外海無(wú)掩護(hù)海域橋梁高樁沒(méi)水承臺(tái)鋼吊箱設(shè)計(jì)

周華，喬光，朱煒煒

（中交一航局第三工程有限公司，遼寧 大連 116001）

1 工程概況

大連南部濱海大道工程二標(biāo)段承臺(tái)共131座，其中海上120座，均為矩形承臺(tái)。海上承臺(tái)主要以結(jié)構(gòu)尺寸9.1 m×9.1 m×3.05 m為主，頂標(biāo)高為+0.55 m（黃海標(biāo)高），承臺(tái)四角帶半徑0.5 m的圓弧倒角（圖1）。

圖1 鋼吊箱效果圖Fig.1 Design sketch of steel boxed

承臺(tái)施工采用單壁有底鋼吊箱施工方案。鋼吊箱既作為止水圍堰又作為承臺(tái)混凝土模板，側(cè)模采用鋼結(jié)構(gòu)，底板采用預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)[1]。

施工時(shí)，先將吊掛系統(tǒng)安裝在鉆孔樁鋼護(hù)筒頂部，預(yù)制混凝土底板在標(biāo)高+1.8 m位置進(jìn)行組裝并安裝鋼吊箱側(cè)壁，利用吊掛系統(tǒng)將鋼吊箱整體吊放至水中，澆筑0.8 m厚封底混凝土，待封底混凝土強(qiáng)度滿足要求后，吊箱內(nèi)抽水后干法施工承臺(tái)。

2 鋼吊箱設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)基本參數(shù)

設(shè)計(jì)基本參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 鋼吊箱設(shè)計(jì)最不利工況

鋼吊箱結(jié)構(gòu)的受力組合最不利工況為：工況一封底混凝土抽水階段；工況二承臺(tái)混凝土施工初凝階段。

2.3 荷載計(jì)算

1） 風(fēng)荷載取值

采用JTS 144-1—2010《港口工程荷載規(guī)范》[3]

表1 基本參數(shù)表Table1 Basic parameters

3） 波浪荷載

采用 JTS 145-2—2013《海港水文規(guī)范》[5]波浪對(duì)直墻式建筑物的作用計(jì)算方法，將鋼吊箱等效為直墻結(jié)構(gòu)，波態(tài)為立波，基床為暗基床[6]。

鋼吊箱在波峰作用時(shí)受到波壓力作用，在波谷作用時(shí)受到波吸力作用，且底部一直受到浮托力的影響，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 波浪荷載參數(shù)計(jì)算值表Table2 Calculation valueof waveload parameter

4） 靜水壓力

靜水壓力計(jì)算見(jiàn)表3。

表3 靜水壓力計(jì)算值表Table 3 Calculation value of hydrostatic pressure

波峰和波谷受力工況荷載示意圖如圖2。

3 鋼吊箱有限元分析

3.1 有限元模型建立

采用MIDAS/Civil有限元軟件進(jìn)行受力計(jì)算。建立鋼吊箱有限元模型如圖3、圖4，通過(guò)加載模擬各個(gè)不同施工工況，分析鋼吊箱在不同工況下的變形和受力狀況[6]。

3.2 鋼吊箱結(jié)構(gòu)靜力分析和整體穩(wěn)定性分析

通過(guò)分析，鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)在最不利工況一下受外荷載最大，此時(shí)鋼吊箱內(nèi)封底混凝土澆筑完成，其荷載組合有：自重+風(fēng)荷載+波浪荷載+靜水壓力+水流荷載+封底混凝土重量+封底混凝土側(cè)壓力+浮托力。

1）波峰時(shí)鋼吊箱受力分析

波峰時(shí)鋼吊箱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

可以看出鋼吊箱頂口的環(huán)形圈梁應(yīng)力最大，超過(guò)允許值，為了減小整體結(jié)構(gòu)用鋼量，實(shí)際加工時(shí)在此處添加了肋板和局部補(bǔ)強(qiáng)鋼板，計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 最不利工況一波峰和波谷時(shí)受力圖Fig.2 Stressof the wave peaksand troughsin the worst operating condition

圖3 承臺(tái)鋼吊箱有限元模型Fig.3 Finiteelement model of thecap steel boxed

圖4 鋼吊箱混凝土底板有限元模型Fig.4 Finite element model of the steel boxed concrete slab

2） 波谷時(shí)鋼吊箱受力分析

表4 波峰時(shí)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Table 4 Stress results of wave peak

波谷時(shí)鋼吊箱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 波谷時(shí)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Table5 Stressresultsof wavetrough

3） 工況荷載分析

鋼吊箱混凝土底板在工況二作用下受力最大，此時(shí)承臺(tái)混凝土澆筑完成，但是并沒(méi)有終凝，結(jié)構(gòu)除了受到工況一的外荷載外，箱內(nèi)還有混凝土自重荷載[7]?；炷恋装逵邢拊治鼋Y(jié)果見(jiàn)表6。

表6 混凝土底板有限元分析結(jié)果Table 6 Finite element analysis results of concrete slab

設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行配筋計(jì)算，不再贅述。

4 結(jié)語(yǔ)

本次鋼吊箱設(shè)計(jì)充分考慮各種可能出現(xiàn)的最不利施工工況，分析結(jié)構(gòu)在波峰時(shí)的最不利工況，優(yōu)化設(shè)計(jì)鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)；分析波谷時(shí)的最不利工況，增設(shè)了內(nèi)十字支撐，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性；分析各種工況下的波浪浮托力，設(shè)計(jì)了混凝土底板，有效抵抗外海無(wú)掩護(hù)水域風(fēng)急浪大、浮托力大的不利因素。

本次鋼吊箱設(shè)計(jì)做到了用料省、結(jié)構(gòu)安全、工藝簡(jiǎn)單，在實(shí)際施工過(guò)程中，各結(jié)構(gòu)單元分塊組裝，輕便快捷，本工程共投入30套鋼吊箱，施工周期約2 a，遇到多次大風(fēng)巨浪惡劣海況，未發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞或被吹入海中等情況，取得了良好的施工效果，可推廣使用。