深中通道沉管預(yù)制場(chǎng)鋼殼支撐體系設(shè)計(jì)

芮偉國(guó)，張光鋒，龍漢新，羅吉慶

（1.深中通道管理中心，廣東 中山 528400；2.廣船國(guó)際有限公司，廣東 廣州 511462；3.廣東省公路建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510000）

1 工程概況

深中通道東接深圳的機(jī)荷高速，西至中山市馬鞍島，與中開(kāi)、東部外環(huán)高速對(duì)接，項(xiàng)目全長(zhǎng)約24 km，其中跨海段長(zhǎng)約22.4 km[1]，是繼港珠澳大橋之后又一集橋、島、隧及水下互通于一體的世界級(jí)超級(jí)工程[2]，其中沉管隧道為國(guó)內(nèi)首次采用鋼-混凝土復(fù)合沉管隧道方案[3]，也是世界上首次應(yīng)用了雙向8車(chē)道超大跨鋼殼混凝土沉管隧道結(jié)構(gòu)形式[4-5]，是本項(xiàng)目的控制性工程。深中通道項(xiàng)目沉管隧道長(zhǎng)5 035 m，共32節(jié)沉管及1個(gè)最終接頭，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)165 m，曲線(xiàn)變寬管節(jié)長(zhǎng)123.8 m[6]，管節(jié)具體劃分如下：123.8 m+21伊165 m+2.2 m+5伊165 m+5伊123.8 m=5 035 m，單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)鋼殼管節(jié)長(zhǎng)165 m伊寬46 m伊高10.6 m，最大重量達(dá)12 500 t。根據(jù)項(xiàng)目整體方案，共有22個(gè)超大型沉管管節(jié)采用桂山島預(yù)制方案，即在廣州市南沙區(qū)龍穴島完成鋼殼制造后采用駁船運(yùn)輸至珠海桂山島沉管預(yù)制場(chǎng)碼頭，采用“SPMT模塊車(chē)+移船小車(chē)”將鋼殼滾裝卸駁上岸，然后小車(chē)設(shè)備同步下降將鋼殼管節(jié)從“SPMT模塊車(chē)+移船小車(chē)”轉(zhuǎn)換至卸駁區(qū)支撐體系上臨時(shí)存放，待澆筑區(qū)的管節(jié)澆筑完工后，預(yù)制場(chǎng)的軌道臺(tái)車(chē)駛?cè)脘摎さ撞浚賹摎す芄?jié)從卸駁區(qū)支撐體系轉(zhuǎn)換到軌道臺(tái)車(chē)上，最后軌道臺(tái)車(chē)將鋼殼管節(jié)運(yùn)輸?shù)綕仓^(qū)進(jìn)行混凝土澆筑。

深中通道沉管隧道從鋼殼制造到沉管預(yù)制，鋼殼在卸駁區(qū)臨時(shí)存放及體系轉(zhuǎn)換是沉管隧道建設(shè)關(guān)鍵線(xiàn)路上的極為重要環(huán)節(jié)，鋼殼管節(jié)在卸駁區(qū)每次存放時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)十天，要保障鋼殼體系轉(zhuǎn)換及長(zhǎng)時(shí)間存放的安全，卸駁區(qū)鋼殼支撐體系的合理設(shè)置至關(guān)重要。而因受制于預(yù)制場(chǎng)卸駁區(qū)地基現(xiàn)狀、軌道臺(tái)車(chē)設(shè)備性能條件及鋼殼精度控制要求等因素，卸駁區(qū)支撐體系的設(shè)計(jì)難度大。

2 鋼殼支撐體系設(shè)計(jì)

2.1 目標(biāo)

1）支撐體系的設(shè)計(jì)需滿(mǎn)足卸駁區(qū)原有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)承載力要求。卸駁區(qū)地基處理采用“PHC樁+灌注樁”方案[7]，在樁頂處設(shè)置混凝土支墩作為鋼殼支撐體系的基礎(chǔ)，單個(gè)混凝土支墩設(shè)計(jì)承載力不得超過(guò)200 t。綜合沉管隧道的施工組織和經(jīng)濟(jì)成本等因素，原則上維持卸駁區(qū)結(jié)構(gòu)物現(xiàn)狀，利用原有混凝土支墩進(jìn)行支撐體系設(shè)計(jì)，確保鋼殼在落墩和臨時(shí)存放期間，混凝土支墩和樁基礎(chǔ)受力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)承載力的要求。

2）支撐體系的設(shè)計(jì)需滿(mǎn)足體系轉(zhuǎn)換的需求。鋼殼運(yùn)輸?shù)筋A(yù)制場(chǎng)卸駁區(qū)后，先從“SPMT模塊車(chē)+移船小車(chē)”卸落至卸駁區(qū)支撐體系上，然后再?gòu)闹误w系轉(zhuǎn)移到預(yù)制場(chǎng)軌道臺(tái)車(chē)上，這一過(guò)程稱(chēng)為鋼殼支撐體系轉(zhuǎn)換。鋼殼支撐體系轉(zhuǎn)換過(guò)程主要分為兩個(gè)階段，第一階段是將鋼殼從“SPMT模塊車(chē)+移船小車(chē)”卸落至支撐體系上，此階段支撐面保持同一標(biāo)高，通過(guò)小車(chē)設(shè)備油缸行程下降，將鋼殼全部重量主動(dòng)卸落在支撐體系上。第二階段是將鋼殼從支撐體系轉(zhuǎn)移到預(yù)制場(chǎng)軌道臺(tái)車(chē)上。

3）支撐體系的設(shè)計(jì)需滿(mǎn)足鋼殼精度管控的要求。鋼殼底板平整度允許最大偏差為依10 mm，該支撐體系的設(shè)計(jì)需避免底板變形導(dǎo)致平整度超出允許偏差值。

2.2 難點(diǎn)

基于卸駁區(qū)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀與設(shè)備條件，針對(duì)上述設(shè)計(jì)目標(biāo)，支撐體系設(shè)計(jì)存在以下難點(diǎn)：

1）預(yù)制場(chǎng)的軌道臺(tái)車(chē)升降行程為依25 mm，行程不足以主動(dòng)將鋼殼頂離支撐面，無(wú)法完成第二階段體系轉(zhuǎn)換。因此需設(shè)計(jì)一種帶有卸壓裝置的支撐體系，通過(guò)卸壓裝置降低支撐面標(biāo)高，將鋼殼重量平穩(wěn)、均勻轉(zhuǎn)移至軌道臺(tái)車(chē)。

2）鋼殼落墩時(shí)呈中間拱起、四角下沉的彈性變形狀態(tài)，因此通常鋼殼兩端會(huì)先接觸支撐，且底板也并非絕對(duì)平整（平整度允許最大偏差為依10 mm），因此落墩過(guò)程中會(huì)存在因局部支撐受力過(guò)大而導(dǎo)致混凝土支墩或樁基破壞的風(fēng)險(xiǎn)，需采取有效措施避免結(jié)構(gòu)超載損壞。

3）現(xiàn)有混凝土支墩縱向間距不等，多數(shù)間隔5 m，而鋼殼橫隔板間距均為3 m[8]，因此混凝土支墩與鋼殼橫隔板不能一一對(duì)應(yīng)，造成部分混凝土支墩上的支撐處在鋼殼結(jié)構(gòu)薄弱處，進(jìn)而導(dǎo)致鋼殼局部變形以及支撐體系受力不均勻。

2.3 方案

針對(duì)上述支撐體系設(shè)計(jì)難點(diǎn)，對(duì)支撐形式進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，具體方案如下：

1）參照船舶行業(yè)傾斜船臺(tái)活絡(luò)墩的設(shè)計(jì)方案，選用港珠澳大橋建造時(shí)所用的無(wú)源支撐作為可卸壓的支撐主體結(jié)構(gòu)，當(dāng)支撐與卸駁區(qū)軌道臺(tái)車(chē)進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換時(shí)，可通過(guò)無(wú)源支撐斜面向下滑動(dòng)進(jìn)行卸壓，將鋼殼重量轉(zhuǎn)移到軌道臺(tái)車(chē)上。無(wú)源支撐構(gòu)造如圖1所示。

圖1 無(wú)源支撐構(gòu)造Fig.1 Structure of passive support

2）為降低鋼殼四角先落墩導(dǎo)致兩端支撐超載的風(fēng)險(xiǎn)，在不改變卸駁區(qū)地基現(xiàn)狀的前提下，在鋼殼深圳端強(qiáng)地基上增加了8座支墩，在中山端對(duì)應(yīng)樁位處加密布置了12座支墩，通過(guò)增加支墩的方法提高了鋼殼兩端支撐的安全系數(shù)，保證鋼殼落墩安全。新增支墩布設(shè)如圖2所示。新增支墩采用鋼結(jié)構(gòu)形式，其額定承載及頂標(biāo)高均與原混凝土支墩相同，鋼支墩構(gòu)造見(jiàn)圖3。

圖2 新增支墩布設(shè)示意圖Fig.2 Arrangement of additional buttress

圖3 鋼支墩結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of steel buttress

3）由于混凝土支墩及新增鋼支墩并未完全對(duì)應(yīng)鋼殼橫隔板，為避免支撐受力點(diǎn)處在鋼殼薄弱處導(dǎo)致鋼殼變形，設(shè)計(jì)了兩種支撐形式：在對(duì)應(yīng)鋼殼橫隔板的混凝土支墩上放置“鋼墩+無(wú)源支撐”；在其余非對(duì)應(yīng)鋼殼橫隔板的混凝土支墩及新增鋼支墩上放置“無(wú)源支撐+箱形橫梁”。同時(shí)，為解決因鋼殼底板不平整而導(dǎo)致落墩時(shí)支撐體系受力不均勻的情況，在支撐頂部放置30 mm緩沖橡皮。

兩種支撐形式如圖4所示。

圖4 兩種支撐形式示意圖Fig.4 Two types of supports

3 有限元計(jì)算校核

為分析支撐體系設(shè)計(jì)效果，采用有限元計(jì)算方法進(jìn)行理論校核，并對(duì)比采取本方案設(shè)計(jì)前、后兩種工況的計(jì)算結(jié)果。

1）有限元建模

采用MSC PATRAN建立三維有限元模型，鋼殼的所有主要結(jié)構(gòu)均建模，采用板梁復(fù)合模型來(lái)模擬，其中鋼殼內(nèi)外面板、縱橫隔板、平臺(tái)以及各主要構(gòu)件（桁材）腹板等均采用2D板單元（SHELL），骨材、加強(qiáng)筋等構(gòu)件采用1D梁?jiǎn)卧˙EAM/BAR），一些對(duì)計(jì)算結(jié)果無(wú)明顯影響的細(xì)小結(jié)構(gòu)不建模，比如骨材端肘板等。網(wǎng)格劃分根據(jù)骨材間距而定，單元尺寸約500 mm伊500 mm。模型坐標(biāo)系原點(diǎn)位于深圳端管節(jié)端封板處，其X軸沿管節(jié)縱向指向中山端，Y軸沿管節(jié)寬方向指向左側(cè)，Z軸沿管節(jié)高度方向指向頂板。

2）材料特性

結(jié)構(gòu)材料采用Q420C/Q390C/Q345B等鋼材，計(jì)算取材料的物理特性參數(shù)如下：彈性模量E=2.06伊105N/mm2，泊松比 滋=0.3，密度 籽=7.85 t/m3。

3）載荷工況和邊界條件

鋼殼坐墩時(shí)，載荷工況僅考慮重力加速度，取9.8 m/s2，邊界條件設(shè)定為支撐體系下端僅約束Z向，在管節(jié)頂板中部約束X方向，管節(jié)頂板端部的中點(diǎn)處約束Y方向，管節(jié)不設(shè)Z向約束。

4）計(jì)算結(jié)果

采用MSC NASTRAN程序?qū)Σ扇”驹O(shè)計(jì)方案前（即鋼殼直接落在原混凝土支墩面上）與采取本設(shè)計(jì)方案后兩種情況進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算：

淤鋼殼變形量對(duì)比。采取本設(shè)計(jì)方案前，計(jì)算得出鋼殼最大變形5.97 mm；采取本設(shè)計(jì)方案后，通過(guò)發(fā)揮箱形橫梁的分配作用，經(jīng)計(jì)算鋼殼最大變形減少至3.74 mm。

于混凝土支墩豎向受力對(duì)比。采取本設(shè)計(jì)方案前，原136座混凝土支墩中有32個(gè)支墩豎向受力均超過(guò)設(shè)計(jì)承載200 t，單墩豎向受力最大為404 t；而采取本設(shè)計(jì)方案后，通過(guò)發(fā)揮箱形橫梁的均載作用，原有混凝土支墩單墩最大受力減少至188 t，且各墩受力較均勻。各支墩受力結(jié)果對(duì)比如圖5所示（以其中一列支墩為例）。

圖5 第1列支墩豎向受力結(jié)果對(duì)比Fig.5 Result contrast of vertical stress on the first supporting buttress

綜上所述，本設(shè)計(jì)方案既滿(mǎn)足鋼殼精度控制要求，同時(shí)也滿(mǎn)足原有混凝土支墩承載要求，避免了大規(guī)模地基、基礎(chǔ)加固改造，節(jié)約了造價(jià)、縮短了工期。本支撐體系設(shè)計(jì)方案可以滿(mǎn)足項(xiàng)目需求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于沉管預(yù)制場(chǎng)卸駁區(qū)地基現(xiàn)狀及設(shè)備條件，提出了鋼殼支撐體系創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，不僅滿(mǎn)足了卸駁區(qū)支撐體系轉(zhuǎn)換的要求，而且避免了支墩及鋼殼因局部受力不均導(dǎo)致超載破環(huán)、變形的情況，保證了鋼殼長(zhǎng)時(shí)間存放及體系轉(zhuǎn)換過(guò)程的安全；同時(shí)該支撐體系設(shè)計(jì)合理，避免大規(guī)模改造，節(jié)約了造價(jià)、縮短了工期，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件“工廠(chǎng)預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)裝配”，施工質(zhì)量和工效均可很好地滿(mǎn)足項(xiàng)目需求。目前，已有多個(gè)鋼殼管節(jié)在卸駁區(qū)支撐體系上存放，并順利完成了支撐體系與轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備之間的體系轉(zhuǎn)換。該支撐體系的設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用，對(duì)超大型沉管鋼殼以及大型構(gòu)件的支撐體系設(shè)計(jì)具有較大的參考價(jià)值。