吊船灣大橋承臺(tái)單壁鋼套箱圍堰設(shè)計(jì)與施工

夏海賓, 楊余青, 沈曉莉

(1.湖杭鐵路有限公司, 浙江杭州 311100; 2.金華市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司, 浙江金華 321000; 3. 浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院, 浙江杭州 310018)

[通信作者]沈曉莉(1998—),女,碩士,從事道路與橋梁研究工作。

0 引言

鋼套箱圍堰是現(xiàn)廣泛應(yīng)用于橋梁深水基礎(chǔ)施工的臨時(shí)擋水結(jié)構(gòu)[1-3]。鋼套箱圍堰主要由壁板和內(nèi)支撐組成,壁板一般由鋼板制作成,必要時(shí)用混凝土封底,阻擋箱外的水和土,形成施工空間[4-5]。根據(jù)建筑物的實(shí)際情況,可將鋼套箱圍堰設(shè)置為長(zhǎng)方形、圓形及其他特殊形狀,其構(gòu)造形式有單壁、雙壁及單雙壁組合式[6]。目前,鋼套箱圍堰在橋梁高樁承臺(tái)的施工過程中被廣泛應(yīng)用,眾多學(xué)者研究總結(jié)出了多種鋼套箱圍堰施工技術(shù)[7-8],但是不同工程實(shí)際情況差異較大,需要通過有限元軟件對(duì)鋼圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析[9],幫助指導(dǎo)鋼圍堰結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工。

1 工程概況

浙江省樂清灣大橋及接線工程起于溫嶺市城南,止于樂清市南塘,全長(zhǎng)約38 km,是沈海國家高速公路浙江段(甬臺(tái)溫高速公路)的輔助線路。其中吊船灣跨海大橋?yàn)楸竟こ?1標(biāo)的控制性工程,該橋位于吊船灣海域,左右幅分離設(shè)計(jì),左、右線橋梁各長(zhǎng)1 557 m,橋梁孔跨布置均[3×(5×50)+4×(4×50)]m,橋梁位于半徑4 000 m圓曲線上。

吊船灣海域?qū)購?qiáng)潮海灣,是以涌浪為主的混合浪區(qū),平均潮差4 m以上,施工最高潮位高程為+3 m。大橋承臺(tái)均采用分離式矩形承臺(tái),左右幅2#～18#承臺(tái)均為高樁承臺(tái),采用φ1.5 m鉆孔灌注樁,橋墩為花瓶墩。承臺(tái)尺寸及高程如表1所示。

表1 承臺(tái)尺寸和高程 單位:m

2 方案比選及確定

吊船灣海域內(nèi)承臺(tái)為水中承臺(tái),根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn),可采用鋼套箱圍堰及拉森Ⅳ型鋼板樁圍堰2種圍護(hù)形式進(jìn)行承臺(tái)施工。充分考慮承臺(tái)施工的工程特點(diǎn)和施工環(huán)境,對(duì)2個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)比選。

2.1 鋼套箱圍堰

(1)對(duì)特殊工種要求較低。

(2)鋼套箱止水效果較拉森鋼板樁好。

(3)在河床以上開展作業(yè),有效避免復(fù)雜地層不確定因素的干擾。

(4)鋼套箱加工周期長(zhǎng),加工要求高。

2.2 拉森Ⅳ型鋼板樁圍堰

(1)涉及到水上高空特種作業(yè),安全隱患較大。

(2)吊船灣海域地層復(fù)雜,采用拉森鋼板樁插打不可預(yù)見的安全因素較多。

(3)封底混凝土凝固時(shí)間較長(zhǎng),施工受潮汐及外部環(huán)境因素制約多。

(4)設(shè)備租賃,打拔以及需要單獨(dú)制作承臺(tái)模板,費(fèi)用較高。

(5)工序簡(jiǎn)單,打拔順利,周期短。

綜合比較,吊船灣大橋水中承臺(tái)鋼套箱施工,技術(shù)可行,安全可靠,成本較低,能滿足工期要求,擬選鋼套箱圍堰作為承臺(tái)的施工方案,鋼套箱圍堰立面布置如圖1所示。

圖1 鋼套箱圍堰立面布置(單位:mm)

3 鋼套箱設(shè)計(jì)

吊船灣跨海大橋承臺(tái)圍堰結(jié)構(gòu)形式采用單壁鋼套箱,圍堰主體結(jié)構(gòu)由側(cè)板、懸吊體系、導(dǎo)向定位系統(tǒng)及防護(hù)結(jié)構(gòu)組成。

3.1 套箱側(cè)板

側(cè)板主要承受水平荷載,采用單壁結(jié)構(gòu)。根據(jù)承臺(tái)尺寸,將側(cè)板分為橫橋向(A板)和縱橋向(B板)2個(gè)類型。橫橋向側(cè)板平面尺寸為7.536 m×5 m,縱橋向側(cè)板平面尺寸為6.7 m×5 m,內(nèi)凈尺寸與承臺(tái)尺寸7.4 m×6.7 m一致。

每塊側(cè)板從內(nèi)至外由面板、橫肋、豎肋、背杠組成。面板采用δ=5 mm鋼板制作,橫肋采用長(zhǎng)度為0.5 m的∠100×63×8角鋼,沿高度方向間距30 cm布置。豎肋采用長(zhǎng)度為4.988 m的I16a型鋼,沿水平方向按中心間距50 cm布置。水平背杠采用2[25a槽鋼,單根長(zhǎng)度分別為:A板7.412 m,B板6.7 m,中心間距從下至上分別為(0.8+2×0.6+0.9) m,沿模板高度方向布置。背杠上設(shè)角拉桿座,角拉桿座采用長(zhǎng)度為20 cm的∠125×12等邊角鋼,與背杠接觸位置滿焊連接,角鋼上割直徑φ3 cm孔用于穿角拉桿,套箱角拉桿采用φ25 mm精軋螺紋鋼。

3.2 懸吊體系

套箱懸吊系統(tǒng)由鋼護(hù)筒、扁擔(dān)梁、倒鏈組成。鋼護(hù)筒采用既有鉆孔樁鋼護(hù)筒,上開凹槽放置扁擔(dān)梁,凹槽位置下方采用鋼板或型鋼幫焊加勁。扁擔(dān)梁采用2I36a型鋼,沿順橋向布置2道,扁擔(dān)梁下掛10t捯鏈(圖2)。

圖2 鋼套箱圍堰懸吊體系(單位:mm)

3.3 導(dǎo)向定位系統(tǒng)

在既有鉆孔樁鋼護(hù)筒上焊接上口定位支撐型鋼和臨時(shí)承重牛腿,上口定位支撐型鋼和臨時(shí)承重牛腿均采用I32a工字鋼,單根牛腿長(zhǎng)度75 cm,臨時(shí)承重牛腿在鋼套箱拼裝時(shí)同上口定位支撐型鋼一同作為定位結(jié)構(gòu)。

3.4 防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

套箱頂口設(shè)置作業(yè)平臺(tái),臨邊設(shè)置作業(yè)防護(hù)欄桿,欄桿采用φ48×3.5 mm鋼管,立柱高度1 m,間距1 m布置,設(shè)置上、中兩道水平桿,水平桿間距0.6 m,欄桿上掛設(shè)密目安全網(wǎng),底部設(shè)置踢腳板,用厚6 mm,寬度10 cm鋼板。

4 鋼套箱有限元分析

根據(jù)鋼套箱構(gòu)造,采用Madas Civil 2015建立有限元模型(圖3),計(jì)算分析工況一最高潮水位時(shí)套箱內(nèi)未澆筑混凝土及工況二最低潮水位時(shí)套箱內(nèi)混凝土澆筑完成且未初凝兩種最不利工況下結(jié)構(gòu)的安全性。工況一荷載組合為水壓力+風(fēng)壓力,合力為28.38 kPa,工況二荷載組合為混凝土側(cè)壓力+振搗水平力,合力為32.78 kPa。通過有限元容許應(yīng)力法計(jì)算,套箱鋼面板、圍囹、橫肋、豎肋、背杠撓度均小于[f]=l/500,內(nèi)部應(yīng)力均小于許用應(yīng)力[σ]=145 MPa,鋼套箱結(jié)構(gòu)滿足施工需要,安全可靠[10]。

圖3 鋼套箱有限元模型

5 鋼套箱拼裝及沉放施工

鋼套箱拼裝及施工沉放工藝流程為:套箱底口河床面找平—焊接臨時(shí)承重牛腿—套箱懸吊體系安裝—套箱側(cè)板定位、組拼—鋼套箱下沉—封底混凝土施工—懸吊體系拆除、鋼護(hù)筒割除—樁頭混凝土鑿除、安裝套箱內(nèi)支撐體系—承臺(tái)鋼筋綁扎、墩身鋼筋預(yù)埋—承臺(tái)混凝土澆筑—承臺(tái)鋼套箱拆除。其中套箱組拼安裝以及鋼套箱下沉和內(nèi)支撐體系的安裝是本工程的關(guān)鍵工序。

5.1 鋼套箱側(cè)板組拼安裝

鋼套箱試拼檢查完畢以后,將鋼套箱側(cè)板分塊運(yùn)輸至作業(yè)平臺(tái)上,采用25 t履帶吊、人工配合進(jìn)行組裝,組裝作業(yè)選在每日退潮以后進(jìn)行。

(1)依據(jù)臨時(shí)承重牛腿上的承臺(tái)輪廓線,在河床面上調(diào)整套箱底口平面位置。待套箱底口內(nèi)壁與承臺(tái)邊線對(duì)齊后,在臨時(shí)承重牛腿上安裝千斤頂頂住套箱底口內(nèi)壁,套箱模板上口靠住鋼護(hù)筒上口支撐,懸吊捯鏈掛住套箱吊耳并拉動(dòng)捯鏈?zhǔn)箳益準(zhǔn)芰?松開汽車吊吊鉤完成鋼套箱模板的受力轉(zhuǎn)換。

(2)安裝與之相鄰的套箱側(cè)板,分塊側(cè)板間采用M18×60 mm螺栓通過豎向法蘭鋼板連接,在側(cè)板與側(cè)板拼縫間設(shè)置橡膠止水帶以防漏水,止水帶采用兩側(cè)膨脹橡膠中間夾一層硬橡膠板的形式。

(3)套箱側(cè)板組拼完畢后,復(fù)測(cè)側(cè)板軸線、標(biāo)高及平面尺寸,如平面位置有誤,通過臨時(shí)承重牛腿上千斤頂調(diào)整側(cè)板平面位置。套箱圍堰安裝位置準(zhǔn)確無誤后,通過設(shè)置在側(cè)板上的角拉桿座,采用φ25 mm精軋螺紋鋼相連將套箱加固成整體。

5.2 鋼套箱下沉

鋼套箱組拼完畢且平面位置及標(biāo)高無誤后,將鋼套箱頂口吊耳與懸吊捯鏈連接,鋼套箱頂口設(shè)置4個(gè)捯鏈,松開鋼套箱底口千斤頂。作業(yè)人員通過捯鏈緩緩向上提升鋼套箱15 cm,觀察鋼套箱受力狀況以及鋼套箱頂口高差,合格后由作業(yè)人員割除臨時(shí)承重牛腿承臺(tái)范圍內(nèi)多余部分,承重牛腿作為鋼套箱底口導(dǎo)向定位以及臨時(shí)支撐設(shè)置,承重捯鏈可比承臺(tái)尺寸小5 mm,以便于鋼套箱下放。

每個(gè)捯鏈處作業(yè)點(diǎn)配備2名作業(yè)人員,作業(yè)人員站在鋼套箱頂口作業(yè)平臺(tái)上拉動(dòng)捯鏈完成鋼套箱下沉過程,下放過程同步緩慢進(jìn)行。下放過程應(yīng)有專人全程監(jiān)測(cè),每下放40 cm對(duì)鋼套箱頂口高差進(jìn)行測(cè)量,以防止4個(gè)作業(yè)點(diǎn)下放速度不一致,導(dǎo)致鋼套箱下放過程受力不平衡,下放過程中通過調(diào)整單點(diǎn)下放速度達(dá)到鋼套箱平穩(wěn)下沉著床的目的。

5.3 內(nèi)支撐體系安裝

鋼套箱沉放作業(yè)完成后,割除鋼護(hù)筒,安裝鋼套箱內(nèi)支撐體系,以防止水流側(cè)壓力導(dǎo)致鋼套箱模板變形。內(nèi)支撐體系由圍囹、角撐組成,圍囹型鋼之間、圍囹與角撐連接位置處采用法蘭螺栓連接。內(nèi)支撐體系同用φ25 mm精軋螺紋鋼連接的鋼套箱4個(gè)角拉桿座共同形成內(nèi)撐外拉形式的加固。內(nèi)撐外拉形式的鋼套箱加固平面如圖4所示。

圖4 鋼套箱圍堰加固(單位:mm)

6 結(jié)束語

考慮到潮汐、風(fēng)浪的影響,浙江樂清吊船灣特大橋高樁承臺(tái)采用單壁鋼套箱圍堰方案施工,本文對(duì)該方案進(jìn)行了有限元分析和施工工藝研究。結(jié)果表明,鋼套箱圍堰結(jié)構(gòu)合理、受力安全;施工方案可行,結(jié)構(gòu)安全可靠,便于拼裝,操作簡(jiǎn)單,對(duì)處于類似環(huán)境的跨海大橋具有一定的借鑒和參考作用。