單壁鋼吊箱圍堰在深水承臺施工中的應用分析

鄭學濤

(中鐵建安工程設計院有限公司，河北 石家莊 050043)

單壁鋼吊箱是通過吊箱圍堰側板和底板上的封底混凝土圍水，為承臺施工提供無水的干處施工環境。根據鋼吊箱使用功能，將其分為底板、側板、內支撐、吊掛系統四大部分。其中，側板、底板是鋼吊箱圍堰的主要阻水結構并兼做承臺模板。

國內深水承臺施工，多采用沉井或鋼圍堰[1-2]。由于沉井施工工序繁鎖，工期長，材料用量大；而鋼吊箱工藝操作簡單，節約工期，材料用量合理并能回收再利用。綜合各方條件，坦桑尼亞基貢戈-布西西大橋引橋承臺施工確定采用鋼吊箱方案，并對吊箱側板的單壁、雙壁兩種方案進行了比較，結合工期、結構特點及施工經驗等綜合分析，項目鋼吊箱側板采用單壁結構。

1 工程概況

基貢戈-布西西大橋，橋梁橫跨維多利亞湖。維多利亞湖區年平均降雨量為999.9 mm，雨季為10月至次年5月，旱季為6月至9月。內陸湖無早晚潮汐變化。經現場調查，維多利亞湖最高水位為1 133.49 m。橋區現狀地形起伏不大，從橋臺標高約1 140.0 m變化至湖床面1 128.0 m，起伏12.0 m。

橋梁全長3.0 km，全橋67跨，除橋首尾一臺兩墩位于陸地外，其余墩臺均位于水中、水深3.0～50.0 m，引橋62個承臺，長寬高尺寸27.5 m×35.0 m×4.0 m。橋梁下部結構采用群樁式高樁矩形承臺，采用圓柱式墩+蓋梁，樁基礎直徑為2.5 m。

本段內橋墩承臺下部的20樁承臺施工時采用單壁鋼吊箱圍堰。鋼吊箱采用工廠制造、現場拼裝的形式。鋼吊箱側模高度5 300 mm；水平背肋(Ⅰ12.6工字鋼)間距400 mm；豎向背肋雙拼[20a槽鋼，間距750 mm；模板面板δ=6 mm；豎向高度高出承臺頂面1 300 mm；水平圍檁采用雙拼25#a工字鋼；內支撐采用?800 mm、壁厚10 mm鋼管，斜撐采用?325 mm、壁厚6 mm鋼管；圍堰底板由20塊預制混凝土底板拼裝，底板厚380 mm，預制板尺寸分別為6.5 m×6.5 m、7.2 m×6.5 m和7.2 m×7.2 m，混凝土為C40，鋼筋采用HRB400。鋼材材質均采用Q235B。吊箱圍堰的吊點設置在預制底板，共設置20處下放吊點，每個吊點采用連續同步作用千斤頂進行鋼吊箱下放。每個鋼護筒四周設置拉壓桿和剪力板。圍堰結構如圖1所示。

圖1 圍堰結構(單位：mm)

2 建立有限元模型

2.1 材料特性

本吊箱圍堰材料的主要力學性能如表1所示。

表1 鋼材和混凝土主要力學性能

2.2 施工流程和工況分析

根據鋼吊箱圍堰的施工步驟所承受的荷載，采用承載能力極限狀態對鋼圍堰底板、側板、內支撐、螺栓等進行強度驗算，使用極限狀態計算變形。采用以下工況的最不利情形進行計算[3]：

工況Ⅰ，抗浮驗算。圍堰堵漏封底抽水完畢后，抗浮驗算鋼護筒與預制底板的抗剪鍵。承受荷載：混凝土預制底板自重、鋼吊箱圍堰自重、浮力。

工況Ⅱ，圍堰在混凝土澆筑前的受力驗算。

工況Ⅲ，圍堰在混凝土澆筑后初凝前的受力驗算。

各工況荷載參與情況和荷載組合系數見表2。

表2 作用分類和作用力大小

2.3 有限元模型

結構計算是結合手算和計算機對圍堰各工況下構件進行計算，采用大型有限元程序Midas civil分析。單壁鋼吊箱圍堰由面板、橫楞、豎楞、內支撐、圍檁和預制混凝土底板組成，根據計算工況分別建立有限元模型，采用梁單元模擬橫楞、豎楞和內支撐，板單元模擬面板，實體單元模擬預制混凝土底板；各道楞間與楞板之間的約束采用剛性連接模擬，內撐與圍檁之間的約束采用彈性支承模擬。圍堰計算模型如圖2所示。

圖2 圍堰計算模型

3 圍堰各工況安全分析

3.1 抽水后抗浮工況Ⅰ分析

工況Ⅰ為圍堰堵漏封底抽水完畢時刻，圍堰承受豎向荷載包括圍堰自重和水的浮力，此時需要按高水位進行抗浮驗算。

圍堰自重：G=10 365.0 kN；水的浮力F浮=28.152 m×35.652 m×38.8 kPa=38 942.6 kN。

為了滿足抗浮要求，需要鋼護筒與預制底板間的抗剪鍵承受的荷載為：V浮=1.4F浮-G=44 154.6 kN。

在澆筑承臺混凝土時抗剪鍵應該會承受更大的荷載，對工況Ⅰ與工況Ⅲ抗剪鍵所受荷載進行對比后再對抗剪件進行計算。

3.2 抽水后抗浮工況Ⅱ和工況Ⅲ分析

工況Ⅱ為圍堰安裝完畢堵漏后抽水，抽水完畢后進行鋼筋綁扎等作業，承受荷載為混凝土預制底板自重、鋼吊箱圍堰自重、浮力、靜水壓力(此時取施工高水位計算)、施工機具及人群荷載，根據建立的計算模型分別對側模板、內支撐和混凝土底板進行受力計算。

工況Ⅲ進行承臺混凝土澆筑作業，圍堰承受荷載為承臺混凝土濕重，預制底板自重、鋼吊箱圍堰自重、浮力、靜水壓力(此時取施工低水位進行計算)、施工機具及人群荷載，根據建立的計算模型分別對側模板、內支撐和混凝土底板進行受力計算。

計算模型分析結果如圖3和表3所示。

表3 圍堰各結構部件內力匯總 MPa

圖3 各結構部件應力計算結果

根據圖表中數據，剪應力τmax<鋼材抗剪強度設計值125 MPa，正應力σmax<鋼材抗拉強度設計值215 MPa，滿足規范要求。

3.3 抗剪鍵結構分析

查看工況Ⅲ計算結果中的支座反力知，豎向支座反力總和為65 010.7 kN，該力由鋼護筒與預制底板之間的抗剪鍵承擔，工況Ⅰ抗剪鍵受力為44 154.6 kN，取兩者之間的較大值工況Ⅲ進行抗剪鍵計算，預制底板的支座反力如圖4所示。

圖4 預制底板支座反力

支座反力最大值為421.6 kN，該支座反力由一組抗剪鍵承擔，每個抗剪鍵上共有3個抗剪鋼板，單個抗剪鋼板所受豎向力為140.5 kN。

抗剪鋼板為32 mm×100 mm鋼板，所受彎矩Mx為14.05 kN·m，剪力V為140.5 kN，進行抗彎和抗剪驗算。

式中：σ為正應力；γx為截面塑性發展系數；Wnx為截面模量；f為鋼材的抗拉強度設計值；τ為剪應力；A為截面面積；fv為鋼材的抗剪強度設計值。

3.4 預制底板結構分析

3.4.1 受力

采用不利工況Ⅲ計算分析。在工況Ⅲ荷載基本組合作用下，經建模計算分析，預制底板彎矩、底板暗梁彎矩、扭矩和剪力計算結果如表4所示。

表4 底板內力計算結果

底板配筋采用雙層雙向?25 mm@150 mm，暗梁主筋采用?6 mm@25 mm，暗梁箍筋采用?12 mm@150 mm。預制混凝土底板取單位板寬為計算單元，按高380 mm和寬1 000 mm受彎構件進行計算，暗梁按高380 mm和寬300 mm為計算單元，混凝土采用C40，軸心抗壓強度設計值fc=19.10 N/mm2，軸心抗拉強度設計值ft=1.71 N/mm2；縱筋 HRB400，抗拉強度設計值fy=360 N/mm2，抗壓強度設計值fy'=360 N/mm2；箍筋 HRB400，fy=360 N/mm2。經過驗算，預制底板和暗梁配筋均滿足規范要求。

3.4.2 變形

在工況Ⅲ荷載標準組合作用下，圍堰底板彈性變形如圖5所示。

圖5 圍堰底板變形

4 結束語

本文通過建立有限元模型，對鋼圍堰整體結構及各個板部件進行受力分析，可知結構整體變形較小，結構剛度、強度和抗浮穩定性符合臨時結構要求，為類似工況的單壁鋼吊箱圍堰結構分析提供了經驗借鑒。