大風江大橋無封底預制混凝土底板套箱施工技術

蒙 隆

(廣西欣港交通投資有限公司，廣西 南寧 530022)

0 引言

深水承臺施工作為橋梁施工的重點和難點，一直備受各方的關注和研究。目前行業內通用的方法有鋼板樁圍堰施工、套箱圍堰施工、雙臂鋼套箱圍堰施工、沉井施工等。其中，套箱施工作為深水承臺常用的一種施工工藝，在大于4 m的水深條件下有著較大的工藝優勢，其操作簡單、安全風險低、工藝成熟，深受從業者青睞，但其鋼材消耗量大，鋼材回收率不高，往往導致工程費居高不下。而鋼套箱施工工藝在整體不變情況下，通過微創新調整套箱的用鋼量、提高鋼材的使用率，是各個施工單位控制成本的重要手段。

本文以G228廣西濱海公路大風江大橋6#～9#深水承臺為例，基于可靠度理論，在滿足各項安全性能的前提下，對套箱進行微創新，設計使用預制混凝土作為套箱底板，取消封底混凝土，套箱側板兼用承臺模板的施工技術，極大節約了鋼材的使用量，同時在施工進度和施工質量方面，與常規鋼結構底板套箱采用的施工工藝相當，為工程節約了大量成本。

1 工程項目概況

大風江大橋是打通濱海公路的關鍵工程，項目位于廣西欽州市和北海市境內，是連接兩市的重要交通樞紐。項目主體工程為大風江大橋，跨越大風江，橋梁總長1 386 m，主橋長490 m，引橋長896 m。其中，主橋為(85+2×160+85)m預應力混凝土連續梁橋，欽州和北海兩側引橋均為40 m長的預制T梁。根據實際條件，6#～9#承臺采用套箱圍堰施工，其他承臺均采用鎖扣鋼板樁圍堰施工。橋位最高潮位為+3.98 m，最低潮位為-2.55 m，平均潮位為0.54 m，潮水漲落高差大。所有承臺均位于大風江水域范圍內。

2 無封底預制混凝土底板套箱工藝簡介

無封底預制混凝土底板套箱主要原理為：采用一種反壓支承，焊接在鋼護筒上，提供反壓力，代替常規有封底的鋼結構底板套箱中封底混凝土與鋼護筒之間的粘結力，用來抵抗承臺施工前向上的浮力以及承臺施工時承臺混凝土自重，同時在底板內設置鋼筋，并設置加厚段的圈梁、次梁，加大底板剛度，提高結構安全系數。本工程無封底預制混凝土底板套箱采用底板包側板結構形式，鋼套箱側板(兼承臺模板)高度根據承臺標高和水深設計，調節砂層厚度為0.25 m。鋼套箱由側板、混凝土底板、內支撐系統、懸吊下放系統、反壓系統等五部分組成。其中，側板結構由面板、面板加勁肋、豎肋組成；底板由混凝土底板、圈梁、次梁、反壓支撐及抗滑移支撐組成；支撐系統是在套箱內設置兩道圍檁+十字支撐，分別在承臺頂部+0.4 m、+3.2 m處，套箱圍檁采用2Ⅱ32a型鋼，內支撐采用φ426 mm×6 mm鋼管；套箱懸吊系統吊點為8個，采用4臺連續作用千斤頂將鋼套箱同步下放；反壓系統主要由護筒周邊的反壓桿、反壓牛腿、拉壓桿、拉壓牛腿以及最終體系轉換后的剪力桿組成。其構造斷面圖見圖1。

圖1 鋼套箱構造斷面圖(cm)

3 施工工藝流程

無封底預制混凝土底板套箱主要施工工藝流程如下：

(1)樁基礎施工完畢，拆除鋼平臺，在后場預制混凝土底板和制作側板，準備相應的輔助設施。

(2)在鋼護筒上搭設套箱安裝平臺，安裝預制底板，連接底層側板，安裝濕接縫模板和鋼筋，澆筑濕接縫。

(3)拼裝套箱的側板、圍檁及內支撐，安裝下放系統，完成套箱的整體拼裝。

(4)啟動下放系統，將套箱底板提離拼裝平臺，拆除套箱拼裝平臺，整體下放套箱至設計位置。

(5)焊接反壓牛腿，水下安裝底板封底的環板和砂袋，水下封堵底板與鋼護筒間的間隙。

(6)圍堰內抽水，焊接底板剪力桿，拆除上部反壓桿，完成受力體系轉換，澆筑25 cm調平層，施工承臺。

(7)分節拆除套箱側板，重復使用，圍堰施工完畢。

3.1 套箱側板制作

鋼套箱采用底板包側板結構形式。鋼套箱側板高9 m，長8.3 m，寬7.6 m。鋼套箱材料均為Q235a鋼。側板平面分為8個節段，包括CB-1節段2塊、CB-2節段2塊，CB-3節段4塊，每塊節段高8.6 m，節段間采用螺栓連接，同時在側板間設置2 cm厚的橡膠止水填塞阻水。需在混凝土底板內設預埋段，便于底板和側板連接。詳見圖2。

圖2 側板分塊構造圖(cm)

3.2 混凝土底板制作

底板采用40 cm厚鋼筋混凝土底板，圈梁和次梁的高寬為70 cm×30 cm。底板受力鋼筋采用雙層φ20 mm鋼筋，標準間距為16 cm。底板分為4塊預制節段及安裝時的現澆段，每塊預制節段尺寸為4 m×4.275 m。在護筒位置設置2.4 m直徑的預留孔(該類承臺樁基直徑為1.8 m，護筒直徑為2.1 m)，預制部分之間設置寬度為1 m的現澆濕接縫。底板在預制時注意預埋側板底節、反壓系統預埋板以及鋼護筒處的預埋環板。側板底節高40 cm，其中埋入底板內20 cm，上露20 cm；反壓系統預埋板采用1 cm厚鋼板，下設置16根φ12 mm錨筋，錨筋與鋼板穿孔塞焊；預埋環板采用1 cm厚鋼板，高度為15 cm，埋入底板內10 cm，外露5 cm。為了方便套箱下放，底板與鋼護筒間預留15～20 cm間隙，下放至設置標高后，潛水員采用兜底環板+環形砂袋填塞的方法進行堵漏。

3.3 內支撐系統

箱側板內側設置兩層圍檁支撐，第一層圍檁支撐在承臺頂標高+3.2 m處，第二層圍檁支撐在承臺頂標高+0.4 m處。圍檁采用2Ⅱ32a型鋼，內支撐設計成“十”字，采用φ426 mm×6 mm鋼管。圍檁在后場分節加工，在連接處設置連接板，現場安裝時采用螺栓進行連接。圍檁與側板間每隔3 m設置一道焊縫，防止側板外擴。詳見圖3。

圖3 內支撐構造圖(cm)

3.4 懸吊下放系統

懸吊系統由承重梁、扁擔梁、墊梁、吊桿、導向架組成。其中，承重梁采用2Ⅱ45a工字鋼，扁擔梁、墊梁均采用2Ⅱ25a工字鋼，吊桿采用直徑為φ32 mm精軋螺紋鋼，導向架采用短節Ⅱ32a型鋼，與內圍檁之間滿焊。懸吊系統拼裝完畢后，檢查套箱和支撐無誤后方可進行套箱下放。套箱下放時，利用螺帽的調整，對千斤頂進行張力、收力便可完成套箱的下放。

3.5 反壓系統

本項目無封底式混凝土底板套箱主要原理是利用反壓系統將鋼護筒與套箱之間進行反壓，以抵抗施工時水的浮力；同時，在澆筑承臺時，需要承受作用在底板的重力。反壓系統主要由護筒周邊的反壓桿、反壓牛腿、拉壓桿、拉壓牛腿以及最終體系轉換后的剪力桿組成，其中反壓桿、拉壓桿采用2Ⅱ40的工字鋼，牛腿采用10 mm鋼板加工而成。其工序主要有以下三步：(1)反壓桿、拉壓桿底部與底板上的反壓系統預埋板相連，頂部設置牛腿；(2)反壓系統與套箱整體下放，下放時底板與鋼護筒之間縫隙沒有封閉，保持圍堰內外水壓平衡，套箱下放到位后，在頂部將牛腿與護筒之間進行焊接；(3)封堵底板縫隙抽水完畢后，在拉壓桿和反壓桿底部與護筒焊接，完成受力轉換。詳見圖4。

圖4 反壓系統結構圖

4 套箱安全性計算

4.1 底板混凝土及配筋計算

本方案的套箱和常規套箱最大的區別是取消封底混凝土，采用剛性大鋼筋混凝土底板和反壓系統結合，使得施工過程中產生的套箱浮力、套箱重力、承臺混凝土重力等實現力學平衡。由于側板、支撐系統、懸吊系統和常規的鋼套箱相差不大，受力分析相近，較為成熟安全，因此本文重點概述底板和反壓系統的安全性能。當出現以下兩種工況時，為套箱最不利的工況組合，其底板受力及荷載組合分析如下：

工況一：高水位(+3.98 m)時，鋼套箱內抽水完畢后，底板抗浮荷載：浮力-套箱自重=(1.4×8×10×9.55×9-1.2×432.7-1.2×26×0.4×9.55×9)/(9.55×9)=93.9 kN/m2，荷載作用于預制板底面。

工況二：低水位(-2.52 m)時，澆筑3 m承臺混凝土，底板抗下滑荷載：承臺混凝土自重+套箱自重-浮力=(1.4×26×3×9.55×9+1.2×43.27+1.2×26×0.4×9.55×9-1.4×1.5×10×9.55×9)/(9.55×9)=106.7 kN/m2。

對鋼筋混凝土底板設計計算時，以底板面荷載較大的工況二進行設計計算。按照《混凝土結構設計規范》(GB50010-2010)第7.2條，正截面受彎梁的承載力應符合式(1)規定：

M≤b·α1·fc·x·(h0-x/2)

(1)

式中：M——彎矩設計值，混凝土板厚度為40 cm，圈梁和次梁高度為70 cm；

α1——混凝土等級為C25，α1=1；

fc——C25混凝土軸心抗壓強度設計值，fc=11.9 MPa；

h0——截面有效高度(cm)；

b——計算截面寬度，b=1 000 mm；

x——混凝土受壓區高度(cm)。

所需鋼筋數量：將已知各值代入式(2)：

As1=b·α1·fc·x/fy

(2)

式中：As1——受拉區縱向普通鋼筋的截面面積(mm2)；

fy——普通鋼筋抗拉強度設計值(MPa)。

采用HRB400的φ20 mm熱軋帶肋鋼筋，鋼筋保護層厚度C=30 mm，故經以上計算得出：混凝土底板采用雙層鋼筋布置，采用φ20 mm鋼筋，垂直于底板長邊方向鋼筋間距為20 cm；平行于底板長邊方向鋼筋間距為25 cm；圈梁雙層布筋，鋼筋間距為12 cm；次梁單層布筋，鋼筋間距為12 cm。本方案的配筋滿足要求。

4.2 套箱抗浮豎向牛腿焊縫及壓桿支撐驗算

套箱抗浮受力體系驗算分成兩個步驟：(1)轉換前，在鋼護筒割除前由套箱內的拉壓桿及反拉桿支撐抗浮，荷載通過反壓牛腿與鋼護筒的焊縫傳遞到鋼護筒上；(2)轉換后，待抽水完畢，在鋼護筒割除后由剪力桿支撐抗浮，荷載通過剪力桿與底節預留的鋼護筒焊縫傳遞到鋼護筒上。

對混凝土底板建模，計算各支撐點的支點反力，考慮抗浮安全系數為1.2，抗浮支撐支點反力為396.8×1.2=476.16 kN。

4.2.1 轉換前結構驗算

對2Ⅱ40壓桿的應力、變形及壓桿穩定性進行計算：

2Ⅱ40壓桿最大應力為27.9 kPa，變形為1.08 mm。壓桿穩定計算：最大軸向力N=476.1 kN，回轉半徑i=159 mm；按鋼管樁自由長度為l=8 000 mm，截面面積Am=17 200 mm2，長細比λ=10/i=8 000/159=50.6，穩定系數φ=0.828。穩定性計算應力[N]=φ×Am×[σ]=0.828×17 200 mm2×215 MPa=30 619 kN>476.1 kN，單樁穩定性滿足要求。

4.2.2 對反壓牛腿的焊縫驗算

反壓牛腿剪力為V=476.16 kN，彎矩為M=476.16 kN×0.27 m=128.5 kN·m；牛腿腹板與鋼護筒焊接為兩塊高300 mm×厚10 mm的鋼板，牛腿蓋板為寬450 mm×厚10 mm的鋼板，均采用單面坡口焊，焊縫厚度為12 mm，有效厚度為10 mm。根據軟件計算：

剪應力τ=V/Aw=476 160/6 000=79.36 MPa；

彎應力σ=128.5 kN·m/1 000 cm3=128.5 MPa；

綜合應力σq=[(σ/1.22)2+τ2]0.5=131.8 MPa，均<160 MPa，滿足要求。

4.2.3 轉換后焊縫結構驗算

在鋼護筒割除后由剪力桿支撐抗浮，荷載通過剪力桿與底節預留的鋼護筒焊縫傳遞到鋼護筒上，計算剪力桿與護筒焊縫強度。剪力桿與鋼護筒采用單面坡口焊，焊縫厚度為12 mm，有效厚度為10 mm。根據軟件計算：

剪應力τ=V/Aw=238 030/4 000=59.5 MPa；

彎應力σ=64.28 kN·m/775 cm3=82.9 MPa；

綜合應力σq=[(σ/1.22)2+τ2]0.5=107 MPa，均<160 MPa，滿足要求。

5 結語

實踐證明，大風江大橋海上承臺無封底預制混凝土底板套箱施工技術安全可靠，操作簡單，切實可行，為項目建設帶來先進的施工技術。相比較常規的鋼套箱圍堰施工，此工藝取消了厚重的封底混凝土，用混凝土底板取代鋼骨架底板，在工期和經濟上占據了優勢。此工藝技術為工程節約大量的混凝土和鋼材，相比常規的鋼套箱施工技術，以2021年的材料定額為準，使用此方案可為每一個承臺施工節約成本10萬元以上。本文對大風江大橋海上承臺無封底預制混凝土底板套箱施工技術進行了闡述，對其受力安全性作了分析，得出相應的結論，供行業參考。