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试论深水裸岩高桩承台钢吊箱围堰设计及施工


试论深水裸岩高桩承台钢吊箱围堰设计及施工
摘 要:钢吊箱围堰施工方法是深水承台施工中的一种主要施工方法。钢吊 箱作为深水承台施工的主要构件, 其设计的合理与否关系到整个桥梁的施工质 量。以罗屿特大桥高桩承台施工为例,介绍柱式钢吊箱围堰的设计与施工。 重 点介绍钢吊箱围堰的设计方案、 施工工艺及施工要点等技术细节。同时对钢吊箱 围堰施工中的注意事项进行了阐述。工程实践表明,该钢吊箱设计合理, 能满 足工程的需要。

关键词:深水裸岩;高桩承台;钢吊箱围堰;设计及施工

1.工程概况 罗屿特大桥为跨越罗屿海峡设计,桥全长 765.75m。墩台基础采用 υ1.25m 和 υ1.5m 钻孔桩,钻孔桩共计 113 根,最长桩长 36 米;桥台为矩形空心桥台, 桥墩为圆端形桥墩,最高墩 9.75 米;桥跨为 23-32m 预制后张法简支 T 梁。湄州 湾罗屿海峡属于规则半日潮类型,并且低潮位时水位比较低,施工受大风、高潮 差的影响较大。桥位区域地质情况从上至下依次为淤泥质土、粉质粘土、全风化 混合岩、强风化混合岩、弱风化混合岩。地质资料显示不均匀性,地质条件比较 复杂。 8#-23#墩承台基础采用 5 根钻孔灌注桩, 桩顶以上设整体式高桩承台,承 台尺寸为 8.7(长)× 8.7m(宽)× 3m (高) ,下设封底混凝土设计厚 1.5m。桥 位位于海中、 水深约 7-16m。 最低水位在-1.5m、 最高潮水位在+3.92 m、 浪高 60cm。 承台设计底高程为- 5.4m。根据施工水位、工程特点及工期要求等综合考虑, 决 定采用有底钢吊箱围堰施工。 考虑到承台砼施工后需要进行防腐处理,钢吊箱围 堰尺寸为 10m(长)× 10m(宽)× 12m (高) 。 2、整体式钢吊箱围堰设计 (1)钢围堰相关参数 护筒外径 D (m) : 1.7m, 承台桩数 n (根) : 5, 设计最高水位 (m) : 4.6, 围堰顶高程(m) :4.6, 围堰底高程(m) : -6.9, 承台顶高程: -2.4m, 潮 位差 H(m) : 6.1, 封底厚度 h1(m) :1.5, 围堰外轮廓底面积 A0(m2) :100, 孔面积 A1(m2) : 11.4, (去孔后)A= A0- A1(m2) : 88.6 围堰自重 G1(t) :100, 封底自重 G2=2.4x A h1(t) :320, 围堰承受最大 浮力(t) :1019 封底砼与钢护筒粘结力(t) :720, 每平方米 18 吨 (2)工况分析 钢吊箱围堰作业时段, 设计受力状态可按照以下工况条件进行分析。 工况一: 150 cm 厚封底混凝土浇筑完成, 按最低水位-1.5m 考虑; 吊挂及底承重系统承受吊箱围堰自重及封底砼重量(100+320=420 吨) 工况二: 150 cm 厚封底混凝土浇筑完成, 抽干水阶段按最高水位+4.6m 考 虑; 吊箱围堰承受浮力 1019 吨;

工况三: 浇筑承台混凝土施工阶段,按在最低水位-1.5m 考虑; 吊挂系统承受围堰自重及封底砼自重、 承台砼重量、 封底砼与钢护筒粘结力。 浮力剩余部分重量(100+320+590-720-434=-144 吨) 。故吊挂系统不受力无需验 算。 (3)围堰结构组成及受力体系介绍 ①模板:吊箱侧模、底模模板采用 δ=6mm 钢板,∠80× 8mm 为组合模板边 框,内肋为 8cm 槽钢,间距为 30cm。 ②侧板:侧板采用模板组合而成,第一层采用双 16 槽钢竖向布置作为整体 背肋(间距为 1m) 、第二层采用双 32 工钢横向布置作为加强肋(间距为 1.5m× 2 道+2m× 3 道) ,立柱与加强肋采用拉杆螺栓连接并焊接,加强肋与模板背肋采用 焊接连接成整体。 (备注说明:考虑到节省吊箱封底砼、吊箱大小重量及后续承台施工方便, 吊箱模板设置在外侧为背肋和加强肋结构, 因此在封底完成抽干水后吊箱整体结 构各个部位焊点处于受拉状态, 故在吊箱整体焊接过程一定要按规范要求做到模 板和背肋、背肋和加强肋之间紧密焊接。 ) ③底模及承重结构:底模采用 6mm 钢板拼装,在护筒处预留孔洞。模板下 铺设 12 工钢作为分配梁,间距为 20cm,分配梁长度为 12 米;分配梁下设 4 道 双拼 45cm 工字钢作为主承重梁,每排桩基在护筒两侧各设一道,每道长度均为 12m。 ④承吊系统: 利用钢护筒作为承吊系统,由于封底混凝土浇筑后要割除钢护 筒,为保证底模及侧板正常工作,在护筒内埋设 υ500mm 钢管,作为以后体系 的转换。主承重上吊梁采用双贝雷梁(横向布置 4 组 8 片贝雷片) ,长度为 12m, 顺路线方向在护筒顶立柱横梁上安装, 通过 50mm 圆钢与底承重梁连接, 共设置 横向 4 个、纵向 8 个共 32 个吊点。 ⑤内支撑及封底分仓: 为防止侧板在水压下内倾及吊箱下沉定位,在钢护筒 与侧模之间设置两道竖向支撑, 在封底完成后在为保证吊箱整体稳定性,在吊箱 内横向设置三道内支撑(采用 200mm 钢管)间距为 1m+4m+4m+1m;竖向设置 两道:一道在承台顶标高上来 50cm 处,另一道布置在离第一道顶标高四米处。 (3)吊挂系统检算 ①悬吊用 50mm 圆钢 按工况一检算,总荷载为 420t,共设置 32 根吊杆,考虑吊杆间受力不均匀 系 数 1.2 , 吊 杆 承 受 的 最 大 荷 载 为 1.2× 420/32=15t 。 单 根 圆 钢 25× 25× 3.14× 140=27.4t,满足要求。 ②抗浮,按工况二检算。 检算水位 +4.6m , 浮力计算水头差 h : 6.1m , 围堰总计算浮力 F 总 =A*h=1019t 围堰封底砼重量 G1=320t, 围堰重量 G2=100t, 护筒外壁与封底混凝土粘 结力 G3=720t 抗浮总稳定荷载∑G1=1140t 结论:钢护筒与封底混凝土抗浮稳定系数 K=∑G1/F 总,满足要求 (4)侧板模板加强肋施工验算 结构模式: 内支撑三道横向间距为 1m+4m+4m+1m, 内支撑直接对顶在模板

外侧双拼 I32 工字钢的垂直面上。 计算模式:按横向三根钢管(横向间距 4m) 、管顶双拼 I32 工字钢,按二等 跨连续梁计算内力。 受力分析:封底后抽干吊箱内水时最下层 I32 工字钢横梁承受最大水压力。 (此时水头压力 H=10 米) N=rHs=10KN/m3× 10× 8× 0.26=208KN q=208/8=26kn/m Mmax=0.125ql2=0.125× 26× 16=52KN.m Qmax= ( 0.625+0.625 ) ql=1.35× 26× 4=140KN I32 力学特性:Ix=16574cm4,Wx=920.8cm3,Sx=541.2cm3,t=15.8mm 主梁横梁强度验算 σ=Mmax/Wo=52×106/ (920.8× 2× 103) =28Mpa< 〔 σ〕 =188Mpa 剪应力 τ=Q Sx/(Ixt)=140× 1000× 1082.4× 1000/(33148× 10000× 30)=16Mpa<[τ]=110 Mpa 故模板加强肋采用双拼 I32 工字钢满足使用要求。 (5)侧板整体内支撑施工验算 由加强肋计算知道,内支撑最大压力为 140KN,计算 200mm 钢管应力。钢 管桩杆件按两端固结受力模式验算 钢管桩截面惯性半径 i===7.4cm 截面面积:A=0.785(20× 20-19.88× 19.88)=3.75cm2 柔度 λ=0.65l/i=0.65×10×102/7.4=87,查表知纵向弯曲系数∮1=0.60 应力 N=140KN/3.75cm2=37MPa<0.60〔σ〕=84Mpa 故横向布置三道采用 200mm 钢管内支撑满足使用要求。 钢吊箱围堰示意图 3、钢吊箱围堰施工 (1) 在深水裸岩钻孔灌注桩桩基完成后, 用浮吊将钢吊箱逐部分拼装成整 体后, 安装下放, 然后通过力的转换, 将整个吊箱重量(及以后封底混凝土 重量)悬吊在钻孔桩主钢护筒顶部,然后灌注水下混凝土封底,待水下混凝土形 成强度后, 钢吊箱即和封底混凝土结合在一起, 并通过吊杆系统锚固在钢护筒 上,抽干水后,撤去原来的钢吊箱吊杆系统, 然后进行承台施工。这时,封底 混凝土作为承台底模。 (2)钢吊箱围堰拼装下放 钢吊箱围堰在加工场地加工制造完成后,运至墩位处拼装,拼装利用墩位钻 孔平台进行,在原墩位平台基础上加焊支撑型钢,构成拼装平台。围堰的组拼工 作是将各块件点焊组拼成型, 待其高度、倾斜度及结构的对焊焊接情况等进行检 查签证、验收合格后方可进行全面焊接。围堰采用分段拼装、分段下沉的施工方 法,先拼装底节钢围堰,拼焊好后,进行全面质检,对内外壁板焊缝及隔舱板焊 缝进行煤油渗透试验。对重要焊缝进行超声波探伤抽查,确保围堰水密性,结构 安全。 (3)钢围堰拼装顺序 ①首先在作业平台上放样划线; ②拼装从一个角向两边对称进行,直至合拢; ③第一层围堰拼完后,利用顶、垫、拉和支撑等方法对之进行校正; ④为加快拼装速度, 可根据吊机的起重能力,在岸上分段预拼装后吊上工作 平台逐段接长直至合拢。

(4)钢围堰起吊 正式起吊前进行试吊,即把钢围堰吊起至离开作业平台面 5cm 左右,停止 起吊,对钢围堰进行一次全面检查,当确认其纵、横和水平方向情况良好,无大 的变形之后,再继续起吊至离开作业平台 1m 左右后停止,锁定各倒链滑车,然 后拆除支撑平台。 底节拼装完毕,安装围堰起吊设备(包括起吊梁、4 门滑车组、卷扬机及钢 丝绳等) 。卷扬机布置在贝雷梁平台上,采取措施保证其安全稳固。围堰起吊下 放前严格检查起吊设备,消除安全隐患,确认正常后起吊。滑车组通过下吊点将 底节围堰提升,先提高 1m 以后割除拼装平台,清除有碍于围堰下放的结构。利 用卷扬机将围堰缓慢下放至水中,下放过程中保证各卷扬机下放的同步,保证各 点按相同的下放速度入水。 围堰底节入水初步阶段起吊设施不松钩,保持起吊下放状态。大致调整围堰 平面位置,随围堰下沉松放起吊钢丝绳,待围堰下沉至要求位置后,将围堰与墩 位平台进行临时连接。快速运输、并对称安装中节上节钢围堰侧板。 (5)封堵孔隙 安排潜水员封堵桩和底板之间缝隙, 采用胶垫和钢板抱箍进行封堵。 (5)钢吊箱拆除 ①首先拆除吊箱侧模板外框架, 然后拆除外侧模板。 ②在底板横梁上挂上并收紧手动葫芦, 潜水员水下切割吊杆, 使底板重由 卷扬机承受。 ③放松卷扬机, 使底板纵横梁下落脱离承台。然后拆除纵梁, 最后拆除横 梁。 4 结语 (1) 钢吊箱不受水流对河床冲刷的影响, 其底标高只需满足封底混凝土 施工的要求即可, 因而吊箱的结构高度变小, 虽然增加了底板及吊杆, 但用 钢总量较钢套箱少。 (2)钢吊箱通过传力杆件吊挂在成桩后的钢护筒上, 受力明确; 在吊箱 底板上进行封底混凝土施工, 风险小。 (3)本钢吊箱采取分块制作、分块现场安装的制作吊装工艺, 需要的起重 能力相对较小。同时吊装方法可靠性高、技术风险小, 对吊箱工况下的受力要 求相对不高。 (4)该拉压柱式钢吊箱围堰对于承台体积较小的高桩承台施工适用性强。 利用型钢制作的拉压柱既能抵抗部分浮力, 降低封底混凝土高度, 又能起到拉 杆的作用承受承台混凝土的自重。 同时采用手拉葫芦下沉的方法合理地取消了大 型浮吊设备。拉压柱是主要承力构件,其在施工过程中的焊接工作量大, 且焊 接质量须严格控制。


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