石首長江公路大橋主塔承臺鋼吊箱設(shè)計與施工

杜俊波，秦耀輝

（1.中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710043；2.中國港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027）

1 工程概況

石首長江公路大橋設(shè)計為雙向六車道，主橋橋跨布置為：（3×75）m+820 m+（300+100）m，為雙塔單側(cè)混合梁斜拉橋。Z5號主塔承臺處于長江水岸石首一側(cè)，承臺采用圓端形式，具體尺寸為：67.5 m×35.75 m×7 m，其底面標(biāo)高 +23.5 m，頂面標(biāo)高+30.5 m，樁基采用58根直徑2.5 m的摩擦樁，承臺具體布置圖如圖1所示。

圖1 南主塔承臺立面布置圖（單位：cm）

2 鋼吊箱設(shè)計概況

Z5號主塔承臺施工采用鋼吊箱作為臨時擋水結(jié)構(gòu)，鋼吊箱具體尺寸為70.6 m×38.85 m×16.7 m，其頂面標(biāo)高+37 m，底面標(biāo)高+20.3 m，壁板厚度1.5 m，設(shè)計水位+36.5 m，設(shè)計流速v=2.5 m/s。鋼吊箱內(nèi)緣比承臺外緣大5 cm，豎向設(shè)置3道內(nèi)支撐，分別位于標(biāo)高+26.5 m、標(biāo)高+30.1 m、標(biāo)高+34 m處。吊箱封底采用水下澆筑3.2 m厚C25混凝土，同時在壁倉內(nèi)澆筑3.2 m厚水下C25混凝土作為抗浮配重，鋼吊箱結(jié)構(gòu)概圖如圖2、圖3所示。

鋼吊箱下放共設(shè)置16個下放吊點，直線段12個，圓弧段4個；下放導(dǎo)向系統(tǒng)采用內(nèi)、外共同導(dǎo)向，其中內(nèi)導(dǎo)向設(shè)置在吊箱壁板處，外導(dǎo)向設(shè)置在鉆孔平臺鋼管樁處，導(dǎo)向系統(tǒng)共設(shè)置2層，每層上游側(cè)圓弧段4個內(nèi)導(dǎo)向，下游側(cè)圓弧段2個外導(dǎo)向，直線段每側(cè)3個內(nèi)導(dǎo)向；鋼吊箱水平定位系統(tǒng)設(shè)置在鋼吊箱內(nèi)側(cè)壁板上，沿高度方向共設(shè)置3層，水平定位系統(tǒng)平面位置與導(dǎo)向系統(tǒng)一致，高度方向與導(dǎo)向系統(tǒng)錯開布置；鋼吊箱澆筑封底混凝土?xí)r利用在鋼護筒頂端設(shè)置的十字交叉懸吊梁及精軋螺紋鋼筋作為吊點及吊桿，吊桿下端與底板主梁相連接；在澆筑封底混凝土?xí)r，為保證鋼吊箱內(nèi)外水頭一致，在鋼吊箱壁板上設(shè)置了14個Φ426×15 mm連通管，鋼吊箱材料類型及規(guī)格如表1所示。

圖2 南主塔承臺鋼吊箱平面布置圖（單位：cm）

圖3 南主塔承臺鋼吊箱立面布置圖（單位：cm）

表1 鋼吊箱材料類型及規(guī)格

3 鋼吊箱結(jié)構(gòu)計算

3.1 鋼吊箱計算工況劃分

根據(jù)鋼吊箱實際施工過程模擬，鋼吊箱的主要計算工況包括：

a）鋼吊箱第一節(jié)下放工況，鋼吊箱第一節(jié)拼裝完成進行下放，此時第一節(jié)鋼吊箱自重完全由下放系統(tǒng)承受。

b）封底混凝土澆筑工況，鋼吊箱整體下放到位后，進行封底混凝土澆筑，封底混凝土與鋼護筒未完全凝結(jié)。

c）鋼吊箱抽水工況，鋼吊箱封底混凝土強度達到設(shè)計強度，吊箱內(nèi)抽水至封底混凝土頂面，同時壁板內(nèi)水位高度調(diào)整為標(biāo)高30.1 m處。

d）第一層承臺工況，第一層承臺（2 m高）混凝土澆筑完成，其強度達到設(shè)計強度，吊箱壁板內(nèi)水位高度調(diào)整為標(biāo)高31.3 m處，同時拆除第一道內(nèi)支撐，準(zhǔn)備施工第二層承臺。

3.2 鋼吊箱設(shè)計荷載

Z5號主塔承臺位于長江之中，當(dāng)?shù)亟ɡ俗饔?、風(fēng)荷載作用較小，根據(jù)現(xiàn)場實際情況及鋼吊箱工況劃分情況，設(shè)計中主要考慮的施工荷載包括：

a）自重；

b）封底混凝土澆筑荷載，封底混凝土按浮重度進行計算；

d）靜水壓力，P=γh，γ=10 kN/m2，h 為水深。

3.3 鋼吊箱模型建立及結(jié)果

采用Midas Civil 2013軟件建立鋼吊箱有限元模型，其中鋼吊箱內(nèi)、外壁板、環(huán)板、鋼箱面板、底板面板均采用板單元建立，其余單元均采用梁單元建立，封底混凝土及壓重混凝土均采用實體單元建立，具體模型如圖4～圖7所示。

圖4 吊箱下放模型

圖5 吊箱澆筑封底混凝土模型

圖6 吊箱抽水模型

圖7 吊箱第一層承臺澆筑模型

根據(jù)對相應(yīng)工況進行加載計算，鋼吊箱各部位計算結(jié)果如表2所示。

表2 鋼吊箱各部位計算結(jié)果

在鋼吊箱的計算分析中發(fā)現(xiàn)如下問題：

a）因鋼吊箱分析采用有限元模型，面板與豎肋均離散為節(jié)點與單元，其之間連接僅靠共節(jié)點，而實際中面板與豎肋間采用雙面間斷焊進行連接，有限元模型無法模擬面板與豎肋間的協(xié)同受力，因此豎肋應(yīng)力高達533 MPa，應(yīng)按照面板參與長度為30 t（t為鋼板厚度）[2]，即30×6=180 mm，角鋼與壁板焊接成整體，進行強度計算。

對于∠75×50×6 mm，面板豎肋按圖8所示截面進行計算，其中內(nèi)力按照豎肋最大內(nèi)力考慮。

圖8 面板和∠75×50×6豎肋組合截面（單位：mm）

組合截面：A=1800 mm2，Wy=29119.1 mm3，Wz=34032.1 mm3；

豎肋最大內(nèi)力：N=36kN，My=2kN·m，Mz=0.92kN·m；

b）在鋼吊箱直線段與圓弧段連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，其面板應(yīng)力高達612 MPa，此處在有限元模型中僅按照6 mm厚板單元相互連接，其受力亦僅靠板單元的共節(jié)點傳遞，無法實際模擬接縫全焊縫的作用，同時亦無法模擬此處6 mm厚加強鋼板的作用，因此后期采用ansys軟件建立局部模型進行分析后，其實際應(yīng)力僅為263 MPa。

3.4 封底混凝土計算

本鋼吊箱封底混凝土主要受其自重及浮力作用，其中浮力為 p=γ水×（36.5-20.3）=162 kPa，根據(jù)計算C25混凝土最大拉應(yīng)力為：σmax=0.65 MPa≤1.23 MPa，滿足規(guī)范要求[3]。

3.5 鋼吊箱抗浮、抗沉計算

3.5.1 鋼吊箱抗浮計算

Z5號主塔承臺鋼吊箱抽水時設(shè)計水位標(biāo)高36.5 m，吊箱底標(biāo)高20.3 m，鋼護筒直徑2.8 m，共設(shè)置58根，封底混凝土澆筑厚度3.2 m，同時壁板內(nèi)抽水工況下水位標(biāo)高為30.1 m，鋼護筒與封底混凝土的黏結(jié)力按照150 kPa考慮[4]。

因此抗浮穩(wěn)定系數(shù)為：

3.5.2 鋼吊箱抗沉驗算

根據(jù)該地區(qū)近20年長江水位變化情況，假定承臺澆筑第一層混凝土?xí)r的極限低水位為24.43 m，壁板內(nèi)水位標(biāo)高為23.5 m，其抗沉穩(wěn)定系數(shù)為：

4 鋼吊箱施工問題

4.1 鋼吊箱范圍內(nèi)抽砂

Z5號主塔承臺鋼吊箱下放期間其水位在31～35.8 m之間，最大水流速度2.3 m/s，河床標(biāo)高在25.5 mm～25 m之間，且上游側(cè)高下游側(cè)低，鋼吊箱下放需清除鋼吊箱范圍內(nèi)5 m深的河砂，且此處河床為粉細砂，回淤較快。

現(xiàn)場在鋼吊箱拼裝前采用6臺抽沙泵進行初次抽砂，在吊箱底板拼裝前使河床成“鍋底”形，保證吊箱范圍內(nèi)河床標(biāo)高在19.5 m左右，且砂坑邊線比吊箱外周邊寬5～8 m。在鋼吊箱下放過程中通過在吊箱底板處開孔，采用6臺抽砂泵繼續(xù)抽取回淤的砂，同時在鋼吊箱接近設(shè)計標(biāo)高時，因下游側(cè)回淤加劇，現(xiàn)場在吊箱下游側(cè)增加2艘2 000 m3/h的抽砂船進行集中抽砂。

因現(xiàn)場及時根據(jù)河砂回淤情況進行調(diào)整，采用“拼裝前預(yù)抽，下放中同步抽，后期突擊抽”的方案保證了Z5號主塔承臺鋼吊箱的順利下放。

4.2 鋼吊箱下放

Z5號主塔承臺鋼吊箱豎向共劃分為3節(jié)，第一節(jié)高8 m，第二節(jié)高7.2 m，第三節(jié)為1.5 m高單壁板。為保證下放過程的安全可靠，現(xiàn)場采用計算機控制、整體同步下放系統(tǒng)進行施工，因現(xiàn)場水流速度較大，樁基鋼護筒垂直度較好，因此將原設(shè)計的橡膠護弦導(dǎo)向系統(tǒng)變?yōu)閯傂詫?dǎo)向系統(tǒng)，剛性導(dǎo)向根據(jù)現(xiàn)場鋼護筒的垂直度偏差，其與鋼護筒的間隙按3 cm進行加工，確保了下放過程中鋼吊箱的水平偏差滿足設(shè)計要求。

鋼吊箱下放到位后根據(jù)實測其軸線順橋向誤差1 cm，橫橋向誤差1.6 cm，垂直度誤差均小于1/100，頂面標(biāo)高誤差-3 cm，整體下放效果較好[5]。

4.3 鋼吊箱封底混凝土澆筑及抽水

圖9 鋼吊箱同步下放系統(tǒng)

圖10 剛性導(dǎo)向系統(tǒng)

鋼吊箱封底混凝土澆筑前，現(xiàn)場通過潛水員對鋼護筒外壁進行清理，對鋼護筒與鋼吊箱底板的間隙進行封堵，同時在第一層內(nèi)支撐上采用貝雷片搭設(shè)澆筑平臺進行封底混凝土澆筑，現(xiàn)場及時測量封底混凝土澆筑標(biāo)高。

待封底混凝土澆筑完成，養(yǎng)護20 d后采用2 cm厚鋼板和高強螺栓對連通管進行封堵，再采用水泵抽取鋼吊箱內(nèi)的水，抽水過程中現(xiàn)場派專人及時觀察鋼吊箱結(jié)構(gòu)變形及漏水情況。

5 結(jié)語

Z5號主塔承臺鋼吊箱施工正值汛期，同時受厄爾尼諾現(xiàn)象影響，長江流域水位較高，本文從鋼吊箱設(shè)計初期設(shè)計參數(shù)（包括設(shè)計水位、設(shè)計流速、河床地質(zhì)）的選取，到有限元模型建立，再到后期鋼吊箱加工、拼裝、下放、抽水等施工階段，對所遇到的問題闡述其原因及解決辦法，通過實際工程驗證了該鋼吊箱的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，下放、導(dǎo)向、定位系統(tǒng)，施工處理措施的可行性，為今后同類鋼吊箱的設(shè)計與施工提供了借鑒。