單壁有底鋼套箱數(shù)值分析與施工技術(shù)

曹岳嵩

(湖南省交通水利建設(shè)集團(tuán)有限公司， 湖南 長沙 410008)

橋梁下部構(gòu)造水下基礎(chǔ)施工常采用的方法有沉井、鋼圍堰和鋼套箱等[1-3]。沉井和鋼圍堰的施工復(fù)雜，周期較長且材料用量大；而鋼套箱方案施工便捷，材料用量合理并能回收再利用，因此在高樁承臺施工中應(yīng)用廣泛。桑植雙門島大橋施工水深達(dá)35 m，水中系梁采用單壁有底鋼套箱方案施工。本文建立了鋼套箱的空間模型，模擬其受力情況，以便于對圍護(hù)方案更進(jìn)一步優(yōu)化研究，并確保其結(jié)構(gòu)安全。

1 工程概述

大橋位于賀龍水庫庫區(qū)，橋位處河面寬度約220 m，地形起伏大，主墩施工水深為24.15～34.50 m，其上部結(jié)構(gòu)采用5×50 m預(yù)制T梁。

結(jié)合橋型、地質(zhì)與水文條件等，大橋采取單壁有底鋼套箱施工水中系梁和立柱。鋼套箱圍堰由底板、側(cè)板、內(nèi)支撐3部分組成，通過側(cè)板和封底混凝土形成的圍水結(jié)構(gòu)為系梁施工提供無水的干體施工環(huán)境，其布置見圖1。

圖1 鋼套箱布置圖(單位： cm)

鋼套箱含底板總高度8 m，平面尺寸為10.58 m×4.58 m，頂標(biāo)高288.50 m。封底砼底標(biāo)高281.20 m，按最大水位288.50 m考慮，水頭差7.3 m。鋼套箱側(cè)板豎肋采用I28b，水平肋采用12 mm厚鋼板，豎向連接采用12 mm封邊鋼板。底板主龍骨采用2I45b，上鋪[22b型鋼橫肋，頂面滿鋪10 mm鋼板做為底模。鋼套箱共設(shè)2道水平圈梁和內(nèi)支撐，圈梁采用2[40b,上下蓋12 mm鋼板，內(nèi)支撐采用2[25b,上下蓋12 mm鋼板。圈梁和內(nèi)支撐焊成整體，圈梁和套箱間縫隙采用鋼板抄墊密實(shí)。套箱鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)除吊桿外，其余材質(zhì)均為Q235B。

2 鋼套箱受力分析

2.1 有限元模型的建立

為了驗(yàn)證鋼套箱的結(jié)構(gòu)安全，采用結(jié)構(gòu)分析軟件，對其進(jìn)行了詳細(xì)的分析[4-6]。

假定鋼套箱側(cè)板與底板間具有可靠的拉、壓連接。套箱封底抽水完成后，封底混凝土需承受水頭差引起的向上浮力，確保其上浮。假定水頭壓力通過側(cè)板面板直接傳遞至豎肋上，封底混凝土灌注荷載通過底板面板直接傳遞至底板橫肋上。采用Midas Civil建立空間模型，桿件均用梁單元模擬，邊界條件約束x、y、z3個方向的線位移自由度。

對于鋼套箱結(jié)構(gòu)，其控制工況分2個： ①套箱下放到位后，封底混凝土澆筑工況;②封底混凝土到強(qiáng)度后，套箱內(nèi)抽水工況。

2.2 計(jì)算結(jié)果

1) 工況1：套箱下放到位后，封底混凝土澆筑。底板面板承受的最大面荷載為封底混凝土自重48 kN/m2，計(jì)算跨度為橫肋間距400 mm，取單寬壁板進(jìn)行計(jì)算。橫肋與主龍骨正應(yīng)力見圖1、圖2。橫肋最大正應(yīng)力82.8 MPa，滿足要求。主龍骨最大正應(yīng)力49.4 MPa<170 MPa，最大剪應(yīng)力22.3 MPa<100 MPa，滿足要求。

圖1 橫肋正應(yīng)力(單位： MPa)

圖2 主龍骨正應(yīng)力(單位： MPa)

單個套箱的底板在主龍骨處共設(shè)有8根吊桿，與護(hù)筒頂設(shè)置的扁擔(dān)梁相連，用于套箱下放和封底混凝土施工。吊桿承受的最大拉力為353 kN，需采用強(qiáng)度不低于785 MPa的φ32 mm精軋螺紋鋼筋作為吊桿。吊桿拉力見圖3。

圖3 吊桿拉力(單位： kN)

2) 工況2：封底混凝土到強(qiáng)度后，套箱內(nèi)抽水。底板面板承受封底抽水后的內(nèi)外水頭差荷載，最大為48 kN/m2。計(jì)算跨度為豎肋間距375 mm，取單寬壁板進(jìn)行計(jì)算。

豎肋、圈梁、內(nèi)支撐正應(yīng)力見圖4～7。豎肋最大正應(yīng)力93.6 MPa<170 MPa，最大剪應(yīng)力21.5 MPa<100 MPa，滿足要求。圈梁最大正應(yīng)力105.6 MPa<170 MPa，剪應(yīng)力37.5 MPa<100 MPa，滿足要求。內(nèi)支撐最大正應(yīng)力57.2 MPa<170 MPa，滿足要求。套箱側(cè)板最大水平位移僅2.6 mm，套箱剛度滿足要求。

圖4 豎肋正應(yīng)力(單位： MPa)

圖5 圈梁正應(yīng)力(單位： MPa)

圖6 內(nèi)支撐正應(yīng)力(單位： MPa)

圖7 套箱側(cè)板水平位移(單位： mm)

3 鋼套箱施工

3.1 鋼套箱拼裝

水中鉆孔樁施工完成后，對鋼管樁鉆孔平臺進(jìn)行拆除，在樁基鋼護(hù)筒下放安裝雙拼工字鋼牛腿，作為鋼套箱的拼裝平臺。拼裝套箱底板，測量人員精確測量放樣，按套箱的分塊尺寸放出具體每塊套箱的安裝位置，并用油漆在平臺上作出標(biāo)識，然后拼裝側(cè)板、安裝吊桿。吊桿底部采取豎向限位措施防止吊桿落入水中。

3.2 鋼套箱下放

鋼套箱拼裝完畢后，在2個樁基墩頂分別安裝卷揚(yáng)機(jī)。首先將套箱整體同步提升10 cm，靜止10 min無異常后，再通過卷揚(yáng)機(jī)不斷反復(fù)變換行程使鋼套箱緩慢下放就位。下放就位后復(fù)核鋼套箱的平面位置、高程以及垂直度，使其滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求(見圖8)。然后采用φ32 mm精軋螺紋鋼將套箱吊在鋼護(hù)筒上，對套箱底板進(jìn)行堵縫。

圖8 鋼套箱下放

3.3 鋼套箱封底

澆筑封底混凝土是有底鋼套箱施工成敗的關(guān)鍵，本橋封底混凝土均位于水面以下，施工采用導(dǎo)管法澆注水下混凝土。導(dǎo)管外徑 32.5 cm、壁厚1 cm，懸掛在平臺夾具梁上，將導(dǎo)管移位3次即可完成封底施工。

封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%以上，潛水員利用法蘭盤封堵連通孔后，再使用潛水泵進(jìn)行套箱內(nèi)抽水。抽水完畢后，套箱內(nèi)形成了干作業(yè)環(huán)境。

4 結(jié)語

桑植雙門島大橋深水高樁系梁采用單壁有底鋼套箱方案施工，本文對該方案進(jìn)行了受力分析和施工工藝研究。單壁有底鋼套箱方案工藝操作簡單，節(jié)約工期，材料用量合理并能回收再利用，技術(shù)上可行，經(jīng)過實(shí)踐，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，為高樁承臺、系梁深水基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)施工提供了一個可復(fù)制的思路，具有良好的推廣潛力和應(yīng)用性。