龍門大橋東引橋單壁鋼吊箱結構設計與有限元分析

馬瀾錦，肖益新，陳 亮

(1.廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530200；2.廣西欣港交通投資有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

因結構形式及施工原理簡易有效，鋼吊箱圍堰廣泛應用于水中高樁承臺施工。鋼吊箱圍堰結構主要為用于隔絕外部水流的向上開口的箱式結構，其可在目標結構物處形成無水環境，使常規設備、人員得以入內施工，且無須開展危險性及成本偏高的水下作業[1]。鋼吊箱安裝到位后，其依靠箱底混凝土與樁基礎間的結合力支撐自身重量，并通過內部搭設的圍檁及支撐抵抗外部的靜水壓力。合理地進行鋼吊箱的結構設計可有效地提高施工圍堰的安全系數，并有效地降低施工中非必要的材料消耗。

本文以廣西濱海公路龍門大橋東引橋承臺施工為例，采用Midas Civil有限元計算軟件對水中承臺施工過程中使用的鋼吊箱圍堰進行建模，并復核其在高潮差潮汐環境下結構的強度、剛度及穩定性。所得結果符合行業規范要求，該鋼吊箱結構設計可以用于指導現場施工。

1 工程概況

1.1 工程環境

龍門大橋是國道G228丹東至東興廣西濱海公路建設的控制性工程，是北欽防一體化基礎設施互聯互通的關鍵節點工程之一。該大橋線路全長7.637 28 km，由引橋+龍門大橋主橋構成，東引橋自擦人墩島穿越七十二涇海域接至近岸處的揚帆立交，工程場地總體上為海岸地貌，包括濱海剝蝕殘丘、孤島、海槽、灘涂及蝦塘等微地貌單元，海床及島上原地面地形高低起伏，高程在-20～30 m呈不規律分布。東引橋路線第一區段為擦人墩島到旱涇長嶺之間的海域，擦人墩島東側海槽水深最大達22 m。100年一遇高水位為3.98 m，最低水位為-1.87 m。具體水深分布如圖1所示。

圖1 龍門大橋東引橋水深分布圖

1.2 鋼吊箱結構設計概況

鋼吊箱設計共分為4部分：承重底板、隔水側板、內部支撐、下放及懸掛系統。

圖2 鋼吊箱底板結構簡圖(mm)

圖3 鋼吊箱側板結構簡圖(mm)

圖4 鋼吊箱內部支撐結構側視簡圖(mm)

圖5 鋼吊箱內部支撐結構俯視簡圖(mm)

圖6 鋼吊箱內部支撐結構正視簡圖(mm)

2 結構計算

2.1 結構建模

計算模型中采用梁單元模擬各類桿件，側壁鋼板使用板單元進行模擬，封底混凝土采用實體單元進行模擬。封底混凝土與樁基礎相交的節點采用一般支承固結，各連接桿件間采用剛性連接的主從約束進行連接，僅釋放單元下撓及起拱方向上的變形，模擬焊接結構受力，懸掛系統中的吊桿單元兩端釋放轉動方向上的約束，模擬鉸接。已建模型見圖7。

圖7 鋼吊箱模型圖

2.2 荷載工況

恒載：結構自重，鋼材基本容重取78.5 kN/m3；干、濕混凝土容重取25 kN/m3，封底混凝土厚度為1 m，取濕封底混凝土澆筑荷載為25 kN/m2；水下承臺厚度為3 m，取承臺混凝土澆筑荷載為75 kN/m2。

活荷載：靜水壓力荷載，由物理公式P=γ×g×h計算得出，最大壓強為80.16 kN/m2；潮流荷載，根據《港口工程荷載規范》(JTS 144-1-2010)推薦港工結構水流力的計算公式Fw=0.5Cw·ρ·A·v2確定[3]，Cw一般為0.73，ρ取1.03，速度取1.5 m/s。

2.3 施工工況及荷載組合

鋼吊箱的使用包含組裝后下放至水下承臺位置、澆筑封底混凝土、安裝內部支撐并抽除箱內水、施工承臺4個工況。為盡可能真實地模擬鋼吊箱施工的步驟，模型中各施工階段對應的荷載組合及模型內激活結構如表1所示。

其中，工況1為吊箱安裝工況，鋼吊箱在水位以上拼裝完成后，通過8根精軋螺紋桿和穿心千斤頂下放至指定位置，鋼吊箱的支撐全部依賴于底板上的8個吊點。該工況主要驗算吊箱底板的結構受力情況。工況2為澆筑封底混凝土工況，將原8道精軋螺紋鋼的懸吊體系更換為16道雙拼C20b槽鋼焊接的拉壓桿后進行封底混凝土澆筑。該工況主要驗算吊箱底板的結構受力情況。工況3為內支撐安裝和抽水工況，完成封底混凝土澆筑且齡期達到7 d后，抽除箱內水體2～3 m，隨后安裝內支撐。該工況主要驗算整個套箱的承載能力。工況4為承臺施工工況，全部內支撐完成安裝，抽除箱內全部水體并進行承臺施工。該工況主要驗算整個套箱的承載能力。

表1 施工工況及對應荷載組合及激活結構分析表

3 結果分析

模型采用容許應力設計法進行計算[4]，各工況下主體型材計算結果如表2所示。

表2 各工況結構最大應力及變形計算結果表

分析表2數據可知：吊箱底板最不利工況發生在吊箱下放階段，底板最大應力為119.2 MPa，距強度設計值145 MPa仍有部分富余；吊箱側板最不利工況發生在承臺施工階段，側板最大應力為140.1 MPa，十分接近強度設計值；吊箱內支撐最不利工況發生在承臺施工階段，最大應力為52.3 MPa，有較大的安全富余空間。

4 結語

(1)經分析，鋼吊箱結構設計滿足施工需求。龍門大橋東引橋橋墩承臺采用該鋼吊箱進行施工，未發生質量、安全事故，驗證了該鋼吊箱設計安全可靠，為其他類似水中承臺工程提供了設計參考。

(2)鋼吊箱整體最不利工況為承臺施工階段，主要影響荷載為靜水壓力。為確保鋼吊箱在承臺施工階段的安全性，實際施工中應嚴格控制澆筑封底混凝土的厚度及內支撐安裝的質量，避免鋼吊箱受力與計算模型不符。

(3)鋼吊箱整體最大位移發生在下放階段，為12.9 mm，其主要受潮流荷載影響，箱體在未安裝內支撐時整體剛度較小，側板抵御變形能力較差，但結構應力較小，如應用于其他水流更快的環境，可在箱內增設臨時內支撐。