跨海大橋高樁承臺新型組合吊箱圍堰裝配化設(shè)計與施工

尤田，郭佳嘉

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430040）

0 引言

作為水中承臺施工的重要阻水結(jié)構(gòu)，圍堰為承臺施工創(chuàng)造了干作業(yè)的施工環(huán)境，目前用于橋梁承臺基礎(chǔ)施工的圍堰類型主要包括：土石圍堰、鋼板樁圍堰、鎖扣鋼管樁圍堰、套箱圍堰、吊箱圍堰等[1-3]。各種圍堰類型均有其適用性，其中吊箱圍堰帶有底板主要用于高樁承臺，隨著我國跨海大橋的修建不斷增多，涉及深水高樁承臺施工項目也在不斷變多，導(dǎo)致了吊箱圍堰的材料類型和結(jié)構(gòu)形式也變得越來越多[4-5]。徐啟利[6]對平潭海峽公鐵大橋通航孔橋橋塔墩圍堰進(jìn)行了研究，設(shè)計了一種雙壁鋼吊箱圍堰，利用主體防撞箱作圍堰側(cè)板，并增加底板、系梁桁架、單壁隔倉、內(nèi)支撐等施工結(jié)構(gòu)，以節(jié)省造價；宋書東等[7]對深中通道西人工島岸壁的主體結(jié)構(gòu)鋼圓筒進(jìn)行了研究，設(shè)計了一種鋼材與鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)的圓筒圍堰方案來取代鋼結(jié)構(gòu)圓筒，其應(yīng)用結(jié)果表明組合結(jié)構(gòu)圓筒圍堰方案可靠性高且成本較低；黃劍鋒[8]對港珠澳大橋淺水區(qū)非通航孔橋無內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的雙壁鎖口鋼套箱圍堰進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，把圍堰設(shè)計成可拆裝式結(jié)構(gòu)，并用有限元軟件對其施工過程中的位移及應(yīng)力進(jìn)行了計算分析，計算結(jié)果表明圍堰在施工過程中受力安全、結(jié)構(gòu)合理。為了進(jìn)一步豐富高樁承臺圍堰的結(jié)構(gòu)形式，提高工程質(zhì)量和作業(yè)工效、降低工程成本、減少施工安全風(fēng)險，本文依托寧波舟山港主通道（魚山石化疏港公路）公路工程的某標(biāo)段，對該項目高樁承臺采用基于裝配化設(shè)計的新型組合吊箱圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。

1 工程概況

寧波舟山港主通道（魚山石化疏港公路）公路工程主線起于富翅互通，接甬舟高速，跨越富翅門水道，登陸后設(shè)岑港互通，全長27.969 km。其中DSSG02標(biāo)起點樁號為K13+000，終點樁號為K18+345，里程長度5.345 km，主要包含南通航孔橋（半座）、南非通航孔橋、長白互通三大部分。橋址區(qū)位于浙江東北部沿海海域，施工所在地氣象條件惡劣，受季風(fēng)、臺風(fēng)及降水影響大。該標(biāo)段橋梁下部結(jié)構(gòu)施工為本項目施工關(guān)鍵線路，進(jìn)度安排相對緊迫，機械設(shè)備、材料和半成品構(gòu)件均需通過船舶運輸。其中南非通航孔橋共計105個啞鈴形斜樁承臺，承臺數(shù)量較多且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此為了提高承臺施工效率，節(jié)約成本，保障安全，本文對承臺施工中對施工效率和成本影響較大的吊箱圍堰的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行研究。

2 吊箱圍堰底板方案研究

由于本工程同類型承臺數(shù)量多，承臺施工中吊箱圍堰的選型對本項目施工進(jìn)度、成本、質(zhì)量的控制以及安全管理都起到非常關(guān)鍵的作用。考慮到吊箱圍堰的壁體結(jié)構(gòu)形式相對固定，因此吊箱圍堰的選型關(guān)鍵在于底板，對于本工程吊箱圍堰底板的選型主要有4種設(shè)計方案，結(jié)合結(jié)構(gòu)自重、施工工效、安全風(fēng)險及工程造價等方面對4種吊箱圍堰底板方案進(jìn)行比選，見表1、表2。

表1 吊箱圍堰底板的選型方案對比Table 1 Comparison of selection scheme of bottom plate of hanging box cofferdam

表2 單個吊箱圍堰材料用量及工程造價對比Table 2 Comparison of material consumption and project cost of single hanging box cofferdam

為了方便比較費用，應(yīng)考慮底板回收后還可以周轉(zhuǎn)使用，單個可回收底板按重復(fù)使用7次，單次回收率按90%來估算。吊箱圍堰材料單價（含原材料+制作+安裝費用）如下：鋼結(jié)構(gòu)為7500元/t，C35混凝土總單價可參考投標(biāo)價格按620元/m3考慮。由于部分混凝土底板可以作為C20封底混凝土來計量，該部分混凝土的實際成本應(yīng)扣除可計量部分，底板混凝土單價調(diào)整為620-120=500元/m3。

可見，單個橋墩采用方案2費用最高，采用方案3和方案4費用相當(dāng)，約為方案1的80%，且方案4的結(jié)構(gòu)自重比方案3減少了33.7%，結(jié)構(gòu)較為輕巧。綜合以上因素考慮，采用方案4的新型梁板式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)底板更優(yōu)。

3 新型圍堰裝配化結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過優(yōu)化底板的新型組合吊箱圍堰由鋼結(jié)構(gòu)的壁體、挑梁、吊桿、鋼支撐以及梁板式鋼筋混凝土的底板結(jié)構(gòu)組成[9]。圍堰壁體設(shè)計成可拆裝式結(jié)構(gòu)，分別由2塊壁體一、4塊壁體二和2塊壁體三分塊加工而成，各分塊之間采用螺栓+榫頭式鎖口連接成整體，見圖1。單塊壁體結(jié)構(gòu)均采用14的環(huán)向次梁以及HN400×150的環(huán)向主梁2與HN 350×175的縱梁交叉焊接于8 mm壁板上作為內(nèi)模板，采用HM588×300的環(huán)向主梁1與縱梁焊接于模板外側(cè)作為主要支撐梁系，內(nèi)側(cè)采用φ426×6的鋼管作為鋼支撐，各側(cè)壁板之間用2排M20螺栓連接。

圖1 圍堰壁體及支撐結(jié)構(gòu)平面布置圖（cm）Fig.1 Layout of cofferdam wall and support structure(cm)

底板采用混凝土強度等級為C40的梁板式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，同等荷載情況下，結(jié)構(gòu)更加輕巧，受力更加明確。底板板厚為10 cm，考慮到鋼管樁施工誤差，為確保吊箱順利下放，將底板沿鋼管樁投影面域外擴20 cm。底板主梁高30 cm，寬20 cm，為防止底板主梁因鋼管樁阻擋被截斷，底板主梁沿鋼管樁四周分別呈環(huán)狀和輻射狀布置，并在承臺系梁位置設(shè)置3根主梁將2個圓形底板梁連成整體，見圖2?？紤]到設(shè)計低潮位低于底板位置，為避免封底混凝土澆筑過程中由于吊箱內(nèi)外水頭差的變化而導(dǎo)致封底混凝土離析，底板上設(shè)置有連通器。底板在吊桿對應(yīng)位置設(shè)置焊接預(yù)埋件，通過吊桿將底板與挑梁連接成整體；底板與壁體結(jié)構(gòu)相連位置設(shè)置環(huán)向封邊槽鋼，確保壁體和底板密貼，滿足止水要求。壁體與底板之間采用對拉鋼筋連接，同時為避免接觸面出現(xiàn)滲漏，接觸面連接縫處夾塞5 mm厚的膨脹型止水條防止?jié)B水。

圖2 梁板式鋼筋混凝土底板結(jié)構(gòu)布置示意圖（cm）Fig.2 Reinforced concrete floor structure layout diagram(cm)

底板沿鋼管樁切向和徑向分別布置有強度等級為HRB400的受力鋼筋，鋼筋直徑為8 mm，局部位置采用直徑為12 mm的鋼筋補強，并在開孔處采用拉筋補強，考慮到結(jié)構(gòu)對稱性，本文僅列出1/3區(qū)域的配筋圖，見圖3。

圖3 鋼筋混凝土底板配筋示意圖（cm）Fig.3 Reinforcement diagram of reinforced concrete bottom plate(cm)

吊點設(shè)置在挑梁上，為提高圍堰的安拆工效和施工精度，挑梁與壁體結(jié)構(gòu)采用法蘭連接，吊桿與挑梁采用銷軸連接，采用對拉鋼筋將壁體結(jié)構(gòu)與底板連成整體，見圖4。承臺澆筑時，設(shè)置厚度為0.8 m的C25封底混凝土，封底混凝土無配筋，依托封底混凝土與鋼管樁之間的握裹力將承臺施工的荷載傳遞至鋼管樁上。

圖4 組合吊箱圍堰結(jié)構(gòu)斷面圖Fig.4 Structure section of composite hanging box cofferdam

4 組合圍堰結(jié)構(gòu)計算

4.1 有限元模型及計算工況

為分析新型梁板式鋼筋混凝土底板圍堰施工過程中結(jié)構(gòu)的受力狀況，運用大型通用有限元軟件ANSYS分工況建立有限元模型，為有效保證計算精度，模型中單元及網(wǎng)格劃分長度均小于0.3 m，模型共84728個節(jié)點，147946個單元，吊箱圍堰對應(yīng)構(gòu)件的單元類型及力學(xué)參數(shù)見表3。主要分4種工況進(jìn)行計算，各工況有限元模型見圖5。

表3 吊箱圍堰對應(yīng)構(gòu)件的單元類型表Table 3 Element library of the hanging box cofferdam's component

圖5 各工況下的有限元模型Fig.5 Finite element model under various working conditions

4種工況分別為：

工況1：整體起吊下放工況。該工況分2組鋼絲繩起吊，每組鋼絲繩用吊具與4根鋼絲繩相連，4根鋼絲繩通過卸扣與挑梁的吊耳連接，見圖5（a）。

工況2：澆筑封底混凝土工況。該工況主要驗證封底混凝土澆筑時底板、吊桿和挑梁的承載力。澆筑前鋼管樁頂口設(shè)置墊塊，挑梁落在鋼管樁墊塊上，完成結(jié)構(gòu)的體系轉(zhuǎn)換，有限元模型通過將鋼管樁底端固結(jié)，并將挑梁與鋼管樁的接觸節(jié)點和鋼管樁頂口節(jié)點進(jìn)行耦合來模擬該工況的邊界條件[10]，見圖5（b）。

工況3：承臺澆筑工況。該工況主要驗證承臺澆筑時封底混凝土的承載力及與鋼管樁之間的握裹，見圖5（c）。

工況4：極端工況。該工況主要驗證封底混凝土達(dá)到設(shè)計強度后，在現(xiàn)場極端風(fēng)浪作用下的承載力，見圖5（c）。

4.2 計算結(jié)果分析

經(jīng)過計算后，對應(yīng)的每種工況的最大應(yīng)力和變形統(tǒng)計如表4所示，從計算結(jié)果中可以看出整體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力出現(xiàn)在壁板及鋼支撐處，分別達(dá)到了89.8 MPa、82.8 MPa，均小于規(guī)范允許的最大應(yīng)力210 MPa；結(jié)構(gòu)最大變形發(fā)生在壁板及縱梁區(qū)域，分別達(dá)到了1.8 mm、1.7 mm，也均小于規(guī)范允許的最大變形75 mm。其中工況2作用下梁板式鋼筋混凝土底板的最大拉應(yīng)力為0.37 MPa，最大變形為1.6 mm，也均小于相關(guān)規(guī)范的要求，因此圍堰及封底混凝土結(jié)構(gòu)的最大位移及最大應(yīng)力均滿足結(jié)構(gòu)安全及使用功能要求。

表4 壁體各構(gòu)件位移及應(yīng)力匯總表Table 4 Summary of displacement and stress of each component of the cofferdam wall

5 裝配化施工關(guān)鍵技術(shù)

新型的組合吊箱圍堰壁體結(jié)構(gòu)在工廠分塊加工后運至臨時碼頭，底板結(jié)構(gòu)在臨時碼頭上整體澆筑，在臨時碼頭上將吊箱圍堰拼裝成整體后通過浮吊吊裝至駁船，然后經(jīng)駁船運至安裝現(xiàn)場，最后采用浮吊整體吊裝下放安裝到位[10]，如圖6所示。封底混凝土達(dá)到設(shè)計強度后，在承臺澆筑前，解開吊桿的銷軸，割除吊桿，解開挑梁與壁體結(jié)構(gòu)的法蘭，從而拆除挑梁。待承臺澆筑完成后，通過松開與壁體結(jié)構(gòu)和底板相連的對拉鋼筋，松擰壁體分塊間的螺栓，即可完成壁體結(jié)構(gòu)的分塊拆除[10]。

圖6 裝配化現(xiàn)場施工圖Fig.6 The site construction drawing of assembly

6 結(jié)語

目前該工程使用新型的組合圍堰結(jié)構(gòu)對承臺基礎(chǔ)的施工已順利完成并達(dá)到了預(yù)期效果，施工過程中證明了新型組合吊箱圍堰具有工程造價相對較低、方便拆裝、受力明確、結(jié)構(gòu)整體性好等特點。在降低了施工風(fēng)險的同時，大幅度地提高了施工工效，減輕了項目的工期壓力，特別適用于跨海大橋同類型承臺較多的高樁承臺施工，該新型組合圍堰的結(jié)構(gòu)形式及裝配化施工方法也可為后續(xù)類似工程承臺基礎(chǔ)施工提供寶貴經(jīng)驗。