某跨海大橋主墩承臺(tái)防撞鋼套箱設(shè)計(jì)與施工

張雪鋒，葉以挺，吳剛，李貝，汪建群

(1.杭州都市高速公路有限公司，浙江 杭州 310000；2.浙江交工集團(tuán)股份有限公司；3.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院)

1 工程概況

某雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，橋跨布置為：(74+106+390+106+74) m，索塔采用鉆石形塔身。NT3號(hào)墩索塔承臺(tái)基礎(chǔ)為變徑樁基，鋼護(hù)筒內(nèi)徑3.2 m，上部樁徑3.2 m，鋼護(hù)筒長(zhǎng)度40～49 m；下部樁徑2.8 m，鋼護(hù)筒長(zhǎng)度70～76 m，總樁長(zhǎng)111～119 m。南通航孔橋NT3承臺(tái)采用六邊形整體式布置，承臺(tái)尺寸41.66 m×28.0 m×6.0 m，其頂面設(shè)計(jì)標(biāo)高+6.0 m。承臺(tái)頂部設(shè)置高度為2 m的塔座，塔座頂面設(shè)計(jì)標(biāo)高+8.0 m。NT3承臺(tái)基礎(chǔ)如圖1所示。

該跨海大橋位于浙江東北部沿海海域，風(fēng)大浪急、受潮位影響嚴(yán)重是大橋承臺(tái)施工面臨的難點(diǎn)。該文結(jié)合水文氣象等條件，針對(duì)性地設(shè)計(jì)了防撞鋼套箱結(jié)構(gòu)，并對(duì)該鋼套箱的施工方法進(jìn)行闡述。

2 水文氣象概況

根據(jù)總體施工計(jì)劃，鋼套箱計(jì)劃于2018年10月開始下放。據(jù)岱山水文站提供資料，10月具有代表性的水位實(shí)測(cè)變化情況如表1所示。

參照岱山氣象水文統(tǒng)計(jì)資料，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：最大風(fēng)速44.7 m/s；設(shè)計(jì)流速2.36 m/s；鋼套箱下放、澆封底及澆承臺(tái)工況：波高H=1.0 m，周期T=7.5 s；抽水工況：波高H=3.89 m，周期T=7.5 s；設(shè)計(jì)高潮位為+3.030 m、設(shè)計(jì)低潮位為-2.210 m。因此，風(fēng)大浪急、受潮位嚴(yán)重影響為承臺(tái)施工所面臨的難點(diǎn)。

圖1 NT3承臺(tái)布置(單位：cm)

表1 水位實(shí)測(cè)變化情況

3 鋼套箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

鋼套箱的尺寸為49.66 m×34.0 m×9.012 m，鋼套箱底面標(biāo)高為-2.212 m，頂面標(biāo)高為+6.000 m，鋼套箱壁體厚度為3～4 m，壁體高度為9.012 m，壁體內(nèi)周長(zhǎng)116.9 m，內(nèi)輪廓尺寸與承臺(tái)外輪廓尺寸相同。鋼套箱底板在樁位處開孔，開孔尺寸為φ3.6 m。鋼套箱總體布置見(jiàn)圖2、3。

圖2 鋼套箱立面布置圖(單位：mm)

3.2 底板及內(nèi)支撐設(shè)計(jì)

鋼套箱底板由面板及型鋼組合而成，面板采用8 mm厚鋼板，主梁采用HN400×200H型鋼，次梁采用HN200×100H型鋼。為保證底板強(qiáng)度，鋼套箱設(shè)置有底板桁架，桁架高3.2 m，采用HN400×200H型鋼與∠125 mm×10 mm等邊角鋼制作，伸入承臺(tái)內(nèi)部分桁架在抽水完畢后進(jìn)行割除，鋼套箱底板與側(cè)壁均采用螺栓連接。

鋼套箱與鋼護(hù)筒之間設(shè)置有拉壓桿作為底板吊桿，拉壓桿采用2[20a槽鋼制作，一端通過(guò)銷軸與底板連接；另一端采用連接板與鋼護(hù)筒焊接。鋼套箱設(shè)置有12個(gè)掛腿，掛腿、鋼套箱在工廠內(nèi)加工，與鋼套箱連成整體運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)。

圖3 鋼套箱平面布置圖(單位：mm)

內(nèi)支撐設(shè)置在鋼套箱頂面，采用 2根φ1 000 mm×10 mm鋼管，2根鋼管中間采用φ630 mm×8 mm鋼管連接，內(nèi)支撐與鋼套箱連接方式見(jiàn)圖4。

圖4 鋼套箱內(nèi)支撐(單位：mm)

3.3 防撞設(shè)計(jì)

3.3.1 防撞能力

橋梁附近的通航水位及凈空尺度如表2所示，10 000 t級(jí)船舶最高、最低可達(dá)通航水位的撞擊示意圖如圖5所示。

南通航孔橋塔設(shè)防后需達(dá)到的防撞力如表3所示。

表2 橋墩防撞水位(85高程)

(a) 高水位撞擊

(b) 低水位撞擊

表3 南通航孔橋船舶撞擊力

3.3.2 防撞設(shè)施設(shè)計(jì)原則

(1) 充分利用承臺(tái)施工臨時(shí)設(shè)施作為防撞設(shè)施。

(2) 根據(jù)船舶撞擊的幾率，防撞設(shè)施在上、下游方向被撞擊的概率大于航道內(nèi)外側(cè)被撞擊的概率。另外船舶撞擊時(shí)對(duì)被撞物上、下游的法向速度亦大于航道內(nèi)外側(cè)的法向速度。所以上、下游的防撞設(shè)施應(yīng)強(qiáng)于航道內(nèi)外側(cè)的防撞設(shè)施。

(3) 防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)允許有較大的變形，這樣能吸收較多的能量，減少船舶和防撞結(jié)構(gòu)的損壞。綜合考慮船首剛度、防撞設(shè)施的剛度以及橋墩自身的抗撞能力，通常鋼結(jié)構(gòu)的防撞性能需滿足消能20%～30%才能取得較好的經(jīng)濟(jì)性。

(4) 要求在以鋼套箱為主防撞結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在其外設(shè)置拱形橡膠護(hù)舷，起到輔助防撞作用，有效減緩船舶與鋼套箱的撞損。在設(shè)計(jì)船撞力下，橡膠護(hù)舷在吸收一定能量變形后，船撞力繼續(xù)作用于鋼套箱，鋼套箱通過(guò)局部損壞，進(jìn)一步降低船撞力，達(dá)到橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)自身能夠承受的力為止，從而起到保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)的目的。

(5) 防撞結(jié)構(gòu)在滿足其功能的前提下，應(yīng)盡可能地減少平時(shí)維修養(yǎng)護(hù)的費(fèi)用，并應(yīng)考慮其在被撞壞后較易于修復(fù)。

3.3.3 船舶防撞方案

初步設(shè)計(jì)階段南通航孔橋采用固定式復(fù)合材料護(hù)舷防撞方案；施工圖設(shè)計(jì)階段經(jīng)對(duì)中國(guó)同類橋梁工程應(yīng)用實(shí)踐調(diào)研，在外海環(huán)境固定式復(fù)合材料護(hù)舷與承臺(tái)的連接在波流力的反復(fù)作用下連接構(gòu)造易損壞，護(hù)舷與承臺(tái)發(fā)生脫離，防撞功能失效，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)及過(guò)往船舶造成安全隱患。故最終采用拱形橡膠護(hù)舷固定式釋能附體防撞方案，其參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 拱形橡膠護(hù)舷性能

荷載是鋼套箱防撞設(shè)計(jì)的主要考慮因素，例如重力、浮力、潮流力、波流力、船舶碰撞力等。防撞設(shè)施由內(nèi)、外層防撞鋼套箱組合而成。內(nèi)外鋼套箱上部掛腿采用橡膠支座，外層防撞鋼套箱外表面設(shè)置拱形橡膠護(hù)舷，節(jié)段連接板之間安裝橡膠條，采用消能裝置緩沖承臺(tái)碰撞以及減少撞擊能量。內(nèi)、外層防撞鋼套箱采用螺栓進(jìn)行連接。

4 鋼套箱結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

模型采用MSC.Patran進(jìn)行建模和分析。南通航孔索塔防撞套箱及橋墩有限元模型如圖6所示。計(jì)算結(jié)果如表5所示。

圖6 計(jì)算模型

表5 有限元計(jì)算結(jié)果

從表5可得：設(shè)置防撞設(shè)施后，通過(guò)自身的破損變形，能很好地消除船舶動(dòng)能，保護(hù)橋墩，減小船舶撞擊力，滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)合理有效。

5 鋼套箱施工

5.1 鋼套箱浮運(yùn)

鋼套箱及底板在同一工廠內(nèi)制作，拼裝成整體運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)，下放系統(tǒng)設(shè)置8個(gè)吊點(diǎn)，吊索采用φ128 mm高分子圓形吊帶，外加機(jī)器織打保護(hù)套，破斷力≥1 500 t。吊帶長(zhǎng)度為5 201、5 306.4 cm兩種，數(shù)量均為4根，采用2 600 t浮吊整體下放。鋼套箱底板懸吊系統(tǒng)吊桿采用2[20a槽鋼，其上、下兩端分別與護(hù)筒四周和底板銷接。

鋼套箱設(shè)置有導(dǎo)向定位裝置，即將支撐牛腿設(shè)置在鋼護(hù)筒頂部，鋼套箱下放前根據(jù)頂部挑梁底標(biāo)高將鋼護(hù)筒割除或接至相應(yīng)標(biāo)高，防止下放時(shí)鋼套箱出現(xiàn)偏位。NT3鋼套箱浮吊吊裝站位示意圖見(jiàn)圖7。

圖7 NT3鋼套箱浮吊吊裝站位示意圖(單位：cm)

5.2 鋼套箱定位

根據(jù)浮點(diǎn)站位圖可知，吊裝主臂采用55°夾角，船艏到吊鉤中心為52.9 m，此工況下起重量為1 600 t，最大提升高度為76.7 m。

NT3承臺(tái)鋼套箱吊裝時(shí)，需占用航道，拋錨站位見(jiàn)圖8。

圖8 浮吊拋錨站位圖(單位：m)

從圖8可知：共需拋出8個(gè)錨，其中3個(gè)錨需拋至航道對(duì)面，為保證船舶通航安全，航道需臨時(shí)禁航，浮吊自拋錨至撤離所需時(shí)間約48 h，因此需禁航48 h。經(jīng)過(guò)嚴(yán)密討論，拋錨不會(huì)對(duì)海底光纜造成影響。

完成浮吊、運(yùn)輸船舶的拋錨定位后，安裝吊裝鋼絲繩，所有吊點(diǎn)連接完畢，并檢查無(wú)任何問(wèn)題后，進(jìn)行鋼套箱的試吊，試吊一切正常后，方可進(jìn)行鋼套箱正式起吊。浮吊吊裝鋼套箱至墩位，就位后浮吊緩慢下放，直至鋼套箱挑梁下放到已割除的鋼護(hù)筒頂，然后將挑梁與支撐牛腿焊接固定。

5.3 封底

鋼套箱下放到位后，安裝封水板，將混凝土底板與鋼護(hù)筒間縫隙堵住，在潮水較低時(shí)焊接剪力牛腿，安裝完成后進(jìn)行封底混凝土灌注作業(yè)。

封底混凝土采用C30水下混凝土，封底混凝土厚為2.212 m，分兩次澆筑，第一次澆筑1.9 mm，剩余0.312 m作為找平層，抽水完成后進(jìn)行澆筑?；炷撂涠葹?8～22 cm，初凝時(shí)間22 h。承臺(tái)封底方量為1 772 m3，澆筑時(shí)間約20 h。

鋼套箱封底完成后，拆除封底混凝土澆筑平臺(tái)。封底混凝土澆筑完成后，進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)。封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度90%以后，進(jìn)行抽水作業(yè)，之后清除封底表面的浮漿或淤泥，再澆筑0.312 m找平層。

6 耐久性保證

6.1 涂裝

根據(jù)防撞設(shè)施屬于可更換設(shè)施的特點(diǎn)，依據(jù)構(gòu)件的使用壽命確定合適的防腐措施。防撞鋼套箱工作環(huán)境為浪濺區(qū)及水下區(qū)，工作環(huán)境惡劣，防腐涂層按照長(zhǎng)效型設(shè)計(jì)，可減少運(yùn)營(yíng)期維修養(yǎng)護(hù)次數(shù)，降低維護(hù)成本。鋼套箱采用防腐涂裝的防護(hù)方法，涂裝方案見(jiàn)表6。

表6 防撞套箱涂裝防護(hù)方案

在鋼套箱內(nèi)、外表面采取不同的涂裝方式。內(nèi)外表面均采用表面首先采用噴砂除銹(Sa2.5)進(jìn)行處理，再涂?jī)傻拉h(huán)氧玻璃鱗片漆，外表面還要加一層丙烯酸聚硅氧烷面漆。環(huán)氧玻璃鱗片漆是一種快速固化、以玻璃鱗片加強(qiáng)的厚漿型耐磨環(huán)氧漆，具有優(yōu)異的防腐蝕特性。由于加入了玻璃鱗片，在漆膜中相互交替覆蓋，使水、鹽、氧等腐蝕性化學(xué)物質(zhì)不易滲透浸入，而且該型漆屬于高固含環(huán)氧漆，一次施工典型干膜厚度 200～300 μm，表面不開裂，因此耐海水腐蝕的性能突出，具有高度的耐磨性能，適用于鋼結(jié)構(gòu)的潮差飛濺區(qū)。由于其表面處理的特性，具有極好的維修性能。

6.2 養(yǎng)護(hù)

防撞設(shè)施長(zhǎng)期暴露于紫外線、海水等環(huán)境中，難免產(chǎn)生腐蝕。遇到船舶碰撞后難免會(huì)產(chǎn)生刮擦、變形、局部或整體結(jié)構(gòu)失效等情況。因此，主要從以下幾個(gè)方面對(duì)防撞設(shè)施定期檢查、維護(hù)和保養(yǎng)：

(1) 定期防銹防腐保護(hù)。5 年進(jìn)行一次維護(hù)保養(yǎng)，清理防撞設(shè)施表面的銹蝕及其他污物后再刷涂料。

(2) 定期變形監(jiān)測(cè)維護(hù)。定期檢查整個(gè)結(jié)構(gòu)變形是否異常，檢查各桿件、腹板、連接板等構(gòu)件是否出現(xiàn)局部變形過(guò)大，及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。

(3) 其他病害的定期檢查與維護(hù)。包括裂紋、焊縫、螺栓和護(hù)舷的定期檢查與維護(hù)。

7 結(jié)論

(1) 寧波舟山港主通道舟岱大橋DSSG01標(biāo)段南通航孔大跨度斜拉橋主塔基礎(chǔ)采用大型防撞鋼套箱作為承臺(tái)施工時(shí)的擋水和模板結(jié)構(gòu)。防撞設(shè)施由內(nèi)層防撞鋼套箱和外層防撞鋼套箱組合而成。內(nèi)外鋼套箱上部掛腿采用橡膠支座，外層防撞鋼套箱外表面設(shè)置拱形橡膠護(hù)舷?；贛SC.Patran分析表明：設(shè)置防撞設(shè)施后，通過(guò)自身的破損變形，能很好地消除船舶動(dòng)能，保護(hù)橋墩，減小船舶撞擊力，滿足設(shè)計(jì)要求。

(2) 基于合理的施工組織，成功克服了承臺(tái)施工面臨的風(fēng)大浪急、受潮位嚴(yán)重影響的難點(diǎn)，施工精度滿足規(guī)范要求。采用合理的涂裝方案和養(yǎng)護(hù)措施保證了防撞設(shè)施的耐久性。該防撞鋼套箱可為相似水文、氣候環(huán)境下大型跨海大橋深水承臺(tái)施工提供參考。