底板：預制底板采用25 cm厚C50混凝土板及濕接縫所形成的格構式結構，預留孔直徑較鋼護筒直徑大40 cm，周邊預留20 cm。

（2）鋼吊箱壁體：壁體由面板和型鋼骨架組成，共劃分為14塊，共2個類型（直側板、弧側板），最大單塊重量 9.15 t。

（3）內支撐：鋼吊箱側壁上設置了2層φ820×10 mm鋼管支撐。

（4）壁板與底板之間連接件：壁板與壁板之間采用CIC鎖扣、鎖扣拉桿對拉、黏土棉絮混合物填充等方式進行連接；壁板與底板拼裝采用止推塊、拉壓桿、堵漏砂漿等方式進行連接。

（5）連通器：共設置8個連通器，用于調節吊箱內外水頭差。

（6）環形封堵槽：位于樁基鋼護筒與底板之間的環形縫隙。

（7）三個受力體系：下放懸吊系統、拉壓桿、剪力板。

4 鋼吊箱圍堰施工關鍵技術

4.1 鋼混組合吊箱加工

鋼混組合吊底板在預制場進行預制，在鋼結構加工廠按設計圖紙進行壁板、內支撐及其他小型鋼構件加工。

4.2 鋼混組合吊箱拼裝

（1）在鋼護筒上設計標高處開孔，安裝拼裝平臺支撐梁。

（2）將預制底板分塊吊裝到位后，綁扎濕接縫鋼筋，并將底板鋼筋與濕接縫鋼筋焊接后，澆筑濕接縫混凝土。

（3）在預制底板環向主梁上分別設置30 mm厚的砂漿找平層及10 mm厚的橡膠墊層。

（4）測量定位后，對稱吊裝壁體，單塊壁體吊裝到位后及時設置臨時固定措施，吊箱壁體完全合攏之后，及時安裝圍檁、內支撐。

（5）安裝止推系統，安裝吊桿。

（6）在壁體與預制混凝土底板的環向主梁的縫隙中澆筑50 mm厚的封堵砂漿。

（7）安裝拉壓桿下支座和吊點支座，用插銷將拉壓桿下支座和拉壓桿、吊點支座和扁擔梁進行銷接。

4.3 鋼混組合吊箱下放

（1）安裝挑梁、下放千斤頂及鋼絞線；接長進漿管和出漿管。

（2）拆除臨時固定措施，安裝導向裝置。

（3）連續同步作用千斤頂，將吊箱提升100 mm并保持12 h，觀察期間壁體、底板和挑梁等的變形情況。

（4）拆除鋼護筒上的支撐梁。

（5）8臺千斤頂連續同步下放鋼吊箱至設計底標高［11］。

4.4 鋼混組合吊箱底板堵漏及體系轉換

（1）在鋼護筒上安裝拉壓桿上支座，并將拉壓桿與上支座焊接固定，拆除挑梁、千斤頂和鋼絞線，將受力系統轉化為拉壓桿受力。

（2）通過壓漿管將水泥漿注入止水膠囊中，封堵底板與鋼護筒之間的縫隙。

（3）在底板與鋼護筒間的后澆帶澆筑C35水下不離析混凝土。

（4）水下不離析混凝土達到設計強度后，關閉連通器，吊箱內抽水。

（5）焊接剪力板，拆除拉壓桿及扁擔梁，將受力系統轉化為剪力板受力［12］。

（6）拆除導向裝置；割除壓漿管、出漿管。

4.5 承臺施工

（1）鋪設35 cm厚的底板粗砂墊層，澆筑10 cm厚的素混凝土墊層。

（2）割除鋼護筒并鑿除樁頭至設計標高，內壁除銹打磨。

（3）綁扎首層承臺鋼筋，澆筑首層承臺混凝土。

（4）待首層承臺混凝土達到設計強度后，拆除第一層內支撐及圍檁。

（5）綁扎第二層承臺鋼筋，澆筑第二層承臺混凝土。

（6）待第二層承臺混凝土達到設計強度后，拆除第二層內支撐及圍檁；在低水位下拆除壁體與底板的連接吊桿。

（7）按照“先裝后拆，后裝先拆”的原則逐塊對稱拆除各節吊箱壁體。

5 結束語

福廈客專安海灣特大橋主橋鋼混組合吊箱已成功應用于現場，該組合吊箱與常規鋼吊箱相比節省了封底混凝土，吊箱所用鋼材均實現周轉使用，大大降低了施工成本；同時在壁板與壁板、壁板與底板及樁基鋼護筒與底板之間的環形縫隙施工中采用了CIC鎖扣、止推塊、拉壓桿及止水膠囊等創新做法，現場操作方便，止水效果好并大大減少了水下作業，經濟效益和社會效益顯著。