深水承台单壁钢吊箱结构设计与施工

深水承台单壁钢吊箱结构设计与施工摘要：结合富春江特大桥主桥深水承台的施工，介绍单壁钢吊箱围堰结构，叙述单壁钢吊箱的设计思路和施工要点。关键词：深水承台单壁钢吊箱围堰设计施工一、工程概况杭州至千岛湖高速公路杭州至桐庐段富阳富春江特大桥位于富阳市东洲街道的张家村以南至灵桥镇北侧，全桥长1679.5m，全宽33.5m，分上下行两幅。主桥为68+2×120+68m三向预应力混凝土刚构-连续组合梁桥，主桥下部为下部采用薄壁空心墩。主桥61#、62#、63#墩每个墩单幅桩基为9根Φ2.0m钻孔灌注桩，横桥向3排，每排3根，主桥墩位于富春江深水区，最深高程达-12.500m。承台顶面设计标高为+4.000m，底面设计标高为0.000m，承台平面尺寸为14.20×14.20m。二、单壁钢吊箱的设计1构造形式的选择围堰是用于水下施工的临时性挡水设施。深水围堰施工常采用钢吊箱围堰，经过对吊箱侧板的单壁、双壁两种方案进行比较（如表1所示），决定采用单壁结构。表1钢吊箱双壁结构与单壁结构对比形式材料用量优点缺点双壁结构侧板材料用量125.21吨，底板材料用量35.14吨，内支撑材料用量25.00吨，合计185.35吨。（1）吊箱拼装及下沉充分利用水的浮力，下沉不用大型起吊设备；（2）侧板刚度大，内支撑材料用量少。（1）材料用量多，加工难度大；（2）在钻孔平台下拼装侧板，难度大，焊接工作量大；（3）下沉工艺复杂，工期长。单壁结构侧板材料用量83.71吨，底板材料用量30.35吨，内支撑材料用量28.76吨，合计142.82吨。（1）节省材料，加工方便，加工质量易控制；（2）装、拆方便，可兼做承台施工模板；（3）承台施工完毕，拆除侧板又可作为施工模板；（4）下沉工艺简单、节省时间；（5）在钻孔平台上拼装侧板，焊接工作量小，拼装容易。（1）侧板刚度小，内支撑材料用量多；（2）下沉时需用大型起吊设备。2设计条件（1）水文条件根据富阳市水利局提供的水文资料并结合吊箱施工时间，确定钢吊箱设计抽水水位为＋7.500m，水流速取为1.00m/s。（2）工况条件设计受力状态主要按以下几个工况进行分析：①拼装下沉阶段；②封底混凝土施工阶段；③抽水后、承台施工阶段。（3）结构设计条件综合各工况条件、水文条件确定钢吊箱结构设计条件：围堰平面内净尺寸：14.20m×14.20m(考虑到吊箱围堰侧板兼做承台模板，所以与承台平面尺寸相同)；侧板顶面设计标高：7.500m；底板顶面设计标高：-2.500m；内支承标高：4.500m和7.000m；设计抽水水位：7.500m。3结构简介（如图1、图2）710071001780178030976211448634903097621115007500150025007100710014200144867100185052505250185014200144867100图1钢吊箱整体结构立面图图2钢吊箱整体结构平面图根据钢吊箱使用功能，将其分为底板、侧板、内支撑、吊挂系统四大部分。（1）底板吊箱底板由底模托梁和底模组成，纵横边梁各设2道，每道由通长2[40a型钢组成，纵横中梁各设4道，每道由通长单根I40a型钢组成。纵、横梁之间的斜撑为2[22a型钢（吊杆梁处为2[40a型钢），纵梁之间和横梁之间分别设置∠100×80×8角钢加劲肋。顶板为δ=8mm钢板。吊箱分块的作用：是为了在承台施工完毕后，方便吊箱的拆除，以减少材料的损耗，降低成本。（2）侧板侧板由型钢、角铁及钢板焊接而成。侧板分为上、下两层。分块的原则主要是为了便于加工和运输，避免产生超标变形，所以分块较小。轧制工字钢、槽钢的焊接拼装，采用拼接连接板，并按被拼接的工字钢、槽钢截面面积的等强度条件来确定。根据螺栓的受力计算，结合螺栓的规距要求，底板与侧板及侧板与侧板的连接都采用Φ20mm的普通螺栓[1]。（3）吊箱内支撑内支撑由内圈梁、水平斜撑杆二部分组成。设上下两层。（4）吊箱吊挂系统：吊挂系统由纵、横梁、吊杆及钢护筒组成。横梁共计3排，设在钢护筒顶，每排由两片贝雷梁组成。纵梁设置在贝雷梁上，共6排，由2I56型钢组成。吊杆是由Ф32mm精扎螺纹粗钢筋及与之配套的连接器、螺帽组成。4设计计算（1）荷载取值由《铁路桥涵设计规范》[2]荷载组合V考虑钢吊箱围堰设计荷载组合。水平荷载∑Hj与竖直荷载∑Gj分别见式1、式2。∑Hj＝静水压力+流水压力+风力+其他………………………………………………（1）∑Gj＝吊箱自重+封底混凝土重+浮力+其他…………………………………………（2）其中：单位面积上的静水压力按10kN/㎡计，水压随高度按线性分布；流水压力P=0.8Aγv2/(2g)[3]风速很小，在此可忽略；封底混凝土容重;γ=25.0kN/m3；水的浮力:γ=10kN/m3；封底混凝土与护筒之间的摩阻力取经验值100KN/m2（2）计算内容综合工况条件分析和计算内容，对钢吊箱各部分取最不利受力工况进行计算。①底板受力以竖向荷载为主，其最不利工况为底板混凝土封底浇注阶段，此时荷载组合为混凝土自重+吊箱自重+浮力，并要对吊箱入水时底板受力情况进行复算。吊箱吊挂系统与底板一起进行验算。②侧板以承受水平荷载为主，其最不利受力工况为抽水阶段（最高水位时），侧板计算包括竖肋、水平加劲肋、面板、竖肋拼接处及焊接的内力、变形及应力计算。另外，对吊箱逐层入水及承台施工（最低水位时）等阶段侧板受力情况进行复算。内支撑系统与侧板计算相关，在侧板验算的同时完成验算。③吊箱拼装下沉阶段主要与吊箱自重有关，以两层拼装完成下沉时为最不利进行计算控制，并据此计算结果设计吊点、吊带。④抗浮计算分两个阶段：第一阶段是吊箱内抽完水后灌筑承台混凝土前，吊箱自重+封底混凝土自重+粘结力浮力（最高施工水位时）；第二阶段是浇筑完承台且混凝土初凝前。吊箱自重+承台混凝土重+封底混凝土自重粘结力+浮力（最底施工水位时）⑤封底混凝土计算：一是验算封底混凝土周边悬臂时的拉应力和剪应力，以及中间封底混凝土的拉应力和剪应力，二是验算封底混凝土各种工况下要满足施工条件：①抵抗钢吊箱封底后向上的水压力；②依靠其自身重力抵抗钢吊箱内抽干水后所受到的浮力；③浇筑完承台且混凝土初凝前利用封底混凝土与护筒之间的摩阻力作为平衡重的主体。三、单壁钢吊箱的施工1钢吊箱的加工为保证钢吊箱加工质量，钢吊箱模板应在工地车间的胎架上以平卧的形式制造，并且在组装后翻身，尽量避免立焊或仰焊。对于易变形模板制作时，模板上方可予以配重加压及加设定位卡来控制其变形，焊接时采取先断焊后补焊的施工工艺，以减少模板的累积焊接变形。2吊箱拼装及下沉（见图3）（1）底板组装：吊箱试拼合格后，在每个护筒处分别以钢护筒顶部圆心A、钢护筒在钢吊箱底标高处的圆心B、设计中心O为圆心，按比钢护筒半径大出10cm的半径画圆，以这三个圆的外包络线切割开挖孔洞。孔洞开好后，将吊箱运输至平台位置，利用80t浮吊就位，先将其中一块套入护筒沉放至水面以上1m左右，用4只5t倒链吊在护筒上，然后再沉放另一块至同一位置，用4只5t倒链吊在护筒上，再连接成整体，迅速安装支吊系统，吊杆外周设Φ48mm钢管作套管，作用是防止浇混凝土时吊杆与混凝土粘结成整体，造成钢吊箱底板拆除困难。（2）侧板安装：钢吊箱侧板吊装时为减小起吊高度及防止变形过大，采用扁担梁四点起吊。先安装下节侧板，待下节侧板下沉到便于上节侧板安装的位置后，安装上节侧板。在用螺栓将钢吊箱侧板和底板固定时，螺栓要从下往上穿，以利于日后潜水员水下拆除。安装侧板的关键是确保侧板的密封性，底板与侧板及侧板与侧板的拼缝间设置10mm厚橡胶止水带，止水带长度不够需接长时，应采取生胶接长，以防在止水带接头处渗水。止水带应事先作止水试验，合格后才能使用[4]。（3）内支撑：内圈梁直接焊在上下层的侧板上，内圈梁焊接时要用千斤顶配合反力架使图3钢吊箱拼装实图圈梁调直并与侧板密贴，内圈梁四个角要焊接固定。（4）吊箱下沉：钢吊箱下沉采用四台100吨液压穿心千斤顶与双肢I56型钢组成活动扁担梁式提放装置，用精轧螺纹螺帽来调整各吊点高程，下沉时使各沉放点速度同步，以确保套图3钢吊箱拼装实图箱下沉的平稳安全，避免扭曲变形。3吊箱定位与堵漏由于在围堰侧板设有导向定位装置（该装置是根据护筒的实际偏位设计的），因此，吊箱下沉到位后其平面位置偏差均在施工规范允许误差范围以内。用钢楔将导向与护筒之间的间隙抄死，用角钢把围堰顶口与钢护筒焊牢，确保吊箱围堰在后续的水封施工中不得有平面位移。采用上下两层定位固定，确保吊箱围堰在施工中没有平面位移及翻转现象。然后用两台千斤顶从上下游两端对称地逐一对36根吊杆进行调整，使其受力均匀（施工中严禁使精扎螺纹筋导电）。护筒开口封堵板用橡胶皮带，将橡胶皮带分条用螺栓固定在圆形压板上。利用橡胶皮带的刚度包紧护筒以达到封堵的目的。封堵板的设置详见图4。δ=5橡皮加强环N3N4吊箱底板φ12平头螺栓护筒壁51001005100601021050280护筒壁2500封底混凝土1212D=2400钢护筒φ2400注：1、本图尺寸以毫米计。2、N3，N4厚度δ=8mm的钢板。3、符号+除注明外，表示φ12平头螺栓，φ13孔。4、堵漏封板尺寸系按护筒理论直径及位置设计，如实际直径及位置相差较大时，可做适当调整。5、为了加强N3钢板的刚度，须在其上面焊接一环形加强环，加强环材料可用割下的旧护筒拼接而成。图4钢吊箱封板立面图压板周围要设限位装置，以使能在平面位置做适当的滑动，以满足护筒适量偏位的需要，套箱下沉到位并精确定位后，由潜水员下水检查，以确保封堵效果。4灌注封底混凝土封底混凝土灌注主要难点是水下混凝土灌注面积大、水位深，混凝土随时可能被水冲刷稀释,水位不稳定。为了保证混凝土质量，在施工中采取了以下几点措施：（1）根据计算的首批混凝土方量，加工储料斗，按水下混凝土灌注方法进行封底施工，封底用泵送混凝土对角线四点快速同时灌注。首批混凝土浇注的浇注量是大体积水下混凝土施工成败的关键，其单管计算见公式3[5]。V=h×（πd2/4）+（Hc/3）×（πD2/4）………………………………（3）D—混凝土扩散直径；Hc—首批混凝土工作堆的高度；h—导管内混凝土顶面至工作堆混凝土顶的高度，而h=HwΥww/Υc；Hw—封底区水深（底为钢吊箱底板）；Υww—水的容重；Υc—混凝土的容重。（2）水封时潜水员逐一对每根护筒四周进行检查，以确保封底时吊箱底板不漏混凝土。（3）吊箱下沉前，用自制的圆筒形钢丝刷清除封底混凝土高度范围护筒表面氧化层及附着物，确保封底混凝土与钢护筒间粘结力。（4）为了防止封底时吊箱内水位高于箱外水位，可预先在吊箱上节侧板（箱外水位处）开孔，封底时排出箱内封底混凝土置换出的水量。5承台施工封底混凝土达到一定强度后，即可按照常规施工方法进行承台施工。在浇注承台混凝土时，根据公路桥涵施工技术规范的规定，当渗入水上升速度较小（参考值小于6mm/min）时，可采用在空气中灌注混凝土[6]。钢吊箱进行混凝土封底时，在吊箱底板设置集水井，在浇注承台混凝土时，用自吸泵将水排出，但在开始灌注时，底面水深不宜超过5cm，且混凝土初期灌注的速度应尽可能加快，以使混凝土底板和侧板的压力尽快的大于渗水压力，从而阻止水渗入。承台施工完后，利用潜水员拆除水下连接螺栓，先侧模后底模，在潜水工配合之下，利用浮吊依次拆除。四、结语及体会富春江特大桥承台在施工完毕，经检测其成品质量，承台平面偏位、平整度、几何尺寸等技术指标均满足设计与规范要求，说明单壁钢吊箱施工是成功的。设计钢吊箱的关键是选取支撑方式，模拟各工矿受力要准确，对其各部分取最不利情况进行计算。由于此处单壁钢吊箱兼做承台施工的外模，所以单壁钢吊箱的定位至关重要。钢吊箱在护筒处的堵漏还可采取由潜水员水下围蛇形砂袋的方法。混凝土封底布料要注意以下几点：①吊箱与护筒之间的夹角的布料，确保封底厚度均匀。②钢吊箱封底混凝土施工时，当首批混凝土灌注后若需重新布置下料点，布点完毕严禁二次用大型料斗进行冲击法灌注，以防冲散先灌注的混凝土。③当需要