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55、深水桥梁承台施工钢围堰、钢吊箱设计


深水桥梁承台施工钢围堰、钢吊箱设计
武汉港湾工程设计研究院 李宗哲



要:深水桥梁承台施工,多采用钢吊箱、钢围堰做为维护挡水结构,本文对长江上 几座特大桥的钢围堰、钢吊箱设计作一总结

关键词:深水桥梁

承台

钢围堰

近二十几年来,长江上特大桥的建设发展迅速,在已建的大桥中,其承台在施工期均淹没在水 下或部分没入水中,承台的施工多采用挡水双壁钢围堰或钢吊箱。现就江阴长江大桥、鄂黄长江大 桥和润扬长江大桥的这些大型水上施工设施的设计型式和设计要点作一总结。

1.钢围堰、钢吊箱的形式
钢围堰、钢吊箱作为水上大型桥墩施工的挡水结构,首先是安装沉放到位,再浇筑水下封底砼, 最后抽水,为承台提供无水环境下的施工条件。其主要型式有矩形、多边形、圆形或哑铃型等。以 下就长江上几座特大桥承台围堰的型式选择进行比较。 江阴长江大桥为悬索桥,主跨 1385m,北塔主墩桩基为 96 根φ 2.0 的钻孔灌注桩,承台分为两 个,单个尺寸为 28.55×38.55m,高为 10.36m,设计水深 8.00m。本承台特点是外形规整,水深浅, 钢围堰入土深度小。设计考虑 1.0m 的波高,结合地质条件,最终选定双壁无底钢围堰。围堰外型平 面尺寸为 30.7×40.7m,壁厚 1.0m,承台和围堰之间考虑 0.15m 的安装偏位,围堰总高度为 10.2m, 满足入土和防浪要求(见图 1) 。安放方式为现场分块拼装,整体下放。 鄂黄长江大桥为主跨 480m 的斜拉桥,其南塔主墩为 19 根φ 3.0m 的钻孔灌注桩,承台为圆形, 直径 30.2m,厚 6.0m,水深约 35.0m。由于本桥墩处水深大,承台底距河床有较大距离,所以选用 外径为 33.3m 的双壁有底钢吊箱,壁厚 1.5m,承台和套箱之间预留 0.05m 的安装偏位,吊箱总高 28.5m, 在上部, 为不影响斜向的塔肢施工, 钢吊箱做成喇叭口形 (见图 2) 拼装方式为, 。 竖向按 3~ 6m 不等的分节高度分为 5 层,每层均匀分为 8 块,在现场原位分块分层拼装,由均布在围堰圆周上 的 28 个手拉葫芦缓慢同步下放就位。 润扬长江大桥南汊悬索桥,主跨 1490m,北塔主墩桩基为 32 根φ 2.8m 的钻孔灌注桩,承台为哑 铃型,平面最大长度为 63.0m,宽 21.6m,厚 6.0m,水深约 9.0m,钢吊箱根据主墩和联系梁的外形 设计而成,壁厚 1.0m,有底双壁结构(见图 3) 。安装方式按整体起吊设计,采用 8 点吊,在中部系 梁区设置钢撑杆满足起吊稳定要求,吊箱在驳船上整体拼装完成,用 1300t 浮吊,整体一次吊放入 水并自浮,用调整箱梁壁内水位的方法,使其安放至设计位置。该吊箱重近千吨,起吊安装时有“长 江第一吊”之称(见图 4) 。 从以上几个承台的钢围堰、钢吊箱形式的选择可以看出,影响钢围堰、钢吊箱设计的主要因素
1

有:承台型式的设计、水流水深条件、地质条件、安装工艺和设备的选择等等。

顶 桁 布 置 图

2300钻 孔 灌 注 桩 钢 护 筒

平台支架

钢 平 台

A

竖 桁

竖 桁 布 置 图

隔仓板

江阴大桥钢围堰平面图

钢平台 6.20 设计高水位 4.50 4.20 平台支架 现浇水下混凝土 钢套箱 碎石垫层 -1.00 (万能杆件) 钢套箱 设计高水位 4.50

-3.50 -4.00

-3.00 -3.50

钢 护 筒

A - A

图1 江阴长江大桥北塔主墩钢围堰

2

钢吊箱平面图

19.75 18.25

吊箱壁体

吊箱底板

-8.75

钢吊箱立面图 图2 鄂黄长江大桥南塔主墩钢吊箱

3

A

A

4
钢吊箱下沉时平面图 钢吊箱抽水时平面图 钢吊箱下沉到位时立面图 A - A 钢吊箱内抽完水时立面图 图3 润扬长江大桥悬索桥北塔主墩钢吊箱

图4 2.设计工况及荷载

润扬长江大桥北塔主墩钢吊箱整体起吊图

利用双壁钢吊箱钢围堰进行大桥桥墩的承台施工,一般情况下,主要设计工况为: (1)注水下沉 钢围堰、钢吊箱若水上分块分层拼装,则在每一节段拼装完成后注水下沉,直至拼完所有节段, 沉放到设计标高,整个过程需考虑水流力、波浪力及围堰壁体内外水位差产生的水压力等。若为整 体起吊安装对起吊方案和起吊荷载要进行专门的研究和验算。 (2)围堰内浇筑水下封底砼 在封底砼浇注施工中,对无底钢围堰通常要计算水流力、波浪力、竖向地基的承载力、侧面土 压力及砼对围堰壁板的压力。对有底钢吊箱还要考虑底板压力和吊杆拉力等。 (3)围堰抽水 围堰抽水,通常情况下主要的控制工况为设计高水位,应考虑的结构受力主要为整体受力和箱 壁受力。 整体受力,主要包括水流力、波浪力、围堰抽水后封底砼底板受到向上浮托力和浮托力对每根 桩产生上拔荷载,同时还要考虑封底砼的自身强度承载能力和砼与桩之间的握裹能力等。

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箱壁受力,为了使围堰内外壁板受力均衡,在封底砼达到设计强度后,围堰抽水时,应保持围 堰双壁间适当的水位,这样可使得围堰的内外壁板受力合理均衡,设计时要分别计算内外壁板、纵 横梁、桁架及支撑的受力。

3.结构设计
钢围堰、钢吊箱作为大型桥梁承台施工的临时工程结构,水上施工条件和外部环境影响因素比 较复杂,又没有统一设计标准,设计计算工况和安全度的掌握十分重要。因此,在设计时要对基础 资料、使用条件进行认真的研究和分析。首先是型式的确定,如江阴大桥北塔主墩承台施工,根据 水浅、承台标高低的特点,选择无底钢围堰;鄂黄大桥南塔主墩承台处水深大、承台标高较高,若 选用无底围堰,围堰的高度需增加 15~20m,经济上不合理,同时封底砼厚度加大,增加了基础的 永久荷载,所以选用有底钢吊箱结构;润扬悬索桥北塔承台外形复杂,地基承载力低,工期紧,但 具有大型起重船,因此选用有底钢吊箱,整体起吊安装;实践证明上述几个大桥的钢围堰、钢吊箱 设计是很成功。其次是在整体结构布置上,要结合不同的受力条件认真分析,江阴大桥钢围堰主桁 竖向布置,下支撑点借助于封底砼,上支撑点恰当地利用钻孔平台的杆系结构,实现了主桁跨度小, 受力传递明确,选用杆件小节省材料的目的;鄂黄大桥钢吊箱,圆型结构,上部为满足斜向塔肢施 工设计成喇叭口,和箥箕口设计方案相比显得受力明确合理、施工方便,且用料节省;润扬悬索桥 北塔钢吊箱,在系梁区宽度较窄,为满足整体起吊的要求,增设加强联系撑,解决了起吊局部荷载 较大的问题。

4.应用效果
从钢吊箱、钢围堰在长江上几座特大桥施工的使用情况来看,设计能够结合工程特点,选择合 理的结构型式,满足各种不同工况条件下的使用要求。整体受力上,稳定性较好,能抵抗水流及风 浪的作用,同时具有良好的抗浮稳定性,箱体和封底砼无渗漏发生。在局部受力上,没有出现结构 变形、构件失稳损坏等现象;在分块拼装时,拼缝错台在局部地方存在,这需要在制做控制上采取 必要的措施,如采用导向加强连撑等方法给以解决。 总体上讲,钢吊箱、钢围堰在深水桥梁承台施工上的应用是成功的。从方案的确定和结构的设 计都较为切合工程实际,应用效果良好。

5.小结
大型深水桥梁主墩施工钢围堰、钢吊箱设计和永久性工程设计有相同之处,也有许多区别的地 方,通过对上述几个钢围堰、钢吊箱设计和使用效果的总结,就其设计和实施情况有如下几点认识: (1)钢围堰、钢吊箱,结构型式随承台的形状确定,荷载条件除常见外荷载外,还需随施工设 备及工艺调整。因此在进行设计之前,承台的主要施工方案和钢围堰、钢吊箱制作安装方式要确定 下来,若使用条件变化就要对其结构进行复核,甚至调整整体结构设计; (2)设计工况和荷载的考虑要紧密结合施工方案,设计人员对钢围堰、钢吊箱的加工、安装和 使用过程要充分掌握,认真分析各种工况下的不利因素,确保结构安全; (3)钢围堰、钢吊箱往往一次性使用,使用周期仅几个月时间,施工方特别注重要尽可能的节
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省用料,但施工工况、施工条件的变化又特别多,不确定因素多,因此设计要在保证整体结构安全 的前提下,还要认真分析局部问题,使用期甚至需要在现场掌握具体的使用情况。 总而言之,深水桥梁承台施工所用钢吊箱、钢围堰无论是对结构重要性还是安全性的要求都非 常高,但又没有设计规范和标准,结构型式各异,使用和制造安装条件也不同,要做到设计合理, 恰当处理好经济和安全的关系,需要设计者做很多深入细致的工作,同时还要具有一定的施工经验。

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