西江特大橋雙壁鋼吊箱設(shè)計(jì)與施工

朱勇戰(zhàn)

1 工程概況

西江特大橋是廣珠城際軌道交通工程的重難點(diǎn)控制工程。本文主要針對(duì)142號(hào)橋墩,研究大型鋼吊箱在施工過程中各工況的受力特性。根據(jù)勘察和設(shè)計(jì)資料,施工水位達(dá)到21 m,因此設(shè)計(jì)時(shí)采用雙壁吊箱結(jié)構(gòu)。

2 吊箱結(jié)構(gòu)

鋼吊箱圍堰為雙壁圓角矩形,其平面尺寸為：24.53 m×18.9 m(水流方向)×21.5 m(高度),吊箱內(nèi)外壁之間相距 1.4 m。吊箱在高度方向上分三節(jié)(6 m,7.5 m,8 m),吊箱內(nèi)部在高度方向上設(shè)有兩道內(nèi)支撐。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)起吊和運(yùn)輸能力可對(duì)吊箱每節(jié)進(jìn)行分塊,以便鋼吊箱的吊裝、運(yùn)輸和拼組;壁板為6 mm厚鋼板,壁板水平方向設(shè)置加勁角鋼,豎向在壁倉(cāng)內(nèi)設(shè)置隔艙板,隔艙板與壁板相交處設(shè)置10 mm×300 mm補(bǔ)強(qiáng)板,同時(shí)在隔艙板上設(shè)置加勁肋;底板厚度 6 mm,大龍骨為焊接工字鋼600(500×20/560×16/500×20)mm,小龍骨為焊接工字鋼 400(300×20/360×12/300×20)mm,小龍骨為間斷,并在間斷處與大龍骨焊接連接;水平設(shè)兩道水平支撐,采用φ 720×12 mm;設(shè)26根抗壓(拉)柱,每根柱由2[36a槽鋼拼成箱形斷面,長(zhǎng)20.894 m,每根抗壓(拉)柱都要與中間內(nèi)支撐用鋼板焊接連接,以便減小自由長(zhǎng)度,增加抗壓(拉)柱的穩(wěn)定性。在抽水過程中,間隔3 m用20a槽鋼兩根與鋼護(hù)筒之間焊接一道連接桿件;封底采用C25混凝土,厚度為3 m。

3 工況計(jì)算與應(yīng)力分析

3.1 有限元結(jié)構(gòu)分析

本文借助大型通用有限元軟件MSC-Patran/Nastran,考慮整體結(jié)構(gòu)對(duì)稱性,選取二分之一結(jié)構(gòu),建立三維空間有限元結(jié)構(gòu)模型。鋼材材料參數(shù)：彈性模量 E=210 GPa,泊松比 v=0.3,密度ρ=7 850 kg/m3,采用線彈性本構(gòu)模型模擬。單元選取時(shí)除了底板加勁肋和水平桁架采用梁?jiǎn)卧酝?其余所有構(gòu)件均采用板單元模擬,使有限元模型盡量接近實(shí)際結(jié)構(gòu),計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確。

3.2 工況及載荷分析

工況一：鋼吊箱下沉及封底混凝土澆筑。吊箱為雙壁結(jié)構(gòu),通過壁倉(cāng)注水下沉,靠浮力來抵制吊箱結(jié)構(gòu)重力,此時(shí)壁板和底板主要承受由于壁間內(nèi)外水頭差產(chǎn)生的水壓力?？紤]3.4 m封底混凝土一次澆筑時(shí),由于封底混凝土未固結(jié),沒有剛度,底板還承受封底混凝土產(chǎn)生的壓力。

工況二：封底混凝土固結(jié)后,抽干吊箱內(nèi)部的水。為了使得上浮力較小,往壁艙內(nèi)注水與壁倉(cāng)外水位相平,此時(shí)只有吊箱內(nèi)壁受水壓力作用。封底混凝土固結(jié),與底板結(jié)合成整體,整體上浮力靠封底混凝土與鋼護(hù)筒之間的粘結(jié)力和拉壓桿一起承受。

工況三：底節(jié)支撐拆除。為了有足夠的空間進(jìn)行橋墩施工,第一節(jié)承臺(tái)(5 m)混凝土固結(jié)后拆除底節(jié)支撐,承臺(tái)替代下層支撐受力。主要驗(yàn)算壁板、隔艙板、上層支撐的變形和受力。

工況四：調(diào)整頂節(jié)支撐形式。承臺(tái)頂面與施工水位相差13 m,不能直接拆除頂節(jié)支撐進(jìn)行墩身施工,第一次墩身施工到頂節(jié)支撐附近后調(diào)整支撐形式后再進(jìn)行墩身施工,同時(shí)往吊箱內(nèi)部注水至施工位置,減小內(nèi)外水頭差。

設(shè)計(jì)載荷除了考慮由于水頭差產(chǎn)生靜水壓力和混凝土對(duì)壁板壓力以外,還考慮沿水流方向引起的流水壓力,設(shè)計(jì)流速按v=2 m/s計(jì)算,在水流方向產(chǎn)生的流水壓力為0.004 MPa,按均布載荷加載。

3.3 吊箱計(jì)算結(jié)果及分析

分四種工況形式對(duì)整個(gè)施工過程進(jìn)行了計(jì)算,計(jì)算結(jié)果列入表1。

表1 應(yīng)力分布表 MPa

從表1的計(jì)算結(jié)果可以看到,結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力和最大變形都出現(xiàn)在工況一,主要是由于封底混凝土未固結(jié)前對(duì)底板的豎向壓力而產(chǎn)生的,封底混凝土固結(jié)后與鋼吊箱底板以及大小龍骨組合成整體一起受力,因此工況二、三、四計(jì)算中不用考慮底板的破壞,工況一為底板最不利工況;壁板、隔艙板、水平角鋼及圍檁的最大應(yīng)力分別為128 MPa,143 MPa,134 MPa和149 MPa,出現(xiàn)在工況二,工況二為封底混凝土固結(jié)后抽水工況,吊箱內(nèi)外水頭差接近18 m,為吊箱施工最不利工況,相比而言水平桁架受力較小,內(nèi)外壁板的傳力主要通過隔艙板來連接,設(shè)計(jì)時(shí)通過沿壁倉(cāng)周長(zhǎng)方向間隔1.5 m～2 m設(shè)置一道隔艙板,從位移變形可以看到,吊箱圍堰的整體變形很小,水平桁架主要起保持結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性作用;工況三與工況二相比,承臺(tái)替代了底節(jié)支撐,除了內(nèi)支撐應(yīng)力有所減小外,其余構(gòu)件受力沒有明顯變化;整個(gè)計(jì)算過程除了底板局部最大應(yīng)力達(dá)到172 MPa外,其余構(gòu)件應(yīng)力均在170 MPa以內(nèi),并且整體結(jié)構(gòu)變形也相對(duì)較小,滿足施工要求,為安全施工,可以采取對(duì)封底混凝土分兩次澆筑,從而可以減小封底混凝土對(duì)底板作用,減小底板應(yīng)力。

4 整體計(jì)算

4.1 整體屈曲分析

對(duì)四種工況進(jìn)行對(duì)比分析,工況二與工況三兩種情況下,壁艙與吊箱內(nèi)的水頭差最大分別為17.9 m和12.9 m,從計(jì)算也可以看到,內(nèi)支撐、圍檁以及隔艙板所受壓應(yīng)力相對(duì)較大。因此分別選擇工況二與工況三兩種情況進(jìn)行屈曲分析。同樣借助MSCNastran進(jìn)行分析。

最后計(jì)算得到,工況二與工況三兩種情況下的屈曲系數(shù)分別為4.1和 4.77,均大于4,說明整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也能得到保證。

4.2 整體抗沉浮計(jì)算

26根拉壓桿按均勻受力考慮,吊箱總重 G=760 t,吊箱底面積St=344.96 m2,壁倉(cāng)底面積 S2=107.2 m2,護(hù)筒面積 S3=90.5 m2,鋼吊箱的沉浮主要由拉壓桿控制,混凝土與鋼護(hù)筒的粘結(jié)力作為安全儲(chǔ)備,計(jì)算工況一、二單根拉壓桿的受力分別為F1=61.5 t和 F2=-102.8 t。壓桿長(zhǎng)度按10 m考慮,拉壓桿的承載力為：F拉=207 t和 F壓=153 t,因此整體抗沉浮滿足要求。

4.3 樁的抗彎與抗拉驗(yàn)算

當(dāng)封底混凝土固結(jié)后與鋼護(hù)筒結(jié)合成整體,吊箱所承受的水流沖擊力為非對(duì)稱力,使得樁承受一定的彎矩,流水壓力按前面計(jì)算取最大值0.004 MPa,為倒三角形式分布,同時(shí)豎直方向吊箱底部承受水壓力為0.135 MPa。直徑2.8 m的鉆孔樁承受的最大軸力和彎矩分別為：3.85×106N 和3.96×108N?mm,樁的最大拉應(yīng)力為0.81 MPa＜1.42 MPa,不考慮樁配筋作用下都滿足安全要求。

5 吊箱圍堰的下沉過程

雙壁鋼吊箱采取注水懸浮方式下沉,整體施工主要分以下幾個(gè)過程：1)在鋼護(hù)筒上焊接牛腿作為拼裝平臺(tái),根據(jù)底板分塊在鋼護(hù)筒上設(shè)置吊架,并且用吊架分別吊住每塊底板,吊放設(shè)備采用手葫蘆。在牛腿上拼組焊接,第一節(jié)吊箱焊接好后(包括底板、壁板和拉壓柱),檢查拼接焊縫,確保泌水;2)采用手葫蘆(20 t手葫蘆 36個(gè))將第一節(jié)鋼吊箱提起,拆除牛腿,使鋼吊箱下沉,36個(gè)手葫蘆同步操作,每次下放1.22 m,倒換一次手拉葫蘆的鏈條;3)吊箱下沉到干懸高度接近1 m時(shí),停止下沉,通過手葫蘆以及拉壓柱將吊箱吊放在鋼護(hù)筒上,拼裝并焊接第二節(jié)鋼吊箱;4)重復(fù)操作直到鋼吊箱全部拼裝并下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高,通過連接鋼板將拉壓柱與鋼護(hù)筒焊接相連;5)在每個(gè)鋼護(hù)筒外側(cè)套入兩個(gè)半圓形堵漏圈,沿護(hù)筒下放到底板上堵住底板與護(hù)筒縫隙,然后進(jìn)行封底混凝土澆筑;6)封底混凝土凝固后開始抽水,鑿除拉壓柱與護(hù)筒見混凝土,將拉壓柱下端用連接板與鋼護(hù)筒焊接,割除混凝土以上鋼護(hù)筒及拉壓桿;7)進(jìn)行承臺(tái)與墩身施工。

6 結(jié)語(yǔ)

西江特大橋雙壁鋼吊箱施工水位高,施工難度大,設(shè)計(jì)時(shí)采用板殼結(jié)合形勢(shì),與桁架形勢(shì)相比剛度要大,并且加工方便。通過對(duì)整個(gè)施工過程的分析與計(jì)算可以得到：鋼吊箱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力在材料的允許應(yīng)力范圍以內(nèi),并且結(jié)構(gòu)變形很小,拉壓桿受力能夠抵制吊箱結(jié)構(gòu)的下沉與上浮,吊箱結(jié)構(gòu)在施工過程中不會(huì)發(fā)生屈曲,滿足安全施工要求。

[1] GB 50017-2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 王國(guó)正,翟履謙.鋼結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社,1993.

[3] 魏鐘明.鋼結(jié)構(gòu)[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社,2002.

[4] 劉自明.橋梁深水基礎(chǔ)[M].北京：人民交通出版社,2003.

[5] 劉耀東.雙壁鋼吊箱圍堰的仿真計(jì)算及施工關(guān)鍵技術(shù)[J].橋梁建設(shè),2009(2)：63-64.