港珠澳大橋埋置式預(yù)制承臺(tái)安裝體系轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)與施工

王德文 肖世波 文建勇

(1.湖北漢十城際鐵路有限責(zé)任公司，湖北武漢 430062；2.中鐵大橋局集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430050)

1 工程概況

港珠澳大橋CB05標(biāo)非通航孔橋下部結(jié)構(gòu)采用鋼管復(fù)合樁基礎(chǔ)，為了滿足橋位10%阻水率的要求，承臺(tái)采用埋置式基礎(chǔ)。CB05標(biāo)淺水區(qū)非通航孔橋在九洲航道橋以東有53孔，以西有11孔，共62個(gè)墩位。其中，墩高≤27 m為低墩區(qū)，有橋墩49個(gè)(每個(gè)墩分為兩節(jié)預(yù)制、安裝)；墩高>27 m為高墩區(qū)，有橋墩13個(gè)(每個(gè)墩分為三節(jié)預(yù)制、安裝)。全橋共計(jì)137節(jié)(承臺(tái)及底節(jié)墩身62節(jié))，其單件最重約23 500 kN，承臺(tái)尺寸為15.6 m×11.4 m×4.5 m，每個(gè)承臺(tái)設(shè)預(yù)留孔6個(gè)，直徑為2.8 m，預(yù)制構(gòu)件構(gòu)造如圖1所示。

圖1 低墩區(qū)與高墩區(qū)示意(單位：m)

2 工程概況

2.1 潮汐

橋址處的潮汐屬于不規(guī)律半日潮型，設(shè)計(jì)高水位為+1.65 m，設(shè)計(jì)低水位為-0.78 m，平均水位為0.54 m，高潮時(shí)水深5.0～7.0 m，低潮時(shí)水深3.5～5.5 m。

2.2 地質(zhì)

海床面較為平坦，其高程為-6.2～-3.5 m，地層主要為淤泥、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾砂等。

2.3 氣候

橋址區(qū)氣候溫暖潮濕，年氣溫變化不大，降水量多且強(qiáng)度大，風(fēng)向以東南偏東和東風(fēng)為主。橋址區(qū)處于熱帶氣旋路徑上，據(jù)1949年至2008年60年間資料統(tǒng)計(jì)，每年有2～6個(gè)熱帶氣旋襲擊橋位，4～12月均有可能發(fā)生，主要集中在6～10月。

3 總體施工方案

(1)基坑開挖：在橋址對(duì)應(yīng)墩位處安裝圍堰，提供無水的施工作業(yè)環(huán)境。

(2)鋼管樁體系轉(zhuǎn)換：待圍堰封底止水后，抽水并清除圍堰內(nèi)雜物，同時(shí)對(duì)鋼管復(fù)合樁樁頭進(jìn)行鑿毛處理，在復(fù)合樁鋼管上焊接剪力環(huán)，再進(jìn)行樁頂體系轉(zhuǎn)換及設(shè)施調(diào)整。

(3)掛樁施工：吊船載運(yùn)承臺(tái)預(yù)制構(gòu)件至墩位處，拋錨定位，將承臺(tái)掛在6根鋼管復(fù)合樁的頂部，此時(shí)承臺(tái)自重荷載均通過樁頂鋼立柱等設(shè)備傳遞至鋼管復(fù)合樁，完成掛樁施工。

(4)承臺(tái)預(yù)留混凝土施工：調(diào)整承臺(tái)墩身的高程、垂直度后，進(jìn)行承臺(tái)預(yù)留孔鋼筋混凝土的施工。承臺(tái)預(yù)留孔鋼筋混凝土分兩層澆筑，完成第一層鋼筋混凝土澆筑后，待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，拆除樁頂轉(zhuǎn)換體系，此時(shí)承臺(tái)荷載均通過預(yù)留孔第一層混凝土與鋼管復(fù)合樁及承臺(tái)預(yù)留孔側(cè)壁粘結(jié)作用承擔(dān)，實(shí)現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換；最后進(jìn)行預(yù)留孔第二層鋼筋混凝土的施工工作。其施工流程如圖2。

圖2 承臺(tái)安裝施工流程

4 承臺(tái)墩身安裝技術(shù)

4.1 基坑及圍堰施工

為減少基坑內(nèi)吸泥工作量，在墩位處提前進(jìn)行基坑開挖，開挖參數(shù)如圖3所示。基坑開挖過程中禁止碰撞復(fù)合樁鋼管。為保證圍堰下放準(zhǔn)確，在圍堰運(yùn)輸至墩位前，將導(dǎo)向架安裝到復(fù)合樁鋼管上(平面位置偏差50 mm，垂直度控制在1/250內(nèi)，扭角控制在0.5°)。

圖3 基坑開挖(單位：m)

整體起吊圍堰，套入導(dǎo)向支架(如圖4所示)，調(diào)節(jié)其平面位置與垂直度，使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求。對(duì)圍堰進(jìn)行混凝土封底、抽水、清除圍堰內(nèi)雜物等工作。

圖4 導(dǎo)向架結(jié)構(gòu)(單位：mm)

4.2 樁頭處理及體系轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)與施工

鋼管復(fù)合樁切割至設(shè)計(jì)高程并進(jìn)行樁頭處理，采用水泥砂漿找平(平整度達(dá)到3 mm/1 m)，安放六個(gè)鋼立柱至樁頂(保證鋼立柱自身平整度)。利用浮吊船依次將鋼立柱、三向調(diào)節(jié)裝置及6 000 kN千斤頂安裝至樁頂，如圖5所示。

圖5 體系轉(zhuǎn)換設(shè)施

鋼管復(fù)合樁頂部區(qū)域設(shè)有4道剪力環(huán)，剪力鍵采用厚度為20 mm的鋼板與復(fù)合樁焊接而成。剪力鍵的高度為50 mm。其結(jié)構(gòu)形式如圖6所示。

圖6 樁頂剪力鍵布置(單位：mm)

承臺(tái)掛樁過程中，承臺(tái)自重由吊船轉(zhuǎn)換至鋼管立柱上，再通過立柱傳遞到鋼管復(fù)合樁。根據(jù)計(jì)算，單根立柱承擔(dān)豎向荷載為5 040 kN(如表1)，利用有限元程序?qū)α⒅M(jìn)行建模，如圖7所示，采用板單元模擬立柱各板件，經(jīng)計(jì)算，立柱最大組合應(yīng)力為178 MPa，如圖8所示。

表1 立柱及吊點(diǎn)荷載

圖7 立柱模型

圖8 立柱應(yīng)力

根據(jù)承臺(tái)安裝施工計(jì)算，立柱采用Q235鋼，抗拉、壓設(shè)計(jì)值為205 MPa，故立柱承載力滿足規(guī)范要求。

采用四點(diǎn)吊裝預(yù)制承臺(tái)，吊點(diǎn)布置在承臺(tái)樁基預(yù)留孔處。吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)由一根扁擔(dān)梁、兩根平行鋼絲束(材質(zhì)：PESH7-139)、兩根φ130連接鋼棒等組成。其布置及連接情況如圖9、圖10所示。

圖9 承臺(tái)吊點(diǎn)布置(單位：mm)

圖10 承臺(tái)吊裝示意

承臺(tái)安裝精度應(yīng)滿足表2。承臺(tái)吊放到位后，進(jìn)行第一層孔洞混凝土澆筑，并對(duì)此部分的孔洞混凝土進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。

表2 承臺(tái)墩身安裝的允許偏差和檢驗(yàn)方法

承臺(tái)的最大重量為25 000 kN(含安裝承臺(tái)時(shí)一些臨時(shí)構(gòu)件)，一個(gè)承臺(tái)共有6個(gè)孔洞，每個(gè)承臺(tái)孔洞受力大小為

[T]=G/n=2 500/6=4 167 kN

(1)孔洞混凝土與鋼管復(fù)合樁之間受力分析

孔洞混凝土與鋼管復(fù)合樁之間豎向剪力主要由剪力鍵斷面受壓及復(fù)合樁與混凝土之間的粘接力組成，其各自計(jì)算公式為

T1=nA1fcd

(1)

T2=A2τ

(2)

式中n——剪力鍵數(shù)量，n取4；

A1——剪力鍵截面積；A1=126 920 mm2;

fcd——C45混凝土受壓強(qiáng)度允許值，取12.0 MPa;

A2——鋼管復(fù)合樁與混凝土之間接觸面積，A2=10×106mm2；

τ——混凝土與鋼樁之間粘結(jié)應(yīng)力設(shè)計(jì)值，τ取0.2 MPa。

計(jì)算可得

T1=nA1fcd=4×126 920×12=6 092 kN

T2=A2τ=10×106×0.2=2 000 kN

按鋼管復(fù)合樁周圈混凝土受剪計(jì)算，其受剪承載力為

T′=A2τ′=10×106×0.98=9 800 kN>[T]=

4 167 kN

式中τ——C45混凝土受剪承載力允許值；τ取0.98 MPa。

由計(jì)算可知，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

(2)孔洞混凝土與預(yù)制承臺(tái)之間受力分析

考慮預(yù)制承臺(tái)預(yù)留孔部位混凝土受壓，不考慮混凝土之間的粘結(jié)力，有

T=A1fcd=1 036 725×12=12 440 kN>[T]=

4 167 kN

式中A1——承臺(tái)預(yù)留孔截面積，A1=1 036 725 mm2；

fcd——C45混凝土受壓強(qiáng)度允許值，fcd取12.0 MPa；

由計(jì)算可知，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

(3)模型細(xì)部受力分析

采用有限元程序，建立三維實(shí)體模型，進(jìn)行受力分析。第一層澆筑混凝土整體模型如圖11所示。

圖11 計(jì)算模型

圖12 第一層混凝土澆筑完成

模型中，采用第一層澆筑混凝土與原承臺(tái)接觸面處固結(jié)，并考慮與樁接觸面處無平面位置變形(見圖12)；其荷載直接加于第一層澆筑混凝土與樁之面的接觸面上，以平均方式加載。第一層澆筑混凝土受力計(jì)算結(jié)果如圖13、圖14所示。

圖13 主拉應(yīng)力(單位：MPa)

圖14 剪應(yīng)力(單位：MPa)

由圖13、圖14可知，第一層新澆筑混凝土主拉應(yīng)力為0.96 MPa，豎向剪應(yīng)力為0.45 MPa。滿足設(shè)計(jì)要求。

完成承臺(tái)預(yù)留孔第一層混凝土澆筑后，對(duì)混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度95%(42 MPa)后，方可拆除吊掛裝置(體系轉(zhuǎn)換設(shè)備)，如圖15所示。

圖15 體系轉(zhuǎn)換(扁擔(dān)梁拆除)示意

綁扎第二層鋼筋(如圖16所示)，進(jìn)行第二層混凝土的澆筑(如圖17所示)，完成預(yù)制承臺(tái)的安裝。

圖16 第二層鋼筋綁扎完成

圖17 第二層混凝土澆筑完成

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