“∞”字型雙壁鋼圍堰吊裝下沉施工技術(shù)

夏雨成

(湖南路橋建設(shè)集團有限責(zé)任公司, 湖南 長沙 410004)

0 引言

隨著橋梁施工技術(shù)的發(fā)展，在眾多跨江、跨河乃至跨海大橋深水承臺基礎(chǔ)施工過程中，圍堰作為承臺施工的臨時止水結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式及施工工藝尤為重要。目前，國內(nèi)外常規(guī)的圍堰結(jié)構(gòu)形式主要有鋼板樁圍堰、鋼管樁圍堰、雙壁鋼圍堰等。對于深水施工，雙壁鋼圍堰有著剛度大、止水好等優(yōu)點；相比常規(guī)矩形雙壁鋼圍堰，“∞”字型雙壁鋼圍堰更能利用圓形結(jié)構(gòu)良好的承壓能力，大幅度提高圍堰整體的抗壓性能，減少圍堰鋼材的使用，具有施工便捷、經(jīng)濟、安全等優(yōu)點。但是如何實現(xiàn)“∞”字型雙壁鋼圍堰的吊裝下沉施工是一項施工技術(shù)難題。

本文根據(jù)“∞”字型雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計了一種新的剪刀式吊具及下沉導(dǎo)向系統(tǒng)進行圍堰的節(jié)段整體吊裝下沉，減少了圍堰在吊裝過程中的變形，提高了下沉施工精度，保證了施工質(zhì)量，達(dá)到了良好的施工效果。

1 工程概況

南陽湘江特大橋主橋30#～33#墩承臺圍堰設(shè)計為“∞”字型雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)形式，順橋向?qū)?7.4 m，橫橋向長32.4 m，直徑17.4 m，圍堰高28.5 m。圍堰豎向分節(jié)，每標(biāo)準(zhǔn)節(jié)高4.5 m，單節(jié)重約115 t。

2 “∞”字型雙壁鋼圍堰剪刀式吊具及下沉導(dǎo)向系統(tǒng)設(shè)計

2.1 “∞”字型雙壁鋼圍堰剪刀式吊具設(shè)計

為解決鋼圍堰吊裝過程容易變形的問題，將吊具設(shè)計為剪刀結(jié)構(gòu)形式，并設(shè)置8個吊點與圍堰連接，均勻分布吊點，確保吊裝過程中受力均勻，減少吊裝過程產(chǎn)生較大的變形(見圖1)。

圖1 剪刀式吊具設(shè)計平面圖

剪刀式吊具分為上下兩部分，上部為主橫梁，采用φ820鋼管制作而成，兩端設(shè)置吊帶板，自上而下穿插于φ820鋼管內(nèi)部，吊帶板上下開孔，上孔采用卸扣+φ77.5鋼絲繩(雙繩)的方式與浮吊吊鉤連接，下孔采用卸扣+φ56鋼絲繩與下部剪刀式吊梁連接。下部剪刀式吊梁由兩根φ630鋼管十字交叉形成剪刀式結(jié)構(gòu)，可繞中心鉸自由旋轉(zhuǎn)，便于調(diào)整吊點位置及吊具收纜和存放。端部設(shè)置吊帶板穿插于鋼管內(nèi)部，頂部開孔與上部主橫梁連接，吊帶板兩側(cè)在鋼圍堰內(nèi)外壁板吊耳位置設(shè)置鋼絲繩限位槽，用于掛置鋼絲繩與鋼圍堰內(nèi)外壁板吊耳連接(見圖2)。

圖2 剪刀式吊具吊裝示意圖(單位： mm)

2.2 下沉導(dǎo)向系統(tǒng)設(shè)計

鋼圍堰下沉導(dǎo)向架分為上導(dǎo)向架與下導(dǎo)向架，設(shè)置在鋼護筒與內(nèi)壁板之間；下導(dǎo)向架均勻焊接在鋼圍堰底節(jié)內(nèi)壁板上，共設(shè)置6個；上導(dǎo)向架與下導(dǎo)向架錯位設(shè)置，焊接在鋼護筒上，共設(shè)置6個。鋼護筒之間采用型鋼進行連系，以增加護筒的整體剛度及穩(wěn)定性(見圖3)。

圖3 下沉導(dǎo)向系統(tǒng)示意圖(單位: mm)

3 “∞”字型雙壁鋼圍堰剪刀式吊具計算分析

3.1 φ 630鋼管剪刀式吊梁計算分析

強度計算分析：φ 630鋼管截面面積A=15632.6mm2，抗彎截面模量Wx=2400392.7mm2，彈性模量E=2.06×105MPa，塑性發(fā)展系數(shù)γx=1.15，所受軸向力為F=115 kN×9.8/8×1.4/tan 45°=197 kN，偏心距e=490 mm。所受彎矩M=F×e=96 530 000 N·mm。

由此可得：

由此可得：

3.2 φ 820鋼管主橫梁計算分析

強度計算分析：φ 820鋼管截面面積A=25446.9 mm2，抗彎截面模量Wx=5 090 932 mm2，彈性模量E=2.06×105MPa，塑性發(fā)展系數(shù)γx=1.15，所受軸向力F=135 kN×9.8/2×1.4/tan 45°=926.1 kN，偏心距e=710 mm。所受彎矩M=F×e=657 531 000 N·mm。

由此可得：

由此可得：

3.3 吊繩計算分析

上部φ820鋼管主橫梁端部與浮吊吊鉤采用φ77.5鋼絲繩(雙繩)連接，鋼絲繩與主橫梁夾角為45°。吊繩型號為D77.5-6×61-2.8-1700,其直徑為77.5 mm，6股61絲，鋼絲直徑為2.8 mm，公稱抗拉強度為1700 N/mm2。

吊裝過程中，單根吊繩的拉力為：F=135 kN×9.8×cos 45°/2=467.8 kN。鋼絲繩破斷拉力總和F0=3 825 kN，鋼絲繩結(jié)構(gòu)換算系數(shù)0.8，安全系數(shù)取6，詳見《建筑施工起重吊裝工程安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ 276—2012)4.3.1節(jié)。

鋼絲繩的允許拉力計算公式如下：

[F拉]=α·F0/K

(1)

式中： [F拉] 為鋼絲繩的允許拉力,kN；α為鋼絲繩結(jié)構(gòu)換算系數(shù)；K為安全系數(shù)；

代入式(1)可得鋼絲繩允許拉力[F拉]=0.8×3 825 kN/6=510 kN>467.8 kN，滿足設(shè)計要求。

下部φ630剪刀式吊梁與φ820鋼管主橫梁端部采用φ56鋼絲繩連接，鋼絲繩與剪刀式吊梁的夾角為45°。吊繩型號為D56-6×37-2.6-1700,其直徑為56 mm，6股37絲，鋼絲直徑為2.6 mm，公稱抗拉強度1 700 N/mm2。

吊裝過程中，單根吊繩的拉力為：F=115 kN/8×9.8/8/sin 45°=199.2 kN。D56-6×37-2.6-1700鋼絲繩破斷拉力總和F0=2 000 kN，鋼絲繩結(jié)構(gòu)換算系數(shù)0.82，安全系數(shù)取6。

代入式(1)可得鋼絲繩允許拉力[F拉]=0.82×2 000 kN/6=273 kN>199.2 kN，滿足設(shè)計要求。

4 “∞”字型雙壁鋼圍堰吊裝下沉施工

4.1 下沉導(dǎo)向系統(tǒng)安裝施工

“∞”字型雙壁鋼圍堰整吊裝下沉之前，先在圍堰首節(jié)內(nèi)壁板安裝下導(dǎo)向架(見圖4)，并在鋼護筒上安裝上導(dǎo)向架(見圖5)。導(dǎo)向架安裝時嚴(yán)格控制導(dǎo)向架與內(nèi)壁板及鋼護筒之間的間距，以防止間距過小導(dǎo)致圍堰下沉困難，或間距過大導(dǎo)致圍堰下沉平面位置及垂直度無法控制。上導(dǎo)向架與內(nèi)壁板間距為(5±1)cm、下導(dǎo)向架與鋼護筒間距為(15±1)cm。

圖4 下導(dǎo)向架安裝

圖5 上導(dǎo)向架安裝

圖6 圍堰吊裝轉(zhuǎn)運至運輸船上

4.2 鋼圍堰節(jié)段整體吊裝下沉施工

鋼圍堰采用浮吊結(jié)合剪刀式吊具進行節(jié)段整體吊裝下沉施工。將剪刀式吊具緩慢落在圍堰頂，采用鋼絞線與卸扣將吊具下部剪刀式吊梁端部與圍堰頂部吊耳板連接，并調(diào)節(jié)鋼絞線長度，使每根吊索均勻受力。緩慢起吊圍堰，將圍堰轉(zhuǎn)運至運輸船上運至施工現(xiàn)場(見圖6)。

圍堰下沉施工前需在每節(jié)圍堰外壁板側(cè)用油漆畫好尺寸線，下放過程中通過尺寸線控制下沉高度。為確保每節(jié)段圍堰接高作業(yè)時圍堰自浮穩(wěn)定，并保有1.5 m高的干舷高度，便于拼接縫焊接作業(yè)，需對下沉過程進行詳細(xì)計算(注水/夾壁砼數(shù)量、圍堰下沉高度等)，并進行實時調(diào)整。每次下沉均需測量圍堰頂面的標(biāo)高、平面位置，確保滿足規(guī)范要求后方可繼續(xù)施工，圍堰吊裝下沉及接高焊接作業(yè)見圖7、圖8。

圖7 圍堰吊裝下沉

圖8 圍堰接高焊接作業(yè)

4.3 圍堰下沉施工測量控制方法

為提高圍堰下沉過程中施工精度，保證圍堰的平面位置及垂直度?？稍诿抗?jié)圍堰頂布設(shè)8個控制點(A-1、A-2、A-3、0-1、0-2、B-1、B-2、B-3)(見圖9)。以首節(jié)圍堰頂控制點的三維坐標(biāo)值作為初始值，通過對下沉的每節(jié)圍堰頂控制點測量、分析，了解圍堰下沉情況，并及時糾偏，以確保圍堰下沉施工精度。

圖9 圍堰吸泥下沉平面控制點

根據(jù)A-1、A-2、A-3、0-1、0-2、B-1、B-2、B-3的三維坐標(biāo)(Xi、Yi、Hi)，計算圍堰中心設(shè)計值 (XA，YA；XB，YB)，可得：

頂中心偏移量：

ΔXA=1/2(XA-1+XA-3)-XA

(2)

ΔYA=1/2(YA-1+YA-3)-YA

(3)

ΔXB=1/2(XB-1+XB-3)-XB

(4)

ΔYB=1/2(YB-1+YB-3)-YB

(5)

順橋向圍堰頂高差：

ΔH順=H0-1-H0-2

(6)

橫橋向圍堰頂高差：

ΔH橫=HA-2-HB-2

(7)

圍堰傾斜的計算:通過測定圍堰頂面節(jié)段基準(zhǔn)點的相對高差進行推算，獲得順橋向傾斜率ΔH順/D，橫橋向傾斜率ΔH橫/D，綜合即為圍堰在十字線方向的斜率。

5 結(jié)論

南陽湘江特大橋“∞”字型雙壁鋼圍堰采用剪刀式吊具及下沉導(dǎo)向系統(tǒng)，可較好地解決圍堰吊裝下沉的施工難題。

1) 采用剪刀式吊具進行“∞”字型雙壁鋼圍堰節(jié)段整體吊裝，通過8個吊點均布在圍堰頂部，可使每個吊點均勻受力，大幅度減少了吊裝過程中的變形，保證了吊裝質(zhì)量。

2) 采用上下導(dǎo)向架系統(tǒng)進行“∞”字型雙壁鋼圍堰下沉施工，利用上導(dǎo)向架與下導(dǎo)向架對圍堰的限位，較好地實現(xiàn)了對鋼圍堰平面位置及垂直度的控制，提高了施工效率。