一種雙壁鋼圍堰吊放系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

李臣光 譚海濤 李永霞

【摘要：】某特大橋主橋?yàn)?70 m的波形鋼腹板連續(xù)鋼構(gòu)橋，主墩承臺(tái)采用堰模一體化免圍檁雙壁鋼圍堰輔助承臺(tái)施工。文章結(jié)合該工程實(shí)例，介紹了雙壁鋼圍堰施工流程，設(shè)計(jì)出貝雷片門式吊架吊放系統(tǒng)和牛腿支架吊放系統(tǒng)兩種方案結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了Midas有限元建模驗(yàn)算分析。結(jié)果表明：采用牛腿支架吊放系統(tǒng)受力合理，操作簡易，與門式吊放系統(tǒng)相比，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)可減少工期，安全性能較好。

【關(guān)鍵詞：】雙壁鋼圍堰;有限元;吊放系統(tǒng)設(shè)計(jì);牛腿吊放系統(tǒng);門式吊放系統(tǒng)

U445.55+6A421404

0 引言

隨著橋梁建設(shè)的發(fā)展，越來越多跨越江河湖海的大型橋梁相繼修建。為滿足承載力要求，水下施工是大型橋梁建設(shè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。鋼圍堰作為輔助水下承臺(tái)施工的臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其作用是防止水和土進(jìn)入建筑物的修建位置，為修筑建筑物提供一個(gè)干燥安全的施工環(huán)境。圍堰質(zhì)量的好壞直接影響承臺(tái)施工的質(zhì)量與安全。隨著承臺(tái)形式不同，鋼圍堰的設(shè)計(jì)形式也不同，其施工方法也有所差異。

本文通過對(duì)傳統(tǒng)雙壁鋼圍堰進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)出一種免圍檁、堰模一體的雙壁鋼圍堰，其既可以作為圍堰結(jié)構(gòu)，同時(shí)也是承臺(tái)施工的模板。此圍堰不僅可以減少圍檁、模板等材料的使用，符合綠色施工理念，同時(shí)可以大大縮短工期，保證承臺(tái)施工質(zhì)量，提升企業(yè)形象。為滿足雙壁鋼圍堰拼裝精度，同時(shí)保證下放過程中的質(zhì)量與安全，鋼圍堰施工過程中圍堰吊放拼裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化與應(yīng)用研究對(duì)深水承臺(tái)施工具有十分重要的意義。

1 工程概況

廣西南寧市橫州市某特大橋?yàn)橐蛔ㄐ武摳拱暹B續(xù)剛構(gòu)橋（如圖1所示），主橋采用（100+185+185+100）m跨徑布置，橋面全寬13 m。其中下構(gòu)6#、7#、8#主墩采用C50雙肢薄壁橋墩，基礎(chǔ)采用承臺(tái)樁基礎(chǔ)（如圖2所示）。承臺(tái)長16.8 m、寬10.8 m、高4.5 m。承臺(tái)底標(biāo)高為54 m，郁江平均水位為61 m。

為輔助承臺(tái)施工，采用堰模一體化雙壁鋼圍堰。圍堰外邊尺寸為19 m×13 m，高17 m，總重381 t。共分為5節(jié)，每節(jié)分為12個(gè)節(jié)塊。第一節(jié)到第五節(jié)圍堰高度分別為4.5 m、3 m、3 m、3 m、3.5 m。鋼圍堰采用分節(jié)拼裝，第五節(jié)拼裝完成后進(jìn)行下放清淤，待平面位置及高程符合要求后進(jìn)行封底混凝土澆筑，然后進(jìn)行承臺(tái)施工。詳見圖3～4。

2 雙壁鋼圍堰施工流程（圖5）

2.1 圍堰制作加工

雙壁鋼圍堰在鋼結(jié)構(gòu)工場加工可加快工期，保證質(zhì)量。每一節(jié)圍堰由12塊（4個(gè)L形角塊，和8個(gè)I形塊）拼裝而成。鋼圍堰分塊制作加工完成后，對(duì)其進(jìn)行試拼，檢查其塊與塊之間吻合情況以及滲漏情況，合格之后運(yùn)輸至施工現(xiàn)場，再由現(xiàn)場進(jìn)行節(jié)段拼裝。

2.2 拼裝平臺(tái)搭設(shè)

待鉆孔樁施工平臺(tái)拆除后，先對(duì)圍堰范圍內(nèi)的河床進(jìn)行清淤和找平。為保證施工平臺(tái)的承載能力與安全性，利用現(xiàn)有的鉆孔樁鋼護(hù)筒、鋼棧橋、鋼平臺(tái)的鋼管樁作持力構(gòu)件，通過在鋼管樁、鋼護(hù)筒上焊接牛腿，架設(shè)雙拼工字鋼搭設(shè)鋼圍堰拼裝平臺(tái)。

2.3 首節(jié)圍堰拼裝

在搭設(shè)的臨時(shí)平臺(tái)上精確放樣，畫出圍堰刃腳周線，同時(shí)在頂端拉線放樣，控制鋼圍堰拼裝時(shí)的平順度和垂直度，然后采用對(duì)角拼裝、對(duì)角合龍的方式進(jìn)行拼裝。焊接時(shí)先焊圍堰節(jié)段連接面板間的豎向焊縫，再焊環(huán)向焊縫，焊接完畢后在內(nèi)側(cè)焊縫上涂煤油和外側(cè)涂抹石灰作滲透性試驗(yàn)，當(dāng)石灰位置出現(xiàn)變色時(shí)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)焊。

2.4 吊放系統(tǒng)安裝

首節(jié)圍堰拼裝完成后，安裝吊放系統(tǒng)，將鋼圍堰起吊至一定高度，然后拆除拼裝平臺(tái)。待下放準(zhǔn)備工作完成后，利用吊放系統(tǒng)進(jìn)行圍堰下放。當(dāng)首節(jié)圍堰箱刃腳入水后，靜置2～3 h，檢查圍堰是否漏水，如有則對(duì)漏水部位進(jìn)行封堵后將雙壁鋼圍堰下放至一定水位進(jìn)行臨時(shí)固定，之后再依次進(jìn)行其他節(jié)段鋼圍堰拼裝。

2.5 圍堰接高下放

首節(jié)圍堰下放至指定位置后，進(jìn)行第二節(jié)圍堰拼裝，拼裝順序按照對(duì)角安裝、對(duì)角合龍的方式，確保拼裝過程圍堰處于平衡狀態(tài)。在拼裝完成后對(duì)圍堰內(nèi)注入一定高度的水，并下沉圍堰，待下放至指定高程后，進(jìn)行第三節(jié)拼裝，重復(fù)以上步驟依次拼裝至第五節(jié)。

2.6 圍堰清淤下沉

待雙壁鋼圍堰拼裝完成后，對(duì)鋼圍堰進(jìn)行配重下沉，采用吸泥設(shè)備對(duì)稱清淤，確保圍堰不發(fā)生較大偏位與傾斜。圍堰拼裝完成后通過懸吊下放系統(tǒng)繼續(xù)沉放，沉放過程中應(yīng)注意向鋼圍堰的隔水倉內(nèi)對(duì)稱地加水配重，保證圍堰不發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，直至鋼圍堰著床并下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高。

2.7 圍堰封底施工

圍堰下沉到設(shè)計(jì)高程后，進(jìn)行封底混凝土施工。對(duì)圍堰內(nèi)拋填約50 cm的片石，然后讓潛水工對(duì)刃腳內(nèi)外側(cè)鋼圍堰底與河床底間的接觸情況進(jìn)行檢查，根據(jù)檢查結(jié)果對(duì)鋼圍堰外緣拋填砂袋以封堵圍堰底部的空隙，防止封底時(shí)混凝土泄漏。拋填砂袋的高度約為1 m，待圍堰底封堵完成后，潛水工用高壓水槍對(duì)圍堰刃腳內(nèi)側(cè)、鋼護(hù)筒周邊進(jìn)行沖洗，使鋼圍堰內(nèi)側(cè)、鋼護(hù)筒與封底混凝土有良好的握裹，避免出現(xiàn)滲水情況。

3 圍堰吊放系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)雙壁鋼圍堰的安裝及下放流程可知，為滿足鋼圍堰節(jié)塊拼裝，首節(jié)鋼圍堰在拼裝平臺(tái)完成拼裝后拆除拼裝平臺(tái)并對(duì)其進(jìn)行起吊，下放至一定高度后進(jìn)行剩余節(jié)段拼裝，以此步驟直至五節(jié)拼裝完成。針對(duì)圍堰節(jié)塊拼裝的施工需要，設(shè)計(jì)出貝雷片門式吊架吊放系統(tǒng)和牛腿支架吊放系統(tǒng)兩種方案，并進(jìn)行有限元計(jì)算分析。

3.1 牛腿支架吊放系統(tǒng)

3.1.1 牛腿支架吊放系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用牛腿懸吊系統(tǒng)（如圖6所示）吊裝首節(jié)鋼圍堰。首節(jié)雙壁鋼圍堰的總重量為123.64 t，懸吊系統(tǒng)共設(shè)置6個(gè)吊點(diǎn)。吊點(diǎn)設(shè)置于底節(jié)雙壁鋼圍堰中上部，采用雙拼25a工字鋼牛腿以及加強(qiáng)面板、25a工字鋼與32 mm精軋螺紋鋼、精軋螺紋鋼套筒組成。吊點(diǎn)豎向采用兩個(gè)反向牛腿的形式，大橫梁采用通長雙拼40a工字鋼，架設(shè)在鋼護(hù)筒上。

鋼圍堰下放時(shí)，調(diào)節(jié)精軋螺紋鋼螺帽到20 cm（根據(jù)千斤頂頂升量程確定），頂升千斤頂，待千斤頂全部頂升到位后，松掉千斤頂下端的精軋螺紋鋼螺帽（調(diào)節(jié)20 cm），千斤頂開始泄壓，此時(shí)鋼圍堰開始在重力荷載作用下吊放，待千斤頂泄壓完后，重復(fù)以上操作步驟直至吊放到設(shè)計(jì)位置。

3.1.2 牛腿支架吊放系統(tǒng)計(jì)算

3.1.2.1 有限元建模

采用Midas軟件建立有限元模型（如圖7所示）。圍堰結(jié)構(gòu)型鋼采用梁單元模擬，鋼板采用板單元模擬。

荷載組合：荷載取值=1.2×吊裝荷載。

3.1.2.2 計(jì)算結(jié)果

牛腿吊放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算如圖8所示。各吊裝構(gòu)件在吊裝首節(jié)鋼圍堰時(shí)的強(qiáng)度、剛度等驗(yàn)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

結(jié)合Midas Civil軟件驗(yàn)算結(jié)果，在此工況下，32 mm精軋螺紋鋼各吊點(diǎn)的反力均為211.6 kN左右，受力均勻。精軋螺紋鋼最大應(yīng)力為386.3 MPa，小于精軋螺紋鋼設(shè)計(jì)強(qiáng)度930 MPa。

對(duì)于除去精軋螺紋鋼之外的其他構(gòu)件，最大組合應(yīng)力為吊點(diǎn)牛腿225a工字鋼的55.9 MPa，均小于強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215 MPa。各構(gòu)件相對(duì)變形均小于構(gòu)件對(duì)應(yīng)長度方向的l/400，因此，各構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度均能滿足門架吊裝首節(jié)鋼圍堰的工況要求。

3.2 門式支架吊放系統(tǒng)

3.2.1 門式支架吊放系統(tǒng)設(shè)計(jì)

貝雷片門式吊裝系統(tǒng)（見圖9）共設(shè)置6個(gè)吊點(diǎn)。吊點(diǎn)設(shè)置于底節(jié)雙壁鋼圍堰頂部，采用雙拼25a工字鋼、貝雷梁、40a工字鋼、32 mm精軋螺紋鋼、精軋螺紋鋼套筒組成。吊點(diǎn)豎向采用將兩個(gè)雙拼25a工字鋼焊接在首節(jié)鋼圍堰頂部，大橫梁采用通長雙拼40a工字鋼，架設(shè)在鋼護(hù)筒與鋼平臺(tái)搭設(shè)的貝雷梁上。下放時(shí)與牛腿吊放系統(tǒng)原理相同。

3.2.2 門式支架吊放系統(tǒng)計(jì)算

3.2.2.1 有限元建模

采用Midas軟件建立有限元模型（如圖10所示）。圍堰結(jié)構(gòu)型鋼采用梁單元模擬，鋼板采用板單元模擬。

荷載組合：荷載取值=1.2×吊裝荷載。

3.2.2.2 計(jì)算結(jié)果

門式吊放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖11所示。各吊裝構(gòu)件在吊裝首節(jié)鋼圍堰時(shí)的強(qiáng)度、剛度驗(yàn)算匯總結(jié)果如表2所示。

結(jié)合Midas Civil軟件驗(yàn)算結(jié)果，在此工況下，圍堰中部32 mm精軋螺紋鋼各吊點(diǎn)的反力為245.6 kN，其余吊點(diǎn)反為181.1 kN左右，受力較為均勻。精軋螺紋鋼最大應(yīng)力為234.5 MPa，小于精軋螺紋鋼設(shè)計(jì)強(qiáng)度930 MPa。

對(duì)于除去精軋螺紋鋼之外的其他構(gòu)件，最大組合應(yīng)力為橫向雙拼40a工字鋼的114.5 MPa，均小于強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215 MPa;各構(gòu)件相對(duì)變形均小于構(gòu)件對(duì)應(yīng)長度方向的l/400，因此，各構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度均能滿足門架吊裝首節(jié)鋼圍堰的工況要求。

4 工程應(yīng)用

經(jīng)過該特大橋鋼圍堰下放過程實(shí)際工程應(yīng)用，對(duì)兩種吊放系統(tǒng)方案進(jìn)行對(duì)比分析，兩者受力情況均滿足設(shè)計(jì)要求。門式吊放系統(tǒng)會(huì)影響第二節(jié)鋼圍堰的拼裝，需在第二節(jié)拼裝后進(jìn)行拆除，后續(xù)節(jié)段依靠圍堰浮力來完成拼裝，水流船只等對(duì)鋼圍堰拼裝有較大影響，特別是拼裝精度與安全。采用牛腿支架吊放系統(tǒng)可減少拼裝第二節(jié)圍堰時(shí)支架拆除所需時(shí)間，同時(shí)可以保證第二節(jié)圍堰拼裝時(shí)第一節(jié)不會(huì)產(chǎn)生較大位移，保證拼裝過程中的安全，也能避免圍堰拼裝過程中因不平衡發(fā)生鋼圍堰傾斜下沉的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)提高了拼裝精度。在經(jīng)濟(jì)方面，一個(gè)鋼圍堰下放過程中，牛腿吊放系統(tǒng)較門式吊放系統(tǒng)能節(jié)省所需人工、材料、機(jī)械費(fèi)用約5.35萬元，縮短工期8 d。相較而言，牛腿吊放系統(tǒng)具有更好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

5 結(jié)語

本文依托南寧市橫州市某特大橋主墩承臺(tái)施工工程，根據(jù)所采用的堰模一體雙壁鋼圍堰，設(shè)計(jì)出兩種吊放系統(tǒng)方案，對(duì)兩種方案結(jié)構(gòu)進(jìn)行了Midas有限元建模驗(yàn)算，

并通過實(shí)際工程應(yīng)用，對(duì)比分析表明：兩種吊放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在首節(jié)鋼圍堰荷載作用下結(jié)構(gòu)的受力與變形驗(yàn)算結(jié)果均能滿足要求。在實(shí)際工程應(yīng)用中，牛腿吊放系統(tǒng)與門式吊放系統(tǒng)相比可節(jié)省材料費(fèi)、人工費(fèi)、機(jī)械費(fèi)的投入，同時(shí)可以大大節(jié)省工期，為后續(xù)鋼圍堰吸泥下沉、封底混凝土施工以及承臺(tái)施工節(jié)省了大量時(shí)間，體現(xiàn)了當(dāng)代橋梁建設(shè)綠色、環(huán)保的水上施工理念，為同類型深水圍堰施工提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]王殿偉.洞庭湖大橋3#主墩雙壁鋼圍堰施工技術(shù)研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2016（4）：20-24.

[2]叢義營，孫曉榮.雙壁鋼圍堰精確下放施工技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù)，2015（5）：45-48.

[4]姜 敏，張國忠，張漢橋.鋼吊箱圍堰在深水高樁承臺(tái)施工中的應(yīng)用[J].中國西部科技，2005（9）：93.

[3]程 晨.南京大勝關(guān)長江大橋4號(hào)墩雙壁鋼吊箱圍堰整體吊裝設(shè)計(jì)與施工[J].橋梁建設(shè)，2008（4）：20-23.

[4]時(shí)天利，任回興，賀茂生.蘇通大橋深水雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)與施工[J].世界橋梁，2007（3）：30-33.

[5]鮮正洪，粟學(xué)平，馬亞飛，等.深水基礎(chǔ)大型雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)與施工技術(shù)[J].中外公路，201 31（1）：135-139.

[6]潘志明.陶樂黃河特大橋主墩雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)與施工[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010（3）：53-56.