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高桩承台钢吊箱围堰的设计与施工


第21 卷 第1 期 2009 年3 月

浙江水利水电专科学校学报 J .Zhejiang W . C at ons & H .C ydr ollege

V .21 N .1 ol o M .2009 ar

高桩承台钢吊箱围堰的设计与施工
翁 湛
( 浙 江省水 利河口 研究 院, 浙江 杭 州 310020)



要: 钢吊箱围堰是为承台施工而设计的临时阻水结构, 其作用是通 过吊箱围堰 侧板和底板 上的封底混 凝土围水, 为

承台施工提供无水的干燥施工环境. 钢吊箱围堰 具有施 工工期 短、 水流阻 力小、 利于通 航、 不需沉 入河床、 施工 难度小、 混凝土用量少等特点. 本文介绍了钢吊箱围堰的计 算工况 及底板、 侧板、 支撑与 支吊系 统的设 计方法, 并论 述了钢 吊 内 箱围堰的施工过程及其要点. 关键词: 格式钢吊箱围堰; 结构计算; 结构检算; 施工 中图分类号:TV551 .3 文献标识码: A 文章编号:1008 - 536X( 2009) 01-0016- 04

Constr ucti on and Desi gn of H gh- ri se P e Cap i n Steel R ngs Coff er da m i il i
W ENG Zhan
( Zheji ang Institu of H te ydraulics and E ry , H stau angzhou 310020 , C hina) Abstract: S teel rings cofferdam is the tem porary s tructure for w ter b a locking i n the constructi on of cush on cap , p i d ng d i rov i ry cons tructing env ironm by bottomsea ng concrete i m ent li poundm t i nsta ed a the si de and bottom of the cofferdam, wh ch features a en ll t i s short cons tructing period , w flowresistance , less concrete and easy hand ng techn ques . The des gn aspects , such as the ca lation eak li i i lcu of cofferdam, the si de and i nner boa and the supporti ng sys rd tem, are a disp ayed in the paper , as w as the steps in cofferdam ll l ell cons truction . K w s :steel ri ng cofferdam; structura calcula ey ord s l tion ; s tructura tes l ting ; construction

0





浇筑承台混凝土

[ 1]

. 同钢围堰比较, 钢吊箱围堰具有施

工工期短、 水流阻力小、 利于通航、 不需沉入河床、 施工 难度小、 混凝土用量少等特点, 因而在大跨深水大型桥 梁中得到了广泛的应用
[ 2]

近年来, 桥梁深水基础技术在跨越大江、 大河的桥 梁建设中得到了广泛的使用. 桥梁深水基础施工时, 防 水、 防土以及防止冲刷、 滑坡等是关键, 也是难点. 除沉 井和沉箱基础具有防水功能外, 深水中管柱、 桩基础的 施工, 常需要配以防 水围 堰. 目 前, 桥梁 深水 基 础施 工 中, 采用的防水围堰大致有: 钢板桩围堰、 双壁钢围堰、 异形钢围堰、 双壁薄层钢筋混凝土围堰、 锁口钢管桩围 堰以及钢吊箱围堰等形式
[ 1]

.

钢吊箱围堰多为临 时 结构, 但 在基 础 造价 中占 有 相当大的比重. 设计时, 应 尽量 发挥 材料 的 承载 能力, 使围堰造价降到最低. 围 堰顶 高程 需要 满 足施 工期 不 被水淹, 设 计中 要考虑 到至 少10 年 一遇的 洪水 期. 围 堰顶高程设计过高, 不但徒增造价, 在水位差较大的桥 址, 还可能造成枯水季钻孔施工气举反循环排渣困难; 围堰的底高程应按基 础位 置、 受力 要求 和 施工 期稳 定 来确定. 围堰的设计应在确保围堰稳定、 具有足够的竖 向和横向承载能力, 能够 保证 合理 的封 底 厚度 等条 件 下, 尽可能提高其底高程. 钢吊箱围堰的设计及施工较 为复杂, 本文介绍了钢吊 箱围 堰设 计及 施 工的 步骤 及 难点.

.

修建桥梁深水桩基 及其 承 台时, 当 承台 底 面距 河 床面较高时, 或承台以下为较厚的软弱土层、 且水深流 急时, 可采用钢吊箱围堰. 钢吊箱围堰就是悬吊在水中 的有底套箱, 在修建桥梁深水杖基时, 可作沉桩导向定 位, 沉桩 完成 后, 在吊 箱内 灌注水 下棍 凝土 封底, 即 可
收稿日 期:2008-09-24 作者简 介: 翁 水电 工程设 计工 作. 湛( 1982 - ) , 男, 浙 江衢州 人, 助理 工程师 . 从 事水 利

第1 期



湛: 高桩承台钢吊箱围堰的设计与施工

17

1

钢吊箱围堰的设计
钢吊箱围 堰是 为 承 台 施 工 而 设 计 的 临 时 阻 水 结

许值1 .3 . ( 9) 封底混 凝土强度验算, 验算分两 阶段进行, 阶 段划分同上抗浮计算; 验 算封 底混 凝土 周 边悬 臂时 及 中间混凝土的拉应力和剪应力. 1 .2 1 .2 .1 结构设计 底板
[ 3 - 4]

构, 其作用是通过吊 箱围 堰侧 板和 底板 上的 封 底混 凝 土围水, 为承台施工提供无水的干处施工环境
[ 3]

. 根据

钢吊箱的使用功能, 其结构主要由底板、 侧板、 内支撑、 支吊系统等四部分组 成. 其中 侧板 和底 板是 吊 箱围 堰 的主要防水结构, 应根据桥梁的设计条件, 来确定侧板 选用单壁或双壁 1 .1 计算工况 钢吊箱围堰结构构 造尺 寸 拟定 后, 根据 施 工时 段 分析进行结构设计验 算, 计算 内容 为: 吊箱 拼 装 包 括 ( 滑移入水、 浮运) 下沉计算、 吊箱结构设计计算、 封底混 凝土施工阶段计算、 抽水后吊箱止浮计算. 综合工况条件分析 和计 算 内容, 钢 吊箱 各 部分 在 最不利受力工况下计算工作如下
[ 1] [ 1]

底板一般由钢 模板 和 型钢 构成

, 是 竖向 主 要

受力构件, 见图1 . 钢吊箱底板的结 构形 式主要 有型 钢 网格分配梁底板以及 空间 桁架 式底 板. 其 中型 钢网 格 分配梁底 板 施 工 加 工量 小、 板安 装 快 捷 方 便、 期 底 工 短, 缺点是分配梁底板刚度较小, 如设计不当容易导致 底板变形较大, 从而导致浇注的封底混凝土受拉开裂, 质量不易 保 证. 空间 桁 架 式 底 板刚 度 较 大, 竖 向 变 形 小, 封底混凝土质量容易保证, 缺点是底板加工工艺复 杂, 加工速度慢, 工期较长. 综合比较两者, 分配梁底板 安装快捷简便, 施工量小, 材料数量与空间桁架式底板 相当, 故大多数吊箱均采用分配梁式底板.

.

:

( 1) 底板主要 承 受 封底 混 凝土 恒 载和 吊 箱静 载, 最不利受力工况应为 封底混 凝 土灌 注阶 段; 此 外还 要 对首节吊箱滑移入水、 体起 吊下 沉等 阶段 底 板受 力 整 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, 取此工况受力荷载组合进行侧板计算; 另外还要对吊箱滑移入水、 整体起吊下沉、 吊箱混凝土 封底及承台施工等段侧板受力进行验算. ( 3) 内支撑系 统 与吊 箱 侧板 计 算 相关, 所以 在 侧 板计算的同时完成内支撑的验算. ( 4) 吊箱支吊 系 统和 底 板一 样, 以承 受 竖向 荷 载 为主, 受力计算亦与底板计算一起完成. (5) 吊 箱 滑 移 入 水 阶 段 除 验 算 吊 箱 底 板 及 侧 板 外, 还要通过计算结果确定滑移设备, 并对不良地基进 行加固处理. ( 6) 吊箱浮运 主要与流水压力、 风力、 波浪及 靠船 力等有关, 同样以水平荷载为主, 设计计算以这几种荷 载组合为最不利情况 进行计 算; 并 且还 要对 吊 箱浮 运 稳定性进行验算. ( 7) 吊箱拼装 下 沉阶 段 主要 与 吊 箱静 载 有关, 以 竖向荷载为主. 以整 体起 吊下 沉为 最不 利进 行 控制 计 算; 并以此计算结果设计吊点、 吊具、 及选择安装设备. ( 8) 抗浮计算 分 两个 阶 段, 一 个 是吊 箱 内抽 完 水 后浇筑承台混凝土前, 另 一是 浇筑 完承 台混 凝 土后 而 其初凝前; 分别计算 封底 混凝 土与 钢护 筒间 粘 结力 及 吊箱围堰的上浮力, 使两 阶段 抗浮 安全 系数 均 大于 允

图1

底板

1 .2 .2

侧板
[ 2 ,4]

侧板亦 由钢 板 和型 钢组 成

, 见图 2 . 侧板 是 钢

吊箱水平向承受静水 压力、 流力 和波 浪 力的 受力 构 水 件. 侧板构造形式分为单壁围堰和双壁围堰. 单壁围堰 的优点是只有一侧壁 板, 结构 简 单, 加工 方便; 缺点 是 必须现场拼装, 下沉较为困难, 下沉中如发生问题较难 控制. 双壁围堰的优点在 于下 沉过 程中 可 以充 分利 用 水的浮力, 通过调节隔舱内的水来调节吊箱的位置, 这 就使得双壁围堰施工 有明 显的 主动 性; 缺 点是 结构 复 杂, 施工难度大.

18

浙江水利水电专科学校学报

第21 卷

1 .3 检算

结构检算 通常情况下, 钢吊箱 围堰 需要 进行 一 下几 个方 面
[ 6]

. 侧板强度检算

1 .3 .1

沿钢围堰高度将侧板取出单元水平环体进行受力 分析, 侧板可以看作是由 加劲 肋角 钢支 撑 的多 跨连 续 梁, 其荷载为 均布水 压力 q , 若 按弹性分 析, 则钢板 在 跨中的弯矩为1/24 ql ( l 为加 劲肋 间距) , 支点 弯矩 为
图2 底板
2

1/12 ql . 若考虑 塑性发展, 可按照极 限状态 分析, 则 跨 中及支点处的弯矩均为1/16 ql . 在钢板厚 度一定的 情
2

2

1 .2 .3

内支撑

况下, 由此检算即可确定出加劲肋间距是否合适. 1 .3 .2 加劲肋强度检算 加劲肋与侧板形成 组 合截 面共 同承 受水 压 力, 钢 板的计算宽度取60 倍的板厚, 加劲肋在水压力的作 用 下, 相当于以桁架为支点的多跨连续梁. 封底混凝土可 视其与钢围堰间的粘结情况按固支或铰支等力学模型 计算. 加劲肋的力学分析可采用电算法计算. 在加劲肋间距一定 的 情况 下, 通过 加 劲肋 的检 算 可以确定出各水平桁架的间距. 1 .3 .3 水平力作用下的计算 钢围堰在流水压力、 风力、 定位导向结构反力以及 其他可能出现的水平 力作 用下 的计 算, 可 根据 不同 的 情况, 建立不同的力学模型进行检算. 1 .3 .4 钢围堰整体起吊检算 钢围堰 整体起 吊时 共有4 个吊点, 有4 台 卷扬 机 分别控制. 施工中很难做到同步, 维持需要对两吊点起 吊时钢围堰吊点、 撑杆、 立杆及整体弯扭受力情况进行 检算, 以确保安全作业.

内支撑由内圈梁、 平撑 杆及 竖向 支架 三 部分 组 水 成. 见图3 . 内支撑梁, 直接作于 围堰 侧板 上, 其 主要 作 用是减小围堰侧板的 计算跨 度, 从 而改 善侧 板 受力 状 况. 内支撑系统受力计算与吊箱侧板相关, 因此在侧板 受力计算的同时应完 成内支 撑 的验 算. 内圈 梁 设在 吊 箱侧板的内侧, 安装在侧板内壁牛腿上. 内圈梁的作用 主要是承受侧板传递的荷载, 并将其传给水平撑杆. 水 平撑杆的作 用 是 通 过 对吊 箱 侧 板 的 支撑 减 小 侧 板 位 移, 竖向支架的作用主要是支撑水平撑杆, 同时减小水 平撑杆的自由长度. 竖向支架的底端焊接到底板上, 上 端与水平撑杆焊接.

2
图3 内支撑

钢吊箱围堰的施工
钢吊箱一般的施工 步 骤如 下: 首先 将 吊箱 在陆 上

分块制作, 第一节钢吊箱 制作 完成 以后 用 拖轮 浮拖 至 浮吊作业区, 浮吊起吊首 节 吊箱, 将 吊箱 套 入钢 护筒. 向隔舱内注水使吊箱底面低于护筒顶标高时安装悬吊 装置, 将首 节 吊 箱吊 起. 首 节吊 箱 注 水 下 沉 至 设 计 标 高, 然后拼装其余吊箱将钢吊箱接高. 吊箱整体拼装完 毕以后将吊箱整体定 位下 沉至 设计 标高. 整体 下沉 完 毕后, 应对吊箱进行纠偏和堵漏, 堵漏就是封堵钢吊箱 底板和钢护筒之间的空隙, 通常用砂袋进行. 最后浇注 封底混凝土进行承台施工[ 3] . 主要工序的施工方法
[ 5]

1 .2 .4

支吊系统
[ 2]

悬吊系统以钻孔 桩钢 护筒 为依 托, 由 纵、 横梁, 吊 杆及钢护筒组成 . 横梁支点设置在护筒内侧牛腿上, 横梁的作用是将悬吊 荷载通 过 钢护 筒传 递给 桩基. 纵 梁的作用是支撑吊杆, 并将吊杆传来的荷载传给横梁. 吊杆上端固定于支架 的纵梁 上, 下 端固 定于 底 板的 吊 杆梁之上. 吊杆的作 用是 将吊 箱自 重以 及封 底 板的 重 量传给纵梁.

:

( 1) 钢吊箱 加工, 底 板加工在岸边场 地进行, 加工

第1 期



湛: 高桩承台钢吊箱围堰的设计与施工

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完成后直接 在 其 上 面 拼装 底 层 内 支 撑框 架 及 底 层 侧 板, 侧板加工完成经试拼检验合格后, 分块装船运至拼 装现场. 吊箱拼装及下沉, 底层吊箱浮运至墩位, 用浮吊吊 装下沉到预定位置后, 安 装支 吊系 统并 将吊 箱 悬挂 其 上, 随后拼装中、 上层内 支撑 及 侧板, 然 后用 浮 吊下 沉 整体吊箱至设计高程. 钢 吊箱 下沉 就位 还有 大 型浮 吊 直接吊放整体吊箱就位、 固定吊点下沉整体吊箱就位、 整体浮运吊箱用浮箱龙门架吊放就位等整体式就位方 法. ( 2) 吊箱定位 与堵漏, 吊箱下沉至设计 高程后, 复 核其平面位置, 如不满足要求, 可将千斤顶安放在四个 角的钢护筒外壁与吊 箱侧板 之 间调 整吊 箱位 置, 符 合 要求后, 用定位器将 侧板 与 四角 护筒 焊接 定位. 然后, 用内装粘土的蛇形编 织袋, 构 成内 径与 钻孔 桩 钢护 筒 外径大致相当的环形 结构, 套 于护 筒上 顺势 下 放使 吊 箱底板与护筒外壁间密封不透水. 最后, 安排潜水员下 水检查并采取必要的措施, 确保底板不漏水. ( 3) 灌注封底 混 凝土, 封底 混 凝 土对 吊 箱围 堰 主 要起四个方面的作用, 即 作平 衡 重主 体、 阻水 渗漏、 抵 抗水浮力在吊箱底部 形成弯 曲 应力、 为浇 筑 承台 混 作 凝土的承重底模. 因 封底 混凝 土是 钢吊 箱围 堰 施工 的 成败关键因素之一, 施工时应针对水位深、 灌注面积大 等特点采取泵送混凝 土多点 快 速灌 注, 灌注 从 下游 开 始依次倒移向上游进行; 为保证混凝土的灌注质量, 坍 落度应控制在18 ~ c m, 混凝土配制强度较设计强度 20 提高10 M 以上, 并掺加粉煤灰、 Pa 高效缓凝型 减水剂, 以提高混凝土的流动 性和延 长 混凝 土的 初凝 时间. 为 保证封底混凝土与钢护筒壁间的粘结力, 在水封前, 用 自制的钢丝刷 或用射水的方法) 将封底混凝土厚度范 ( 围内的钢护筒外壁表 面附着 物 清除 干净; 在 吊 箱侧 板 上部开口或用水泵抽 水等方 式, 排 除围 堰内 封 底混 凝

土置换出来的水量. 灌注承台混凝土, 封底完成5 天后, 抽干吊箱内 积 水, 然后拆除吊杆, 割除 钢 护筒、 杆及 底 层水 平内 支 吊 撑, 清除高出的封底混凝土和桩头, 然后按桥规要求绑 扎钢筋和承台混凝土 的施 工. 一般 承台 均 是大 体积 混 凝土, 应按水平分层、 面 分块 进行 浇筑, 同时 采取 使 平 用低水化热水泥、 外掺 剂、 循环 冷却 管、 水养 生 加 设 保 等必要的温控措施, 防止水化热引起的混凝土裂缝. 如 果承台在施工水位以下, 拆除钢吊箱应待浇筑墩身 部 ( 分 混凝土之后进行, 以保证墩身在无水状态下施工. )

3





钢吊箱围堰在桥梁 施 工中 得到 了充 分的 利 用, 它 工序简单、 易操作, 分节 分 块装 卸方 便, 大 大提 高了 生 产效率, 加快了桥下 部结 构的 施 工进 度. 同时, 使用 钢 吊箱围堰方案大大减 少了 封底 混凝 土用 量, 避 开了 大 面积浇筑封底混凝土 的施 工难 度, 能够 取 得一 定的 经 济效益. 在结构设计时, 应充分考虑各种工况下受力荷 载和结构受力状态, 并应充分利用现有的吊装、 运输设 备等施工条件. 参考文献:
[ 1] [ 2] 刘自 明. 桥 梁深 水基础[ M . 北 京: 人民交 通出 版社,2001 . ] 黄志 峰. 钢 吊箱 围堰的 结构 设 计与 施 工[ J] . 山 西 建筑 ,2007( 20) : 161 - 162 . [ 3] 孙 ,徐 伟 . 高桩 承 台 钢 吊 箱 围 堰 施 工 过 程 结构 分 析[ J] . 福

建工 程学院 学报 ,2004( 1) :36 - 38 . [ 4] 毛伟 琦. 钢 吊箱 围堰的 结构 设计与 施工中 的几 种方法[ J] . 公 路交 通技 术,2002( 1) :40 - 43 . [ 5] 江 敏, 张国忠 , 张汉桥 . 钢 吊箱围 堰在深 水高 桩承台 施工 中的应

用[ J] . 中 国西 部科技 ,2005( 7) :16 - 17 . [ 6] 于建军 . 高 桩承台 吊箱 的组合 有限 单 元计 算 分析 研 究[ D] . 四 川: 西南交 通大 学硕士 学位 论文,2003 .


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