沉管隧道管節(jié)大型鋼筋籠抗變形應(yīng)用研究

孟慶龍，王丹

（1.中交二航局第二工程有限公司，重慶 401121；2.中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

沉管隧道管節(jié)大型鋼筋籠抗變形應(yīng)用研究

孟慶龍1，王丹2

（1.中交二航局第二工程有限公司，重慶 401121；2.中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

以港珠澳大橋沉管隧道管節(jié)預(yù)制工程為依托，分析預(yù)制節(jié)段鋼筋籠自穩(wěn)定特點(diǎn)及提高抗變形能力的需求，提出大型鋼筋籠抵抗變形措施及施工工藝，用受力模擬計(jì)算分析優(yōu)化勁性骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，通過實(shí)踐不斷優(yōu)化改進(jìn)，形成大型內(nèi)設(shè)勁性骨架的鋼筋籠綁扎工藝。

港珠澳大橋；沉管隧道；鋼筋籠；抗變形；勁性骨架

1 工程概況

1.1 工程概述

港珠澳大橋沉管隧道管節(jié)采用兩孔一管廊截面形式，寬37.95 m，高11.40 m，底板、側(cè)墻及頂板厚1.50 m，中隔墻厚0.80 m。標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)180 m，分成8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段，每個(gè)節(jié)段長(zhǎng)22.5 m，單個(gè)節(jié)段鋼筋用量約10 500 kN，鋼筋級(jí)別為HRB400?？v、橫向主筋設(shè)計(jì)采用規(guī)格為：橫向：

根據(jù)施工措施和永久使用的需要，沉管內(nèi)部或表面設(shè)置多種預(yù)埋預(yù)留設(shè)施，預(yù)埋預(yù)留設(shè)施均須在鋼筋綁扎過程中安裝定位，與混凝土澆筑成一體。

1.2 預(yù)制節(jié)段鋼筋籠特點(diǎn)

港珠澳大橋沉管隧道是迄今為止世界上最大規(guī)模的海底深埋沉管隧道[2-3]，預(yù)制管節(jié)鋼筋的特點(diǎn)和難點(diǎn)有：1）單個(gè)預(yù)制節(jié)段鋼筋量大，約10 500 kN；2）鋼筋籠綁扎精度要求高；3）滑移臺(tái)車充當(dāng)鋼筋籠支撐，鋼筋定位和綁扎困難；4）鋼筋籠整體高度高，體積龐大，抗變形能力差；5）鋼筋籠頂推及體系轉(zhuǎn)換程序多，工藝較復(fù)雜。

1.3 鋼筋籠綁扎工藝及工裝設(shè)備

管節(jié)工廠法預(yù)制采取后節(jié)段與前節(jié)段匹配施工，要求鋼筋綁扎精度高，采用移動(dòng)式臺(tái)車分區(qū)流水綁扎工藝。移動(dòng)式臺(tái)車分區(qū)流水綁扎工藝每條生產(chǎn)線設(shè)置3個(gè)鋼筋綁扎臺(tái)座，分別綁扎底板、側(cè)（中隔）墻和頂板鋼筋，節(jié)段鋼筋在可移動(dòng)臺(tái)車上進(jìn)行流水綁扎。

鋼筋綁扎流水生產(chǎn)線如圖1所示。

圖1 鋼筋綁扎流水生產(chǎn)線Fig.1 The assembly line of steelbinding

1.4 鋼筋綁扎需解決的問題

沉管管節(jié)大型鋼筋籠整體綁扎需解決大量各類問題，如鋼筋綁扎順序、鋼筋籠內(nèi)振搗通道的設(shè)置、預(yù)埋件（錨固長(zhǎng)、重量大）的安裝、鋼筋籠自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等[4]。

1）鋼筋綁扎順序：主要是主筋、箍筋、拉筋之間綁扎協(xié)調(diào)問題，管節(jié)鋼筋籠體積大、鋼筋直徑粗，局部無法采用閉合箍及雙頭彎鉤拉筋。

2）鋼筋籠振搗通道：由于管節(jié)高度達(dá)11.4 m，側(cè)墻混凝土澆筑時(shí)如只從頂板處振搗，質(zhì)量無法保障，側(cè)墻必須設(shè)置橫向、縱向的振搗通道。

3）預(yù)埋件安裝：管節(jié)鋼端殼、剪力鍵等端部預(yù)埋件重量大，錨固長(zhǎng)，安裝困難，并造成鋼筋籠的局部變形增大。

4）鋼筋籠結(jié)構(gòu)穩(wěn)定：管節(jié)鋼筋籠體積大，側(cè)墻與中墻跨度大，單位體積含筋量高，鋼筋籠綁扎完成后局部變形較大，導(dǎo)致無法入模。

2 大型鋼筋籠加固方式

目前，國(guó)內(nèi)常見的大型鋼筋混凝土構(gòu)件很少采用勁性骨架作為鋼筋籠支撐的構(gòu)件，大都只是在局部加入架立筋、加強(qiáng)筋或板凳筋等方式，以保證該處鋼筋籠不變形。在超大尺寸沉管鋼筋籠綁扎施工中，傳統(tǒng)的鋼筋加固方式已難以滿足設(shè)計(jì)及施工要求。

為滿足鋼筋自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、頂推滑移過程中不變形，滿足鋼筋、預(yù)埋件安裝質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等要求，解決剪力鍵定位精度、振搗通道設(shè)置，結(jié)合類似工程施工經(jīng)驗(yàn)及傳統(tǒng)鋼筋籠加固方式，提出了整體加設(shè)型鋼勁性骨架的方法[5]。

沉管鋼筋勁性骨架主要材料由L75×50×6角鋼（Q235B）及吊點(diǎn)處上弦桿 [16a槽鋼組成，輔助鋼筋短料作為支撐桿件，預(yù)埋件較為集中的端部需作局部補(bǔ)強(qiáng)。整個(gè)型鋼骨架中，沿鋼筋吊架縱向有4條豎桿，選用2L75×50×6雙拼角鋼。每個(gè)預(yù)制節(jié)段（22.5m）共設(shè)置12組勁性骨架，勁性骨架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 勁性骨架結(jié)構(gòu)Fig.2 The structu re of strengthening rib

3 勁性骨架受力分析

3.1 荷載計(jì)算

作用在型鋼骨架上的荷載有兩部分，分別為沉管節(jié)段鋼筋自重產(chǎn)生的荷載、沉管節(jié)段預(yù)埋件自重產(chǎn)生的荷載。預(yù)制節(jié)段各個(gè)區(qū)域鋼筋重量如圖3所示。

計(jì)算過程中不考慮鋼筋綁扎成型后的整體剛度，若型鋼骨架與鋼筋籠連接牢固亦可對(duì)結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生有利影響。在計(jì)算過程中桁架上下弦桿均考慮主筋與其連接且共同受力，施工過程中應(yīng)將此鋼筋與桁架弦桿焊接牢固。

計(jì)算鋼筋骨架整體受力過程中鋼筋自重產(chǎn)生的荷載按照均布荷載計(jì)算，由于不考慮鋼筋綁扎成型后的整體剛度，因此荷載系數(shù)取1.0。

頂板頂面均布荷載：q1=2.08 kN/m2；

頂板底面均布荷載：q2=1.94 kN/m2；

斜角頂面均布荷載：q3=1.18 kN/m2；

斜角底面均布荷載：q4=3.09 kN/m2；

側(cè)墻外側(cè)均布荷載：q5=2.49 kN/m2；

側(cè)墻內(nèi)側(cè)均布荷載：q6=1.30 kN/m2；

底板頂面均布荷載：q7=2.00 kN/m2；

底板底面均布荷載：q8=1.62 kN/m2；

內(nèi)隔墻面1荷載：q9=0.84 kN/m2；

內(nèi)隔墻面2荷載：q10=0.88 kN/m2；

端部預(yù)埋件荷載（1.5m范圍）：qu=4.45 kN/m2。

圖3 預(yù)制節(jié)段各個(gè)區(qū)域鋼筋重量Fig.3 Precastsegmental reinforced amount of each partition

3.2 結(jié)構(gòu)建模

采用Midas軟件對(duì)型鋼骨架進(jìn)行整體建模計(jì)算，型鋼骨架所有桿件均采用梁?jiǎn)卧?，桿件除了局部加強(qiáng)外，均采用L75×50×6角鋼；吊點(diǎn)處上弦桿采用 [16a槽鋼；預(yù)埋件較為集中的端部需作局部補(bǔ)強(qiáng)，整個(gè)型鋼骨架中有4處豎桿選用2L75×50×6角鋼；弦桿外側(cè)建立梁?jiǎn)卧M鋼筋，并與弦桿作桿剛性連接，確保其與弦桿共同受力。受力體系中同時(shí)考慮4臺(tái)鋼筋吊架，每個(gè)吊點(diǎn)提供70 kN吊力參與鋼筋勁性骨架整體受力。

3.3 計(jì)算結(jié)果

3.3.1 軸向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

軸向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖4。桁架桿件最大拉力為98.9 MPa，滿足規(guī)范要求；桁架桿件最大壓力為87.8 MPa，滿足規(guī)范要求。桁架桿件長(zhǎng)細(xì)比不大，壓應(yīng)力也不大，因此對(duì)桿件的穩(wěn)定性不做驗(yàn)算。

圖4 軸向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Fig.4 Theaxialstress calculation results

3.3.2 整體模型強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

型鋼骨架結(jié)構(gòu)整體模型計(jì)算最大組合應(yīng)力為200MPa，滿足規(guī)范要求。

3.3.3 整體模型變形計(jì)算結(jié)果

整體模型變形計(jì)算結(jié)果見圖5。型鋼骨架結(jié)構(gòu)整體模型計(jì)算最大撓度為8.74×10-3m，可在頂板跨中設(shè)置0.015m預(yù)拱。

4 勁性骨架施工順序及注意事項(xiàng)

4.1 勁性骨施工順序

圖5 整體變形計(jì)算結(jié)果Fig.5 The overall deform ation calculation results

根據(jù)勁性骨架結(jié)構(gòu)圖，結(jié)合考慮鋼筋綁扎需求、骨架加工車間場(chǎng)地大小等因素，將骨架分解為若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元進(jìn)行后場(chǎng)加工，按使用部位不同分為底板、豎墻、頂板三種類型分類存放，使用時(shí)根據(jù)鋼筋綁扎順序，逐一安裝底板骨架、豎墻骨架、頂板骨架，最終形成整體。鋼筋綁扎與勁性骨架安裝順序如下：

1）底板底層鋼筋綁扎——底板勁性骨架安裝——底板頂層鋼筋綁扎。

2）豎墻外層鋼筋綁扎——豎墻勁性骨架安裝——豎墻內(nèi)層鋼筋綁扎。

3）頂板底層鋼筋綁扎——頂板勁性骨架安裝——頂板頂層鋼筋綁扎。

4.2 勁性骨施工注意事項(xiàng)

1）勁性骨架加工外形尺寸偏差、焊接質(zhì)量需滿足設(shè)計(jì)要求。

2）每個(gè)斷面的骨架需確保所有安裝單元在同一個(gè)平面上。

3）勁性骨架安裝時(shí)確保角鋼的直角部朝下，避免混凝土振搗時(shí)氣泡堆積，影響混凝土密實(shí)度。

5 結(jié)語

港珠澳大橋島隧工程沉管預(yù)制廠采用勁性骨結(jié)構(gòu)有效加強(qiáng)了鋼筋籠抗變形能力。目前沉管預(yù)制已完成24個(gè)管節(jié)，綁扎完成近400個(gè)鋼筋籠，頂板跨中平均變形量小于0.02 m，通過對(duì)鋼筋籠設(shè)置一定的預(yù)拱度，很好地解決了鋼筋籠的變形問題。

[1]楊紹斌，張洪.自動(dòng)化鋼筋加工生產(chǎn)線在港珠澳大橋沉管預(yù)制中的運(yùn)用[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2013（3）：66-70. YANGShao-bin,ZHANG Hong.Automated reinforcementproduction line used in prefabrication of immersed tube sections for Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J].China Harbour Engineering, 2013(3):66-70.

[2] 尹海卿.港珠澳大橋島隧工程設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù)[J].隧道建設(shè)，2014，34（1）：60-66. YINHai-qing.Key technologies app lied in design and construction of artificial islands and immersed tunnel of Hongkong-Zhuhai-Macau Bridge(HZMB)Project[J].Tunnel Construction,2014,34 (1):60-66.

[3] 陳韶章.沉管隧道設(shè)計(jì)與施工[M].北京：科學(xué)出版社，2002. CHEN Shao-zhang.Design and construction of immersed tunnel [M].Beijing:Science Press,2002.

[4]蘇權(quán)科，羅垚，袁勇.港珠澳大橋沉管隧道1/4足尺節(jié)段澆筑試驗(yàn)分析[J].施工技術(shù)，2013（13）：71-75. SUQuan-ke,LUO Yao,YUAN Yong.Study on casting test of immersed tunnel segment in Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J]. Construction Technology,2013(13):71-75.

[5] 馮偉，戴書學(xué)，李凱凱.工廠法預(yù)制沉管鋼筋籠變形控制[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2015，35（7）：14-17. FENG Wei,DAI Shu-xue,LI Kai-kai.Deformation control for steel cage ofprefabricated factory immersed tube[J].China Harbour Engineering,2015,35(7):14-17.

App lication research on anti-deformation of large-scale reinforcement cage for immersed tunnel element

MENGQing-long1，WANGDan2
（1.China Communications2nd Navigational Bureau 2nd Engineering Co.,Ltd.,Chongqing401121,China; 2.No.1 Eng.Co.,Ltd.of CCCCFirstHarbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300456,China）

Based on the immersed tunnel element prefabrication of the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge,we analyzed the reinforcement cage self-steady feature and the anti-deformation requirements,propounded the method statement of anti deformation for large-scale reinforcement cage,analyzed and optimized the designing scheme of strengthening rib structure by stress simulation calculation.A binding technology of reinforcement cage with large-scale strengthening rib has been formed through practice and continuous optim ization and improvement.

Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge;immersed tunnel;reinforcement cage;anti-deformation;strengthening rib

U455.46

B

2095-7874（2015）11-0008-04

10.7640/zggw js201511003

2015-10-12

2015-10-19

孟慶龍（1982— ），男，河北秦皇島市人，碩士，工程師，地下建筑及建筑與土木工程工程管理專業(yè)。E-mail：55051039@qq.com