某國輕軌跨海橋深海高樁承臺鋼吊箱圍堰設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究

王偉明

（中國土木工程集團(tuán)有限公司，北京 100038）

1 工程概況

某國輕軌項(xiàng)目地處該國最大城市，項(xiàng)目線路全長28 km，其中，高架橋長8.1 km，設(shè)11座車站?？绾驒M跨Lagoon湖入?？谖恢?，橋跨結(jié)構(gòu)為30 m×3+40 m×1+60 m×5+40 m×1+30 m×2簡支連續(xù)梁橋，全長530 m，墩號為104號～114號，樁基總數(shù)為130根，設(shè)計(jì)樁長為52～80 m。其中，深水區(qū)380 m，設(shè)計(jì)為連續(xù)剛構(gòu)形式，其余為簡支梁形式。地下有淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、中砂、細(xì)砂，樁基為摩擦樁，樁底通常到達(dá)的持力層為中砂。設(shè)計(jì)樁徑1.5 m，樁間距3.5～4.5 m，梅花形排布，承臺頂標(biāo)高+3.465 m，承臺底標(biāo)高-1.035 m，高樁承臺采用海上鋼吊箱圍堰施工。本文主要闡述108號承臺鋼吊箱設(shè)計(jì)及施工。

2 鋼吊箱圍堰設(shè)計(jì)及計(jì)算

2.1 鋼吊箱圍堰設(shè)計(jì)參數(shù)

鋼吊箱頂標(biāo)高+3.500 m，鋼吊箱底標(biāo)高-3.006 m，承臺頂標(biāo)高+3.465 m，承臺底標(biāo)高-1.035 m，最大流速2 m/s，平均風(fēng)速28 m/s，瞬時(shí)風(fēng)速33 m/s，低潮位水面標(biāo)高+0.55 m，高潮位水位標(biāo)高+1.5 m，最大潮差1.5 m，最大浪高：建筑物所在處波高H＝1 m，波長L＝15 m，周期T=3 s，護(hù)筒與封底混凝土間的黏結(jié)力f=120 kN/m2，封底混凝土C30。

2.2 荷載及主要工況

2.2.1 計(jì)算荷載

1）風(fēng)荷載。根據(jù)JTS 144-1—2010《港口工程荷載規(guī)范》：

式中，ωk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)，取1.4；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，按距水面15 m，吊裝時(shí)取1.52；ω0為基本風(fēng)壓，根據(jù)JTS 144-1—2010《港口工程荷載規(guī)范》11.0.2條規(guī)定，當(dāng)風(fēng)速為28 m/s時(shí)，取0.49 kPa。計(jì)算得ωk為1.043 kPa。

2）流水壓力。根據(jù)式（2）計(jì)算：

式中，F(xiàn)w為流水壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；K為水流阻力系數(shù)，取1.33；A為計(jì)算構(gòu)件在與流向垂直平面上的投影面積，取1 m2；γ為水的重力密度，取10.25 kN/m3；V為水流設(shè)計(jì)流速，取2 m/s；g為重力加速度，取9.8 m/s2。代入數(shù)據(jù)得Fw=2.8 kPa。

3）波浪壓力。根據(jù)JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算：

（1）高水位時(shí)，水深d按4.506 m考慮。H/L=1/15，＞1/30；且d/L=4.506/15=0.3，0.2＜d/L＜0.5。

靜水面以上高度H=1 m處的波浪壓力強(qiáng)度為零，靜水面處的波浪壓力Ps=γH=10.3 kPa，靜水面以上破浪壓力強(qiáng)度按照直線分布，靜水面以下深度z=4.506 m處的波浪壓力為3.0 kPa，另外考慮波峰浮托力和波谷波吸力影響。

（2）低水位時(shí)，水深d按3.556 m考慮。H/L=1/15，＞1/30，且d/L=3.556/15=0.24，0.2＜d/L＜0.5。

靜水面以上高度H=1 m處的波浪壓力強(qiáng)度為零，靜水面處的波浪壓力Ps=γH=10.3 kPa，靜水面以上破浪壓力強(qiáng)度按照直線分布，靜水面以下深度z=3.556 m處的波浪壓力為4.4 kPa，另外考慮波峰浮托力和波谷波吸力影響。

4）靜水壓力。

（1）高水位時(shí)，水深h取4.506 m：

（2）低水位，水深h取3.556 m：

2.2.2 計(jì)算工況

鋼吊箱施工時(shí)，受力體系會(huì)經(jīng)過兩次轉(zhuǎn)換。計(jì)算工況有：

1）鋼吊箱起吊及下放過程?？紤]吊箱剛吊起及下放過程工況，荷載主要為自重。驗(yàn)算吊點(diǎn)及結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度。

2）澆筑封底混凝土。按低潮位澆筑封底混凝土工況，驗(yàn)算底板、吊桿受力。

3）抽水澆筑第一層承臺混凝土?？紤]低潮位澆筑第一層承臺混凝土，驗(yàn)算防落吊桿受力。

4）澆筑第二層承臺混凝土。第一層承臺混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后考慮低潮位澆筑第二層封底混凝土，驗(yàn)算吊箱受力。

2.3 鋼吊箱結(jié)構(gòu)概述

鋼吊箱圍堰采用提前預(yù)制，現(xiàn)場拼裝的形式進(jìn)行組裝，鋼材采用Q235 B，螺栓采用4.8級普通螺栓。

1）底板。鋼吊箱底板采用厚度δ=6 mm鋼板，底板加勁肋采用Ⅰ12.6型鋼。主梁采用H400 mm×200 mm×8 mm×13 mm型鋼。

2）壁體。鋼吊箱壁板采用厚度δ=6 mm鋼板。豎向支撐加勁肋采用H400 mm×200 mm×8 mm×13 mm型鋼，布置位置與內(nèi)支撐鋼管相對應(yīng)。同時(shí)，水平加勁肋采用Ⅰ12.6型鋼，位于壁板分塊焊縫處采用2-[12.6拼接，螺栓連接。此外，在圍堰內(nèi)外側(cè)水平方向上布置1道雙圍檁，均采用2-H400 mm×200 mm×8 mm×13 mm，內(nèi)支撐也采用相同截面。

3）懸掛系統(tǒng)。鋼吊箱吊掛系統(tǒng)由十字吊架、千斤頂、錨墊板、精軋螺紋鋼筋、螺帽組成；十字梁吊架采用2-H450 mm×125 mm×12 mm×16 mm型鋼，吊孔處設(shè)置12mm厚加勁肋，錨墊板厚度為12 mm，吊桿采用φ32 mm精軋螺紋鋼，承載力允許值為[R]=500 kN。

鋼吊箱下放到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，每根鋼護(hù)筒上設(shè)置4根[14b槽鋼組焊件拉壓桿。鋼吊箱結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鋼吊箱結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

2.4 鋼吊箱結(jié)構(gòu)受力驗(yàn)算

2.4.1 鋼吊箱吊裝

鋼吊箱重量G=1 276.51 kN，分布在四壁周邊，周長L′=2×（15.7+13.2）=57.8 m。因此，均布荷載為q=G/L′=22.0 kN/m，取動(dòng)力系數(shù)k=1.2。除中間2根護(hù)筒外，在其余12根護(hù)筒頂部安裝十字吊架，每根護(hù)筒4個(gè)吊點(diǎn)，共48個(gè)吊點(diǎn)。最大吊點(diǎn)反力R=193.6 kN，吊桿采用φ32 mm精軋螺紋鋼，承載力允許值為[R]=500 kN，吊桿滿足要求。

底板主梁最大組合應(yīng)力為σ=74.9 MPa＜[σ]=140 MPa，滿足要求。

護(hù)筒頂十字梁檢算：最大彎應(yīng)力為27.7 MPa＜140 MPa，滿足要求；最大剪應(yīng)力為31.5 MPa＜85 MPa，滿足要求。

2.4.2 澆筑封底混凝土

考慮低潮位澆筑封底混凝土，封底混凝土荷載為36 kN/m2，波吸力最大值為4.4k N/m2，圍堰自重線荷載為22.1 kN/m。

1）吊點(diǎn)反力最大值為280.8 kN。

2）鋼護(hù)筒承擔(dān)的最大反力為730.1 kN，滿足要求。底板主梁最大組合應(yīng)力為123.4 MPa＜140 MPa，滿足要求。

3）底板主梁最大剪應(yīng)力為31.8 MPa＜85 MPa，滿足要求。

2.4.3 澆筑承臺第一層混凝土

考慮低潮位澆筑承臺第一層混凝土?xí)r的工況。

1）單根鋼管黏結(jié)力1 017 kN，總黏結(jié)力為14 238 kN，混凝土自重為封底混凝土+第一層承臺混凝土，即16 126 kN。

2）波峰作用時(shí)，向上浮托力456 kN，向上浮力7 929 kN，向上力合計(jì)8 385 kN，向下合力為混凝土重量+圍堰自重，即17 402 kN，向上合力為浮托力+浮力+黏結(jié)力，即22 623 kN。22 623/17 402=1.3，抗浮≥1.3，滿足要求。

3）波谷作用時(shí)，向下波吸力456 kN，向上浮力7 929 kN，鋼管總黏結(jié)力14 238 kN，向上力合計(jì)為21 711 kN，向下力合計(jì)：混凝土及結(jié)構(gòu)自重17 402 kN，21 711/17 402=1.25，抗浮＜1.3，不滿足要求。

以上計(jì)算表明：在澆筑承臺混凝土?xí)r，抗浮系數(shù)不滿足要求，必須設(shè)置抗落措施，因此，采用2×[14 b作為防落吊桿，每根護(hù)筒設(shè)置4根，共設(shè)置56根，可以滿足使用要求。

4）護(hù)筒頂十字梁。組合應(yīng)力為99.8 MPa＜140 MPa，滿足要求。剪應(yīng)力為27.8 MPa＜85 MPa，滿足要求。

5）側(cè)模豎肋受力檢算。彎曲應(yīng)力為74.2 MPa＜140 MPa，滿足要求。剪應(yīng)力為39.2 MPa＜85 MPa，滿足要求。

6）圍檁及支撐。彎曲應(yīng)力為19.3 MPa＜140 MPa，滿足要求。剪應(yīng)力為4.5 MPa＜85 MPa，滿足要求。

通過驗(yàn)算得知，鋼吊箱圍堰的受力符合要求。

3 鋼吊箱圍堰施工技術(shù)

1）底模板安裝。模板分塊預(yù)制好后，實(shí)施試拼裝，并根據(jù)安裝順序編號，再運(yùn)到現(xiàn)場。鋼護(hù)筒接長后，開孔位放置挑梁，底模依靠護(hù)筒穿出的挑梁進(jìn)行支撐，完成拼接。然后護(hù)筒頂部安裝十字梁，吊筋采用φ32 mm特制的螺紋鋼筋，吊筋與吊筋之間采用鋼套筒進(jìn)行連接。

2）側(cè)模及拉壓桿安裝。鋼吊箱的側(cè)模分為兩層，底層側(cè)模和底模為一次性模板，由于承臺混凝土澆筑完成以后，底模和第一層側(cè)模模板位于海平面以下，無法取出。側(cè)模頂層為循環(huán)模板，待混凝土凝固以后，可以拆除，循環(huán)利用。模板接縫處用橡膠墊進(jìn)行壓實(shí)，防止鋼吊箱漏水。鋼吊箱拼裝完成之后，安裝鋼吊箱內(nèi)外圍檁及支撐，安裝鋼吊箱水平定位導(dǎo)向構(gòu)件，定位導(dǎo)向構(gòu)件固定端焊接在內(nèi)圍檁和支撐上，定位構(gòu)件活動(dòng)端臨近護(hù)筒外側(cè)，在每個(gè)護(hù)筒周圍設(shè)置4個(gè)斜撐桿。

3）鋼吊箱下放到位。利用十字梁頂部千斤頂將鋼吊箱進(jìn)行下放，每次下放10 cm，直至達(dá)到承臺標(biāo)高位置，精確調(diào)平后將護(hù)筒周圍的4個(gè)斜撐桿與護(hù)筒焊接?？拷撟o(hù)筒的鋼吊箱邊模利用工字鋼梁與鋼護(hù)筒進(jìn)行加固，防止由于海水沖擊造成鋼吊箱的晃動(dòng)[1]。澆筑封底混凝土前，需要潛水員進(jìn)行人工檢查，并在護(hù)筒周圍放置沙袋，以保證鋼吊箱與護(hù)筒密封完好。

4）封底混凝土澆筑。封底混凝土流動(dòng)性必須滿足設(shè)計(jì)要求，采用水下混凝土澆筑，混凝土憑借自重及自身流動(dòng)性水平均勻分?jǐn)傞_，達(dá)到封底的目的[2]。封底混凝土厚度為1.5 m。

5）綁扎鋼筋澆筑承臺混凝土。封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，進(jìn)行找平，將拉壓桿和鋼護(hù)筒底部焊接，拆除鋼吊箱吊筋，完成第一次受力體系轉(zhuǎn)換。

切除混凝土面以上鋼護(hù)筒，承臺鋼筋綁扎時(shí)，承臺內(nèi)部預(yù)埋鋼管，防止大體積混凝土凝固過程中產(chǎn)生大量的水化熱，混凝土凝結(jié)過程中，通過鋼管循環(huán)通水來降低承臺內(nèi)外溫差。承臺第一層混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，完成第二次受力體系轉(zhuǎn)換，接著澆筑第二層混凝土。

4 結(jié)語

鋼吊箱圍堰用于橋梁水中承臺施工，在國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛，技術(shù)也相對成熟，但在建筑市場資源匱乏的某國首次進(jìn)行運(yùn)用。某國輕軌跨海橋鋼吊箱圍堰施工基于施工現(xiàn)場實(shí)際情況，對鋼吊箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)、建模計(jì)算，對施工工藝進(jìn)行研究，最后成功實(shí)施，為國內(nèi)外鋼吊箱圍堰施工提供了參考。