海上承臺雙壁鋼吊箱圍堰設(shè)計與施工

王曉敬,馬行政

(中鐵大橋局集團(tuán)第二工程有限公司, 南京 210015)

1 工程概況

大連長?？h長山大橋為連接大長山島與小長山島的海上橋梁,雙向4車道。主橋為(140+260+140) m雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋,橋梁結(jié)構(gòu)采用塔墩梁固結(jié)的連續(xù)剛構(gòu)體系。主梁箱梁中心線處梁高跨中4.5 m,主墩根部9.0 m,主墩根部57.0 m的范圍為梁高變化區(qū)間,采用二次拋物線變化,橋梁全寬23.0 m。斜拉索采用扇形布置,梁上拉索錨固點橫向間距21.6 m,斜拉索在主梁上的標(biāo)準(zhǔn)索距為4.0 m,在塔上的標(biāo)準(zhǔn)索距為0.8 m。本橋索塔采用雙柱形混凝土塔,含雙薄壁墩及墩座索塔全高71.649 m,下塔柱為雙薄壁墩,橫截面倒花瓶型,每個薄壁墩均采用2個9.0 m×1.2 m的矩形截面,中間設(shè)置1 m的斷縫,上塔柱為變截面矩形截面。大連長山大橋主橋橋型布置見圖1。主墩基礎(chǔ)采用19根φ2.5 m鉆孔樁,呈梅花形布置,樁中心間距5.5 m,樁基永久護(hù)筒直徑為2.7 m。承臺為正六邊形結(jié)構(gòu),尺寸為27.135 m×23.5 m,厚度5.0 m,承臺底封底混凝土厚度為2.0 m。采用雙壁鋼吊箱圍堰的施工方法進(jìn)行承臺施工,雙壁鋼吊箱圍堰在成橋后作為承臺防撞結(jié)構(gòu)予以保留。

圖1 長山大橋主橋橋型布置(單位：cm)

2 雙壁鋼吊箱設(shè)計條件

雙壁鋼吊箱圍堰是為主墩海上承臺施工而設(shè)計的臨時阻水結(jié)構(gòu),其作用是通過雙壁鋼吊箱圍堰側(cè)板和底板上的封底混凝土圍水,為承臺施工提供無水的施工環(huán)境。

雙壁鋼吊箱圍堰的主要特點如下：

(1)圍堰側(cè)壁采用雙壁結(jié)構(gòu),側(cè)板剛度大,內(nèi)支撐材料用量少；

(2)圍堰底板采用吊箱圍堰結(jié)構(gòu)形式,底板承受承臺施工封底混凝土浮重,并通過吊桿傳遞至鋼護(hù)筒,鋼護(hù)筒傳遞豎向力至地基持力層；

(3)圍堰吊掛系統(tǒng)始終承受圍堰自重荷載,減少了封底過程中的底板受力；

(4)圍堰用于承臺施工,圍堰與鋼護(hù)筒形成整體框架結(jié)構(gòu),抵抗水流橫向沖擊。

2.1 工況條件

根據(jù)鋼吊箱圍堰施工工作時段及設(shè)計受力狀態(tài),可按以下幾種工況進(jìn)行分析[4]：(1)拼裝下放階段；(2)封底混凝土澆筑階段；(3)抽水后承臺施工階段。

2.2 水文、結(jié)構(gòu)設(shè)計條件

根據(jù)《大連長?？h長山大橋工程施工圖設(shè)計》提供水文數(shù)據(jù),設(shè)計高水位1.98 m,設(shè)計低水位-2.03 m,浪高1.9 m。圍堰抽水水位按照1.98 m采用,圍堰雙壁頂部表格考慮浪高影響。

圍堰采用正六邊形,外輪廓尺寸25.853 m(寬)×29.852 m(長)×8.896 m(高),壁厚1.2 m?？紤]圍堰側(cè)板內(nèi)壁兼做承臺模板。圍堰頂高程+4.00 m,圍堰底高程-4.896 m,內(nèi)支撐高程+0.9 m,承臺頂高程+2.5 m,承臺底高程-2.5 m,承臺高度5 m,封底混凝土厚2.0 m。

3 雙壁鋼吊箱的結(jié)構(gòu)構(gòu)造

雙壁鋼吊箱圍堰[1]主體結(jié)構(gòu)包括雙壁側(cè)板、底板及龍骨、內(nèi)支撐架、吊掛系統(tǒng)及下放系統(tǒng)等[2]。具體圍堰結(jié)構(gòu)見圖2。

圍堰各部分結(jié)構(gòu)詳述如下。

圖2 底板龍骨及側(cè)板平面布置(單位：mm)

(3)底板與側(cè)板連接。圍堰整體下放采用側(cè)板吊底板的形式,底板龍骨伸出圍堰側(cè)板以外部分采用楔塊及螺栓與側(cè)壁連接牢靠。

(4)內(nèi)支撐架。內(nèi)支撐架為單層鋼管支撐形式,采用φ600 mm,δ=6 mm鋼管樁,內(nèi)支撐架與側(cè)板隔艙板焊接固定。內(nèi)支撐架提高了雙壁鋼圍堰側(cè)板的整體剛度。

(5)封底混凝土。封底混凝土為承臺施工操作平臺。封底混凝土澆筑并達(dá)到一定強(qiáng)度后,圍堰與鋼護(hù)筒間產(chǎn)生黏結(jié)力,使圍堰具有一定抗浮及抗沉能力,抽水后進(jìn)行承臺施工。

(7)下放系統(tǒng)。圍堰采用墩位拼裝,利用護(hù)筒下放,不需要大的起吊設(shè)備。圍堰雙壁內(nèi)設(shè)置8個吊點,底板中部設(shè)置2個輔助吊點,共布置18臺600 kN千斤頂用于圍堰下放。雙壁側(cè)板內(nèi)設(shè)置箱形吊耳[3],防止吊點由于應(yīng)力集中而使側(cè)板受力過大。下放系統(tǒng)在圍堰封底完成前始終保持受力狀態(tài)。

4 雙壁鋼吊箱的設(shè)計計算

根據(jù)圍堰各個受力工況進(jìn)行分析計算,然后對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計,最后對結(jié)構(gòu)采用MIDAS Civil 2006整體建模,具體模型見圖3。

圖3 雙壁鋼吊箱圍堰計算整體模型

4.1 荷載取值

(1)圍堰所受到的水平作用有：靜水壓力荷載,呈倒三角分布于圍堰側(cè)板上；流水壓力,按均布荷載加載至圍堰長方向側(cè)板上；波浪力。根據(jù)《海港水文規(guī)范》[5]附錄K:方形或矩形柱體上波浪力的計算方法K.0.2.1:靜水面以上高度H處的波浪力為零,靜水面處的波浪力ps按

進(jìn)行計算得出線性荷載為波浪力的總合力。 按靜水面處最大,波浪頂及河床底為零的波浪力分布規(guī)律進(jìn)行外側(cè)板加載。

(2)圍堰所受到的豎向作用力有：①吊箱自重；②封底混凝土自重；③水的浮力；④第一次澆筑承臺自重。

(3)施工工況吊箱圍堰結(jié)構(gòu)控制荷載組合如下。

側(cè)板設(shè)計荷載組合：靜水壓力+流水壓力+波浪力。

錐形瓶不能直接加熱，采用試管可避免錐形瓶直接炸裂，發(fā)生意外，還可以減少能量損耗。一般情況下，一粒種子燃燒一分鐘就能將10 mL水煮沸。若容積過大，不僅溫度變化不明顯，而且需要使用較大口徑的試管，從而還需要對易拉罐拉環(huán)口進(jìn)一步裁剪，所以量取容積為15 mL的水。

下放吊掛設(shè)計荷載組合：圍堰自重+水的浮力。

底板設(shè)計荷載組合Ⅰ：封底混凝土自重+水的浮力。

底板設(shè)計荷載組合Ⅱ：圍堰自重+水的浮力。

封底混凝土受力檢算：封底混凝土自重+水的浮力+第一次澆筑承臺自重。

圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計針對上述荷載組合進(jìn)行計算。

4.2 計算內(nèi)容[8]

(1)圍堰拼裝工況下護(hù)筒牛腿的設(shè)置計算；

(2)圍堰下放吊掛受力計算；

(3)高水位抽水工況下,圍堰側(cè)板的設(shè)計計算；

(4)封底混凝土澆筑時,圍堰底板和龍骨的設(shè)計計算；

(5)低水位承臺澆筑時,封底混凝土的受力計算。

4.3 計算結(jié)果

結(jié)合圍堰拼裝、下放以及承臺澆筑過程中各受力工況,對圍堰各部分取最不利工況進(jìn)行計算分析,得出以下結(jié)論。

(1)底板在荷載組合Ⅰ封底混凝土水下澆筑時為控制工況,龍骨最大應(yīng)力92.5 MPa,最大變形6.7 mm,滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50017—2003)[6]要求。

(2)側(cè)板在水流力、波浪力以及靜水壓力荷載組合作用下,雙壁內(nèi)角鋼軸力71.4 kN,水平環(huán)最大組合應(yīng)力137.5 MPa,隔艙板最大組合應(yīng)力73.3 MPa,內(nèi)支撐最大組合應(yīng)力49.3 MPa,滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50017—2003)要求。

(3)承臺澆筑階段,封底混凝土的最大拉應(yīng)力為0.18 MPa,封底混凝土與護(hù)筒間的黏結(jié)力為142.7 kPa<150 kPa(經(jīng)驗值)。

5 雙壁鋼吊箱的施工[7]

圍堰高度不高,側(cè)板高度上不分塊,平面分為12塊,各塊側(cè)板預(yù)先工廠加工,采用原位拼裝精軋螺紋吊掛下放的施工方法,具體施工步驟如下。

(1)圍堰原位拼裝。鉆孔樁施工完成后,拆除平臺,護(hù)筒割除留有一定高度,在護(hù)筒上焊接牛腿,搭設(shè)分配梁,拼裝圍堰。底板以及側(cè)板的分塊考慮到安裝焊接的方便性。

(2)圍堰下放就位。圍堰拼裝完成,通過吊掛系統(tǒng)提升圍堰,拆除牛腿及分配梁,下放圍堰至設(shè)計高程,并在橫、縱橋向精確定位,施工圖片見圖4。

圖4 雙壁鋼吊箱圍堰下放至設(shè)計高程

(3)封底混凝土施工。圍堰下放就位后,在低潮位先進(jìn)行各護(hù)筒吊桿的焊接,然后再在護(hù)筒口周圍堵漏,澆筑封底混凝土,封底混凝土施工過程中確保圍堰內(nèi)外水頭一致。封底混凝土采用C25水下混凝土,其強(qiáng)度和施工滿足相應(yīng)規(guī)范要求。

(4)圍堰抽水。封底混凝土強(qiáng)度達(dá)到規(guī)范要求后,圍堰內(nèi)可進(jìn)行抽水施工。抽水前設(shè)于圍堰側(cè)壁的連通器應(yīng)采取措施堵塞防漏。抽水過程中若海面水位與設(shè)計不符時,應(yīng)根據(jù)實際水位高程進(jìn)行抽水穩(wěn)定計算,從而采取相應(yīng)的施工措施確保安全。

(5)承臺施工。圍堰內(nèi)抽水結(jié)束后,拆除封底以上部分連接吊桿。圍堰內(nèi)泥漿用水清除干凈、封底混凝土頂面突出部分相應(yīng)鑿除。承臺施工按大體積混凝土體施工工藝進(jìn)行,按規(guī)范或設(shè)計要求采取保溫和降溫措施。5 m厚承臺分2次澆筑完成,每次澆筑2.5 m。

7 結(jié)語

大連長山大橋位于兩島之間的海上,海風(fēng)、波浪都很大,每天有2次漲落潮,墩位處水深達(dá)19 m；梅花形布置的鉆孔樁基礎(chǔ),增加了圍堰內(nèi)支撐布置的難度。由于考慮后期防撞要求而采用雙壁鋼吊箱圍堰的結(jié)構(gòu)形式,可提供足夠大的剛度抵御風(fēng)浪的作用,減少內(nèi)支撐的數(shù)量,具有施工方便、整體效益強(qiáng)、安全性能高的特點。長山大橋主墩承臺施工采用雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)取得了顯著成就；節(jié)省了大型起吊設(shè)備的費用,兼作為海上橋梁主通航孔承臺防撞設(shè)施同時對海水環(huán)境中承臺鋼筋的腐蝕起到了保護(hù)和延阻的作用。

[1] 賈珍,季袁飛.淺談南京大勝關(guān)長江大橋主橋4號墩雙壁鋼吊箱圍堰施工[J].石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2008,7(4)：11-15．

[2] 李德坤,李芳軍,朱云翔.深水基礎(chǔ)雙壁吊箱圍堰施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2003(S)：131-134．

[3] 程晨.南京大勝關(guān)長江大橋主橋4號墩雙壁鋼吊箱圍堰整體吊裝設(shè)計與施工[J].橋梁建設(shè),2008(4)：20-23．

[4] 朱勇戰(zhàn).西江特大橋雙壁鋼吊箱設(shè)計與施工[J].山西建筑,2010,36(9)：309-311．

[5] JTJ213—98，海港水文規(guī)范 [S]．

[6] GB50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 [S]．

[7] 張遵明.潮汐環(huán)境中大型超重雙壁吊箱圍堰施工技術(shù)[J].現(xiàn)代交通技術(shù),2008(5)：56-62．

[8] 劉愛林.寧安鐵路安慶長江大橋主塔墩深水基礎(chǔ)施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2012(2)：73-77．