長周期波涌浪海域承臺鋼吊箱封底技術(shù)研究

林樹奎， 李寧

(中交二航局第二工程有限公司， 重慶市 404100)

1 工程概況

中馬友誼大橋為印度洋上的一座跨海大橋，連接馬爾代夫首都及機場島，主橋為六跨V形墩剛構(gòu)橋，跨度組合為(100+2×180+140+100+60) m,總長760 m。主橋示意圖如圖1所示。

圖1 中馬友誼大橋主橋橋型結(jié)構(gòu)圖

19#～23#主墩位于深海區(qū)，基礎(chǔ)采用高樁承臺結(jié)構(gòu)。以21#中墩為例，7根鋼管復(fù)合樁基礎(chǔ)呈梅花形布置，最大樁長106 m，海床以上樁基懸臂高度近40 m。承臺平面設(shè)計為六邊形梭形結(jié)構(gòu)，承臺底標高為-3.0 m,頂標高為+1.0 m，承臺厚度為4.0 m。承臺結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 21#墩承臺結(jié)構(gòu)示意圖(單位：m)

施工區(qū)域潮汐為不規(guī)則半日潮，設(shè)計高低潮位分別為+0.55 m、-0.51 m。設(shè)計流速為2.8 m/s,設(shè)計波高為+3.69 m，設(shè)計涌浪周期為13.7 s，最大波長約為120 m。

2 封底工藝難點

2.1 常規(guī)承臺吊箱施工方法

根據(jù)21#墩高樁承臺結(jié)構(gòu)及海況特點，鋼吊箱施工為首選方案，常規(guī)吊箱施工步驟為：① 下放吊箱到位，焊接拉壓桿至鋼護筒懸掛固定；② 封堵護筒與底板間隙，水下封底；③ 抽水至干施工狀態(tài)，轉(zhuǎn)換拉壓桿，鑿樁頭施工承臺。

2.2 強涌浪海域吊箱封底難點分析

吊箱施工以水下混凝土封底工藝為核心環(huán)節(jié)，水下封底混凝土底板作用體現(xiàn)在： ① 鋼吊箱在工作過程中豎向作用力包括吊箱結(jié)構(gòu)自重、新澆筑承臺自重及水頭壓力，水下封底混凝土與樁基護筒之間的握裹力，為吊箱承受的豎向荷載提供抗力，是整個吊箱懸掛受力體系的關(guān)鍵構(gòu)造;② 水下封底混凝土質(zhì)量決定了吊箱整體的封水效果，在海洋環(huán)境下，海工混凝土防腐要求高，對吊箱封水效果要求更為嚴格。

施工海域每年2—5月涌浪最大高度低于1.5 m，為最理想的吊箱施工窗口，其余月份海況惡劣。長周期波涌浪對吊箱水下封底的不利影響尚無量化的經(jīng)驗參數(shù)，通過物模試驗及現(xiàn)場波浪監(jiān)測推算，在1.5 m波高涌浪沖擊作用下，涌浪對吊箱的平均水平推力可達到12 kPa,波托力為10 kPa，波吸力為8 kPa。

吊箱封底需重點解決以下問題：

(1) 封底施工階段：樁基自由懸臂大于40 m，在波流力與涌浪疊加作用下，對單根樁基的最大水平推力可達到50 t，且長周期波作用造成單樁往復(fù)擺動，觀測單樁在涌浪沖擊作用下晃動幅度超過5 cm。吊箱下放就位后，樁基晃動將使護筒與吊箱底部封堵板之間拉出縫隙，在波浪波托力及波吸力交替作用下，形成沿護筒壁豎向的射水沖刷現(xiàn)象，水下封底混凝土在初凝前被反復(fù)沖洗，造成封底混凝土與鋼護筒無法有效握裹，封底失效概率極大。沖刷示意圖如圖3所示。

圖3 波浪射水沖刷示意圖

(2) 吊箱使用階段：吊箱內(nèi)抽水完成后，封底混凝土底板使用期風(fēng)險主要包括:

40 m大懸臂樁基與封底混凝土底板固結(jié)，在波流力及涌浪水平?jīng)_擊荷載的作用下，封底混凝土與鋼護筒結(jié)合的節(jié)點區(qū)將形成較大的負彎矩作用，在該結(jié)合區(qū)封底混凝土底板存在開裂造成封底失效的風(fēng)險。

涌浪作用在底板形成的波托力與波吸力交替作用，結(jié)合潮差影響，與混凝土自重疊加，吊箱在使用過程中，低潮位結(jié)合涌浪作用考慮2.99 m水頭差浮力，高潮位結(jié)合涌浪作用考慮7.05 m水頭差浮力。

下沉力荷載計算公式：

最大下沉力=套箱及封底混凝土自重+波吸力-低水頭浮力=18 000 kN+2 640 kN-9 867 kN=10 773 kN；

每平米下沉力：p1=10 773/330=33 kN/m2。

上升力荷載計算公式：

上升力=波托力+高水頭浮力-套箱及封底混凝土自重=3 300 kN+23 265 kN-18 000 kN=8 565 kN；

每平米上升力：p2=8 565/330=26 kN/m2。

封底混凝土在豎向承受反復(fù)變號的疲勞荷載，增大了混凝土底板開裂的風(fēng)險。分析組合荷載工況如圖4所示。

圖4 吊箱使用階段荷載圖示(單位：m)

3 封底失效機理

3.1 計算模型分析

建模分析吊箱在使用階段封底混凝土底板是否處于安全狀態(tài)，采用Ansys有限元分析軟件進行計算。樁基及封底混凝土單元均采用實體單元Solid45模擬。樁基底部固結(jié)DX、DY、DZ所有自由度。荷載主要考慮豎向力、波浪力及水流力。樁基水流力及波浪力考慮集中荷載作用在樁基上。封底混凝土上施加吊箱所受水平力荷載及豎向荷載。水平力荷載以面荷載形式施加于封底混凝土短邊或長邊方向。自重采用重力加速度方式施加，浮力、波吸力與波托力采用面荷載形式施加于封底混凝土底部。

3.2 失效機理判斷

對封底混凝土失效機理作兩階段分析：

階段1：吊箱對豎向荷載提供的抗力為封底混凝土與鋼護筒之間形成的握裹力，參照文獻[8]等，建議鋼護筒與封底混凝土握裹力取值范圍為0.15～0.20 MPa。

計算結(jié)果顯示：在下沉組合工況的疊加作用下，封底混凝土與護筒環(huán)向結(jié)合區(qū)最大混凝土拉應(yīng)力達到2 MPa(去除應(yīng)力集中區(qū)，見圖5)，水下封底混凝土經(jīng)驗抗拉強度一般取0.6 MPa，2 MPa計算拉應(yīng)力已遠超開裂限值。封底混凝土與護筒環(huán)形結(jié)合區(qū)開裂后,形成相對滑動面，則握裹力將衰減至0 MPa，吊箱靠握裹力產(chǎn)生的懸掛承載力失效。僅依靠拉壓桿聯(lián)系的鋼護筒及鋼底板形成豎向支撐體系，若混凝土底板結(jié)構(gòu)完整，封底混凝土可依靠鋼護筒傾斜產(chǎn)生的機械咬合力作用提供豎向抗力，并不會完全失效。

圖5 封底混凝土底板應(yīng)力結(jié)果(單位：MPa)

階段2：封底混凝土跨中應(yīng)力超標主要由水流力及波浪沖擊力產(chǎn)生,計算結(jié)果顯示，封底混凝土沿護筒跨中中心連線區(qū)域最大應(yīng)力達到1.5 MPa，超過0.6 MPa開裂經(jīng)驗限值。整個封底混凝土底板將劃分為若干小單元，混凝土底板整體受力作用失效。封底混凝土頂面模擬開裂線見圖6。

圖6 封底混凝土跨中模擬開裂線

4 封底優(yōu)化方案

根據(jù)以上分析，在長周期波涌浪條件下進行高樁承臺吊箱施工，封底混凝土結(jié)構(gòu)理論設(shè)計及施工工藝均具有相當難度。按照常規(guī)思路尋求解決措施，加大封底混凝土厚度至3.5 m,加大封底混凝土底板截面抵抗矩，可將封底混凝土計算應(yīng)力降低至0.59 MPa，但采用該措施將造成封底混凝土方量、吊箱鋼材用量大幅度增加，不利于成本控制；且由于護筒周圍射水沖刷嚴重，有效封底厚度無法保證。因此加厚封底混凝土非優(yōu)選方案。

轉(zhuǎn)換思路，從水下封底混凝土失效機理進行分析。在封底混凝土初凝前的施工階段，影響因素為樁基護筒晃動、涌浪造成的射水沖刷作用；在抽水后使用階段，影響因素為涌浪荷載、封底底板結(jié)構(gòu)跨度布置、底板邊界約束條件、封底混凝土底板可提供的抗力等。

上述影響因素中，荷載因素是不可改變的，護筒間隙射水沖刷影響可采用柔性封堵措施予以改善，但無徹底解決的把握；樁基護筒的晃動可通過增加平聯(lián)形成整體予以削弱；結(jié)構(gòu)單元跨度、邊界約束、結(jié)構(gòu)抗力對使用階段的封底效果起決定作用，因此形成以下解決思路：

(1) 封底混凝土初凝前受涌浪射水沖刷嚴重程度難以評估，不增加封底混凝土厚度，將封底混凝土分兩層澆筑，底層封底采用水下澆筑工藝，不嚴格要求其封水效果及與護筒之間的握裹效果，吊箱懸掛承載力完全由拉壓桿及吊桿提供。在強排水后干施工條件下，干澆筑封底加強層至承臺底標高，與護筒形成較強的錨固加強層。

(2) 從水下混凝土初凝過程至吊箱拉壓桿轉(zhuǎn)換完成這個階段，需采取措施盡量減小樁基鋼護筒晃動，控制樁基鋼護筒與封底混凝土的相對位移，最有效措施為在護筒之間焊接大剛度型鋼橫聯(lián)，增加護筒整體性。橫聯(lián)設(shè)置2層，上層設(shè)置于護筒頂端，吊箱下放完成后即焊接，為臨時加固結(jié)構(gòu)，下層設(shè)置在第2層封底加強層內(nèi)，為封底底板加勁措施。

(3) 因樁基間凈距達到6 m，封底底板跨度較大，封底等強至抽水使用階段受力體系轉(zhuǎn)換復(fù)雜，為規(guī)避這一不利因素，在吊箱下放前鋼底板焊接豎向吊桿，封底前吊桿與護筒之間的焊接，抽水后干澆筑第2層時將吊桿轉(zhuǎn)換至護筒下橫聯(lián)，使封底混凝土底板跨度大幅減小，從而有效減小底板應(yīng)力。優(yōu)化結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 吊箱封底施工優(yōu)化結(jié)構(gòu)

5 優(yōu)化方案實施

5.1 吊箱下放加固

在吊箱下放至設(shè)計標高后，將各鋼護筒之間采用H588型鋼橫聯(lián)焊接，護筒連接后整體晃動幅度降低至1 cm左右。在吊箱下放前在鋼底板上焊接豎向撐桿，下放完成后與護筒間的橫聯(lián)焊接。在壁體外焊接暗排水管，與鋼吊箱一起下放。新型吊箱下放結(jié)構(gòu)見圖8。

圖8 吊箱下放及加固

5.2 水下封底施工

水下封堵完成后，進行1.5 m厚水下封底，根據(jù)計算分析，在豎向吊桿密集的支撐作用下，封底混凝土單元跨度大幅降低，抽水后使用工況中底板跨中結(jié)構(gòu)應(yīng)力降低至0.6 MPa以下。水下封底施工見圖9。

圖9 水下混凝土一次封底

5.3 干澆筑加強層

第1層水下封底混凝土強度達到90%后，吊箱封底混凝土漏水較為嚴重，鑿出排水溝，封蓋鋼板，利用暗排水系統(tǒng)，將漏水引出至壁體外鋼管排出；在二次干封底0.5 m高度內(nèi)護筒之間焊接雙拼HW400型鋼橫聯(lián)支撐，將豎向吊桿由上層橫聯(lián)轉(zhuǎn)換焊接于下層橫聯(lián)，保證鋼護筒之間的相對穩(wěn)定，并分擔(dān)部分錨固點負彎矩，起到抑制封底混凝土裂縫發(fā)展的作用。

根據(jù)受力要求配置鋼筋，并在護筒周圍轉(zhuǎn)換拉壓桿及剪力釘，干澆筑0.5 m厚加強底板。加強底板通過護筒周圍的拉壓桿、剪力牛腿、錨釘與護筒拉結(jié)錨固。封底加強層施工見圖10。

圖10 二次干封加強層

5.4 受力體系轉(zhuǎn)換

二次封底混凝土強度達標后，拆除頂部橫聯(lián)，此時吊箱鋼底板、第1層水下封底混凝土、頂部配筋的型鋼混凝土加強層形成疊合結(jié)構(gòu)，且與鋼護筒形成較強的錨固，其強度與止水性能均可滿足使用要求。切除鋼護筒，施工承臺。吊箱體系轉(zhuǎn)換見圖11。

圖11 體系轉(zhuǎn)換

6 施工效果及總結(jié)

中馬友誼大橋共有5個主墩吊箱，采用該優(yōu)化方案施工，吊箱施工可操作性、安全性及止水性能均達到了預(yù)期效果。整個吊箱封底設(shè)計及施工過程總結(jié)如下：

(1) 在長周期波強涌浪條件下設(shè)計高樁承臺吊箱的封底混凝土，水平荷載與大懸臂形成的底板彎矩成為最不利設(shè)計控制因素；涌浪造成的波托力及波吸力作用，波流力等頻繁變向的豎向力作用使得混凝土裂縫存在加劇趨勢，在設(shè)計過程中需重點考慮。

(2) 通過5個主墩吊箱實踐，在最大涌浪高度達到1.5 m的海況條件下，首次進行1.5 m厚水下封底，抽水完成后封底混凝土與護筒均出現(xiàn)一定程度的裂縫及漏水現(xiàn)象，證明射水沖刷對水下封底影響較大，在持續(xù)強涌浪條件下，常規(guī)水下一次封底工藝難以滿足使用要求。以二次封底及體系轉(zhuǎn)換為核心的封底技術(shù)可有效解決上述難題。