溫州七都大橋北汊橋主墩鋼吊箱設計及施工關(guān)鍵技術(shù)

許國杰 吳建偉 肖忠誠 王玉濤

(1.上海市基礎(chǔ)工程集團有限公司，上海 200433; 2.浙江明康工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310009)

1 工程概況

1.1 工程概況

溫州市七都大橋北汊橋主橋為雙塔中央索面疊合梁斜拉橋，主橋總長680 m，主跨360 m，跨徑布置為58+102+360+102+58 m，采用五跨連續(xù)半漂浮體系，空間密索型布置。主塔采用獨柱形式，截面為長圓形變截面設計，塔高118.6 m。主梁采用鋼梁與混凝土橋面板組合梁，橋面板寬度37.62 m，梁高(鋼箱梁)3.5 m。主橋結(jié)構(gòu)形式圖見圖1，主塔及承臺形式圖見圖2。

主塔承臺采用六邊形承臺。承臺外輪廓尺寸為43.4×26.8 m(橫×順)，厚度為6 m。承臺頂面設計標高為+5.9 m，底標高-0.1 m。承臺采用C40海工耐久性混凝土，總方量為5 832 m3。承臺封底厚度為1.0 m，采用C30混凝土，方量為792 m3。主墩承臺平面布置圖及立面布置圖見圖3，圖4。

1.2 水文、氣象條件

大橋橋位位于甌江上游，處江面寬約950 m，其中灘涂寬約100 m，橋位處一般水深在4.0 m～10.0 m左右，水深大于5.0 m深槽寬約770 m，最大水深13.2 m左右，兩岸橋頭地形平坦。橋址斷面實測的最大落潮測點流速2.01 m/s，最大漲潮測點流速2.10 m/s，最大潮差為5 m～6 m。百年一遇高潮位為+5.38 m，低潮位為-3.28 m。

年平均降水量在1 300 mm～1 750 mm左右，是浙江省內(nèi)降水量較多的區(qū)域，施工季節(jié)正值4月、5月的雨季，最長連續(xù)降水日數(shù)有18 d～27 d。初夏7月～9月又多臺風侵擾，是省內(nèi)暴雨強度最大的區(qū)域之一。

工程區(qū)域河水為CI·SO4-Mg型。對混凝土結(jié)構(gòu)為弱～中腐蝕，鋼吊箱易長期浸水微腐蝕、干濕交替中腐蝕。

2 鋼吊箱設計及計算

2.1 設計方案

根據(jù)水文監(jiān)測，施工期間最高水位(20年一遇)按設計高潮位+4.90 m、最低水位為-3.0 m，平均高潮位為+2.56 m，平均低潮位為-1.99 m。主墩墩位處實測河床標高為-9.1 m～-7.2 m，而承臺底標高為-0.1 m，承臺處于懸空狀態(tài)，故需采用有底鋼吊箱。封底厚度為1 m，吊箱底面板標高設計為-1.1 m。承臺頂標高為+5.9 m，吊箱頂標高設計為+6.0 m。對吊箱承受的水流力、混凝土澆筑側(cè)壓力等的驗算，確定鋼吊箱的壁厚為1.2 m[1]。

根據(jù)上述承臺形式、水文條件、施工方式等因素，確定主墩承臺采用有底鋼吊箱，總平面尺寸為45.8 m(長)×29.2 m(寬)，總高度7.1 m，壁厚1.2 m。鋼吊箱結(jié)構(gòu)主要由側(cè)板系統(tǒng)、底板系統(tǒng)、內(nèi)支撐系統(tǒng)、下放系統(tǒng)和固定系統(tǒng)五部分組成[2]。側(cè)板系統(tǒng)重量約217.6 t，底板系統(tǒng)重量約169.4 t，內(nèi)支撐約24.6 t，固定鋼板、下吊點、固定鋼板等18.8 t，共計約432.1 t。鋼吊筒結(jié)構(gòu)示意圖見圖5，實體圖見圖6。

2.2 側(cè)板系統(tǒng)

側(cè)板系統(tǒng)包括面板、加勁肋、水平環(huán)板、水平桁架和鋼箱，面板與加勁肋、水平環(huán)板以及水平桁架通過焊接連接[3]。側(cè)板高6.5 m，厚度為1.2 m。內(nèi)外面板采用6 mm厚鋼板，面板豎向加勁肋采用[8槽鋼，橫向間距為35 cm；水平環(huán)板采用12 mm厚鋼板，豎向間距為100 cm或125 cm，水平桁架采用雙拼[8槽鋼，八字形布置；鋼箱布置在內(nèi)支撐處，主要為12 mm環(huán)板和10 mm豎向加勁板。側(cè)板單位面積重量為267 kg/m2。側(cè)板結(jié)構(gòu)圖見圖7。

2.3 底板系統(tǒng)

底板系統(tǒng)自上往下由主梁、次梁、加勁肋以及鋼面板組成。鋼吊箱底板主梁HN600×200×11×17型鋼，次梁為HN350×175×7×11型鋼，加勁肋為Ⅰ25a工字鋼和∠100×80×8角鋼，底板面板采用8 mm厚鋼板。底板單位面積重量為213 kg/m2。吊箱采用底包側(cè)的形式，底板邊緣支撐側(cè)板位置，鋼面板位于主梁頂面。其余部位，鋼面板位于主梁底面。底板主梁與封底混凝土澆筑在一起，形成整體。底模邊緣HN350下側(cè)通過外套板包圍，用于止水。底板結(jié)構(gòu)圖見圖8。

2.4 內(nèi)支撐系統(tǒng)

本吊箱共設置6道內(nèi)支撐，支撐長度為26.8 m和17.9 m，內(nèi)支撐采用φ700×10鋼管，內(nèi)支撐中心標高為+5.0 m，在吊箱組拼成整體后焊接。底板、側(cè)板和內(nèi)支撐，形成一個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。鋼管兩段支撐在側(cè)板鋼箱上，支撐與鋼箱加墊厚鋼板，防止應力集中。主墩承臺第一次澆筑完成后，將鋼管內(nèi)支撐拆除。

2.5 下放系統(tǒng)

在吊箱組拼完成后進入下放階段，底板系統(tǒng)通過下放系統(tǒng)改善受力[4]。下放系統(tǒng)組成部件為φ2.8 m樁基鋼護筒、雙拼Ⅰ56工字鋼扁擔梁(見圖9)、10套100 t級千斤頂、鋼絞線、底板主梁下放吊點。

利用樁基鋼護筒頂部，開口放置雙拼Ⅰ56工字鋼，工字鋼與鋼護筒壁采用梯形筋板焊接加固。鋼絞線采用抗拉強度1 570 MPa的15.2 mm鋼絞線，每個吊點分別設置7束或9束鋼絞線，對稱布置左旋和右旋鋼絞線。下放吊點采用馬凳結(jié)構(gòu)外包門字形鋼板加勁。馬凳立板采用2 cm鋼板，水平鋼板采用4 cm厚鋼板，外側(cè)采用鋼板加勁，9孔錨具錨固在厚鋼板上，吊點結(jié)構(gòu)與底板主梁焊接(見圖10)。10個吊點中，受力最大的吊點力為47.6 t。下放千斤頂采用連續(xù)液壓千斤頂，10套系統(tǒng)有一臺計算機控制。

2.6 固定系統(tǒng)

為了承受吊箱在高潮位時的抗浮能力，以及承受封底混凝土和第一次打設混凝土的所有重量，鋼吊箱采用固定系統(tǒng)(鋼板)使吊箱與鋼護筒之間進行連接，傳遞吊箱自重、封底混凝土、第一次打設承臺混凝土自重至鋼護筒[5]。

固定鋼板尺寸為400 mm×200 mm(H600型鋼上端)和400 mm×175 mm(H300型鋼上端)，厚度均為20 mm。一個護筒四周焊接4塊400 mm×200 mm鋼板和4塊400 mm×175 mm鋼板，總共232塊固定鋼板。

2.7 計算工況及結(jié)果

根據(jù)施工流程分析，鋼吊箱底板、側(cè)板和內(nèi)支撐受力不利工況主要為[6,7]：

1)鋼吊箱組拼完畢后整體下放狀態(tài)，吊箱底板受力、變形和吊點受力；

2)鋼吊箱下放到位與鋼護筒固定后，澆筑封底混凝土0.6 m和1.0 m厚時，鋼吊箱底板和固定系統(tǒng)的受力和變形；

3)封底混凝土強度達到設計要求后，吊箱內(nèi)完成抽水時，吊箱側(cè)壁和內(nèi)支撐的受力和變形；

4)承臺第一層混凝土澆筑階段，吊箱和內(nèi)支撐的受力和變形；

5)承臺第二層混凝土澆筑階段，吊箱和內(nèi)支撐的受力和變形。

針對上述五種不利工況，對鋼吊箱結(jié)構(gòu)進行計算，結(jié)果為底板、側(cè)板、內(nèi)支撐、固定系統(tǒng)各型鋼或鋼板受力及變形符合要求，并保證安全系數(shù)。

3 鋼吊箱施工中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)

3.1 鋼吊箱加工制作

在鋼吊箱制作場地內(nèi)設置1臺10 t龍門吊和1臺50 t履帶吊用于原材料及半成品的吊裝。

考慮到棧橋?qū)挾?、運輸車載重以及起重設備性能，鋼吊箱底板分為8塊制作，平整場地上進行底板放樣，鋪設底板鋼板，依次安裝HN600型鋼主梁、HN350次梁、Ⅰ25a工字鋼次梁、∠100×80×8角鋼，底板面板上焊接與主梁和次梁進行焊接。結(jié)合鋼護筒實際位置進行底板面板開洞，鋼護筒在標高+5.0和標高-1.1的兩圓在鋼吊箱底板上的投影面積為底板開洞的最小面積，進行適當放大。底板所有材料焊接成整體后，進行焊接加強，特別是最外側(cè)主梁、次梁和鋼板的部位必須滿焊，防止江水浸入[8]。

鋼吊箱側(cè)板分為24塊，共7種類型。直線段側(cè)板依次進行面板鋪設、水平環(huán)板、豎向加勁板、水平加勁桁架焊接。圓弧段在定制胎架制作，圓弧型壁體需制作角度靠模，以保證制作精度。側(cè)板制作時按每1.5 m加放1 mm收縮量配料，另外再加放50 mm長度余量。為防止封底期間內(nèi)外水頭差過大，于鋼吊箱側(cè)板上下游方向分別設置1根連通管。

鋼吊箱內(nèi)支撐采用φ700×10 mm鋼管，鋼吊箱側(cè)板現(xiàn)場拼接完畢后，焊接內(nèi)支撐與側(cè)板連接，內(nèi)支撐焊對準鋼箱焊接。

3.2 鋼吊箱現(xiàn)場拼裝

主墩鉆孔樁全部施工完后，拆除承臺范圍內(nèi)平臺結(jié)構(gòu)，保留承臺四周棧橋及平臺。根據(jù)潮位，于鋼護筒+4.5 m標高橫穿雙拼Ⅰ25工字鋼作為吊箱拼裝平臺，拼裝之前需對焊設在鋼護筒上的所有拼裝平臺型鋼的高程進行二次精確復測調(diào)控，并在鋼牛腿上測設出壁體的理論外廓線和裝配定位線[9]。

分塊制造完成并驗收及檢測合格后，采用運輸船或者平板車運輸車運輸至主墩平臺。采用履帶吊吊裝、人工配合分節(jié)分塊安裝鋼吊箱底板、側(cè)板和內(nèi)支撐，完成鋼吊箱整體拼裝并驗收合格后，開始進行鋼吊箱下放工序[10]。

3.3 鋼吊箱整體下放

鋼吊箱下放采用10臺100 t千斤頂同步下放，下放前先用千斤頂提升鋼吊箱，使其脫離平臺30 cm高度。鋼吊箱重量由拼裝平臺轉(zhuǎn)移至鋼護筒頂部千斤頂承受，完成第一次受力體系轉(zhuǎn)換(見表1)。

表1 10臺千斤頂受力統(tǒng)計表

鋼吊箱下放利用落潮時段緩慢進行下放，始終保持鋼吊箱底高于水面約30 cm～50 cm，盡量控制吊箱內(nèi)無水狀態(tài)。鋼吊箱內(nèi)上下游各一根鋼護筒外側(cè)分別焊接一根Ⅰ20a工鋼，作為下放導向。10臺下放千斤頂由電腦同步控制，觀察每個千斤頂下放長度，相鄰吊點之間的高差在5 cm以內(nèi)，整個吊箱總體偏差不超過20 cm，出現(xiàn)偏差較大則及時調(diào)整鋼吊箱姿態(tài)[11](見圖11)。

在鋼吊箱下放到位后，于低潮位期間安排多人焊接固定鋼板，將吊箱重量由千斤頂轉(zhuǎn)移至鋼護筒承受，完成第二次受力體系轉(zhuǎn)換。

3.4 鋼吊箱封底施工

鋼吊箱封底混凝土為C30混凝土，總厚度為1.0 m，總方量約792 m3。根據(jù)對潮汐的調(diào)查，封底采用分層分倉干封底形式，第一層分三倉分別澆筑0.7 m厚混凝土，第二層整體澆筑0.3 m厚混凝土并找平。

根據(jù)橋址潮位情況(封底期為農(nóng)歷初七、初八、初九)[12]，潮位為小潮汐，最低潮位為-2.3 m，從落潮時-1.1 m的標高至漲潮時-1.1 m的標高約4 h。第一次封底混凝土劃分，橫橋向以吊箱底板主梁為間隔分為三倉。每倉混凝土約182 m3，191 m3，182 m3，施工平臺可布置的泵車數(shù)量為2臺，1臺泵車每小時可泵送35 m3～40 m3混凝土，4 h澆筑量達到280 m3～320 m3，可以滿足要求。

分倉混凝土澆筑，澆筑開始時間為落潮至倉內(nèi)剩余5 cm水位后即可進行，兩臺泵車分別從上下游兩側(cè)向中間澆筑。由于甌江水含泥量較高，潮水退去后倉內(nèi)存在較多的淤泥，澆筑過程中，混凝土擠壓淤泥往中間跑，在鋼護筒周邊封閉環(huán)上留有排泥孔，確保淤泥都從排泥孔中流出。封底混凝土采用普通C30混凝土，坍落度控制在120 mm～140 mm，和易性要求好。第一倉澆筑完成后，江水仍可以通過其余兩倉進入吊箱內(nèi)。待后續(xù)落潮期分別進行第二倉和第三倉封底混凝土澆筑。第一層共三倉封底混凝土澆筑完畢其混凝土養(yǎng)護72 h后，低潮位時封堵吊箱側(cè)板連通孔，并進行封底混凝土清洗。

第二層一次性澆筑0.3 m厚混凝土并找平，總方量為237 m3。澆筑完成后，注入自來水進行養(yǎng)護，待強度達到后，方可進行后續(xù)施工。

4 存在的問題和解決措施

1)鋼吊箱現(xiàn)場拼裝，側(cè)板鋼面板采用雙面焊接，底板鋼面板采用單面焊接，側(cè)板和底板拼接處必須滿焊，對現(xiàn)場臨水面的焊縫進行檢測，防止出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。在滿足吊裝和運輸要求的情況下，可適當減少分塊數(shù)量。

2)鋼吊箱下放采用10個吊點同步下放，根據(jù)10臺千斤頂?shù)氖芰y(tǒng)計，中間兩個點受力較小，因此可進一步優(yōu)化吊點布置，8臺～9臺千斤頂即可滿足下放要求。

3)甌江水含泥量大，封底過程中須注意倉內(nèi)淤泥，易影響封底混凝土質(zhì)量。封底過程中，可采用水泵吸泥外排，加快倉內(nèi)淤泥外排。第一層封底混凝土澆筑養(yǎng)護后，排水清洗，發(fā)現(xiàn)鋼吊箱邊緣處存在少數(shù)滲水點，可采用堵漏王進行封堵，避免出現(xiàn)滲水點擴張。

4)通過對潮位的調(diào)研分析，選用分層分倉干封底的形式，而不采用常規(guī)水下封底的形式，確保了封底混凝土的質(zhì)量。同時也考驗材料供應、現(xiàn)場組織、設備維護等方面的能力，施工過程中避免出現(xiàn)混凝土澆筑中斷的現(xiàn)象。

5 結(jié)語

溫州市七都大橋北汊橋工程主墩鋼吊箱結(jié)構(gòu)體量龐大，施工環(huán)境復雜，影響施工方案實施的因素多。合理的結(jié)構(gòu)設計和細部優(yōu)化，確保鋼吊箱受力明確，結(jié)構(gòu)整體剛度和穩(wěn)定性高，模型計算結(jié)果與實際情況相符合。

鋼吊箱施工采用后場分塊制作，現(xiàn)場拼裝的安裝方式，采用10臺連續(xù)液壓千斤頂同步下放的施工方法，操作安全簡便，經(jīng)濟高效，可靠度高。利用低潮位期間，分層分倉進行干封底施工，極大地保證了封底混凝土的質(zhì)量。在完成承臺第一次澆筑后，鋼吊箱安全度過所有不利工況。鋼吊箱制作、安裝、下放、封底，于三個月時間內(nèi)順利完成，也為后期承臺、主塔施工夯實了基礎(chǔ)。