鋼吊箱圍堰拼裝平臺(tái)力學(xué)特性分析

柏紅元

（中鐵十一局集團(tuán)第五工程有限公司，重慶 400037）

橋梁深水基礎(chǔ)的修建，主要困難在于防水、防土，甚至防沖刷、防滑坡等。使用圍堰配合施工的目的，就是在堰內(nèi)施工和修筑基礎(chǔ)時(shí)，使堰外的水和土不至于大量涌進(jìn)堰內(nèi)，并且待基礎(chǔ)、墩臺(tái)修筑出水面后又可將其拆除，避免堵塞水流和航道。隨著深水基礎(chǔ)施工技術(shù)和機(jī)械的發(fā)展，吊箱圍堰在高樁承臺(tái)施工中的應(yīng)用日益廣泛。大型鋼吊箱圍堰在工廠整體制造成型、整體下水并浮運(yùn)至墩位進(jìn)行定位，是現(xiàn)代特大型橋梁深水基礎(chǔ)施工的一個(gè)發(fā)展方向，其可以提高鋼吊箱圍堰的制造精度，減少在墩位處現(xiàn)場(chǎng)拼裝的水上作業(yè)量。整體制造浮運(yùn)的鋼吊箱圍堰集鉆孔樁施工平臺(tái)、鋼護(hù)筒插打?qū)蚪Y(jié)構(gòu)及承臺(tái)、墩身施工擋水圍堰等多種功能于一身，可以大大縮短鉆孔樁施工完畢后至開始承臺(tái)施工的工序轉(zhuǎn)換時(shí)間，縮短整個(gè)基礎(chǔ)的施工時(shí)間。但圍堰整體制造成型后結(jié)構(gòu)龐大，對(duì)錨定系統(tǒng)投設(shè)及圍堰的精確定位標(biāo)準(zhǔn)等均有特殊的要求，并給圍堰浮運(yùn)拖帶及定位等帶來一系列的困難。文章以武漢天興洲長江大橋2#墩深水基礎(chǔ)為工程實(shí)例，詳細(xì)介紹了大型鋼吊箱整體浮運(yùn)錨墩預(yù)施拉力定位、兼作鉆孔平臺(tái)施工技術(shù)，主要包括大型鋼吊箱圍堰和錨墩系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、大型鋼吊箱圍堰的制作和整體下河、大型鋼吊箱圍堰的浮運(yùn)及初定位、大型鋼吊箱圍堰的精確定位等一系列施工方法。

1 工程概況

該工程鋼吊箱的設(shè)計(jì)外觀尺寸為：31.3m（長）× 22.3m（寬）×30.9m（高），吊箱內(nèi)外壁之間相距2.0m，鋼吊箱總重2077.81t，內(nèi)外壁板厚度δ=8mm，高度方向分為四節(jié)（其中第一節(jié)高7500mm、第二節(jié)高7500mm、第三節(jié)高7500mm、第四節(jié)高8400mm）。壁板內(nèi)分三次澆筑8.5m 高井壁砼，封底C30 混凝土厚3.5m（見圖1）。

2 拼裝平臺(tái)設(shè)計(jì)

拼裝平臺(tái)必須設(shè)置在水位以上，滿足拆除條件。底板拼裝平臺(tái)利用鋼護(hù)筒作為承重基礎(chǔ)，采用工字鋼橫穿鋼護(hù)筒在護(hù)筒內(nèi)側(cè)焊接承重牛腿設(shè)計(jì)形式。其布置形式與數(shù)量綜合底板分塊方式確定，底板平臺(tái)頂標(biāo)高設(shè)置在175m 位置。

根據(jù)鋼吊箱設(shè)計(jì)方案，底板龍骨橫向大龍骨采取通長布置。根據(jù)底板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，鋼吊箱拼裝平臺(tái)采用橫穿護(hù)筒懸挑型鋼+焊接型鋼的形式，并在型鋼下焊接加強(qiáng)牛腿確保受力安全。

圖1 主墩鋼吊箱模型示意圖

鋼吊箱拼裝平臺(tái)結(jié)構(gòu)由工字鋼組成，為使鋼吊箱在拼裝平臺(tái)受力工況與鋼吊箱在拉壓桿吊掛受力工況相一致，其受力形式按與拉壓受力一致的原則進(jìn)行平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算。拉壓桿受力點(diǎn)作為拼裝平臺(tái)工字鋼懸臂端加載點(diǎn)，拉壓桿截面型心與鋼護(hù)筒邊緣距離30cm，因此拼裝平臺(tái)工字鋼懸臂長理論值30cm，考慮實(shí)際施工中鋼護(hù)筒垂直度因素，拼裝平臺(tái)工字鋼懸臂端長按50cm 進(jìn)行計(jì)算（見圖2）。

圖2 拼裝平臺(tái)工字鋼加載點(diǎn)

3 拼裝平臺(tái)力學(xué)特性分析

3.1 平臺(tái)有限元分析

采用Midas civil 計(jì)算軟件對(duì)鋼吊箱底板、第一節(jié)側(cè)板與拉壓桿進(jìn)行建模，以拉壓桿頂端作為約束點(diǎn)模擬鋼吊箱底板、第一節(jié)側(cè)板吊掛工況，并計(jì)算出其豎直方向約束反力，將該約束反力加載至工字鋼加載點(diǎn)位置進(jìn)行工字鋼計(jì)算并選型（見圖3）。

圖3 鋼吊箱受力體系有限元模型

3.2 平臺(tái)承重構(gòu)件驗(yàn)算

由拉壓桿反力計(jì)算結(jié)果可知，鋼吊箱拼裝時(shí)，外圍12 根鋼護(hù)筒受力較大，最大值23.8t，中間6 根鋼護(hù)筒受力較小，中間6 根鋼護(hù)筒受力最大值2.7t。外圍12 根鋼護(hù)筒上所安裝的工字鋼按雙拼I40a 工字鋼進(jìn)行布置，中間6 根鋼護(hù)筒上所安裝的工字鋼按I20a 工字鋼進(jìn)行布置（見圖4）。

圖4 鋼吊箱拼裝拼臺(tái)工字鋼布置圖

按照《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》取值：Q235 鋼材的允許彎曲應(yīng)力：[σ] ＝145MPa；Q235 鋼材的允許剪應(yīng)力：[τ]＝85MPa。

I40a 工字鋼檢算：

I40a 工字鋼懸臂端長度50cm，懸臂端荷載23.8t，則：

M=F×L=23.8t×0.5m=119kN.m；

Wx=M÷σ=119kN.m÷145MPa=820.6cm3；

拼I40a 工字鋼Wx=2172cm3＞820.6cm3，抗彎強(qiáng)度滿足要求。

雙拼I40a 工字鋼抗剪驗(yàn)算：τmax=FS÷bI=3F÷2A= 3×238kN÷（2×0.0172224）=20.73MPa ＜[τ]=85MPa，抗剪強(qiáng)度滿足要求。

I20a 工字鋼檢算：

I20a 工字鋼懸臂端長度50cm，懸臂端荷載2.7t，則：

M=F×L=2.7t×0.5m=13.5kN.m；

Wx=M÷σ=13.5kN.m÷145MPa=93.1cm3；

雙拼I20a 工字鋼Wx=474cm3＞93.1cm3，抗彎強(qiáng)度滿足要求。

雙拼I20a 工字鋼抗剪驗(yàn)算：τmax=FS÷bI=3F÷2A= 3×135kN÷（2×0.0172224）=11.76MPa ＜[τ]=85MPa，抗剪強(qiáng)度滿足要求。

4 結(jié)論

拼裝平臺(tái)作為鋼圍堰的組裝平臺(tái)，一方面決定了圍堰的拼裝精度；另一方面，也是為了提供干作業(yè)操作環(huán)境。其平臺(tái)的安全與穩(wěn)定性起到了至關(guān)重要的作用。本文采用了MIDAS/Civil 有限元軟件加手算相結(jié)合的方式對(duì)吊箱圍堰的力學(xué)特性進(jìn)行了驗(yàn)算，其強(qiáng)度滿足要求。