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渝怀铁路嘉陵江特大桥13#墩承台单壁钢吊箱围堰设计与施工


渝 怀 铁 路 嘉 陵 江 特 大 桥 13#墩 承 台 单 壁 钢 吊 箱 围 堰 设 计 与 施 工 作者:张爱花 渝 怀 铁 路 嘉 陵 江 特 大 桥 13#墩 承 台 单壁钢吊箱围堰设计与施工 张爱花 贾卫中 (中铁大桥局集团一公司) 摘 要 井 口 嘉 陵 江 特 大 桥 1 3 # 主 桥 墩 为 深 水 高 桩 大 体 积 混 凝 土 承 台 基 础 ,位 于 嘉 陵 江 主 河 槽 ,采 用 单 壁 钢 吊 箱 围 堰 施 工 承 台 ,速 度 快 ,质 量 优 ,效 益 好 . 关键词 井口嘉陵江大桥 主桥墩基础承台 钢吊箱 设计 施工 1 工程概况 井口嘉陵江大桥为Ⅰ级铁路双线桥,其主桥为 84+144+84m 预应力混凝土连 续刚构。13#主桥墩基础采用 16 根φ2.5m 的钻孔灌注桩,横桥向共 6 排,中 间 四 排 每 排 3 根 , 横 向 间 距 除 距 桥 轴 线 一 排 为 5 .6 m 外 , 其 余 为 5 .2 m , 纵 向 间 距 为 6 .8 m , 两 边 各 一 排 , 每 排 2 根 , 与 中 间 桩 呈 梅 花 布 置 , 横 向 间 距 为 3 .9 4 m , 与 纵 向 间 距 为 6 .8 m , 桩 长 4 2 .0 m 。 承 台 为 台 阶 式 , 下 台 阶 厚 4 .0 m , 上台阶厚 3.0m,承台横截面为园端形,下台阶顺桥向宽 17.7m,横桥向总长 2 9 .0 m , 上 台 阶 顺 桥 向 宽 1 3 .2 m , 横 桥 向 总 长 2 2 .2 3 m , 下 台 阶 承 台 顶 面 标 高 +165.27m,底面标高+161.27m,上台阶承台顶面标高+168.27m。13#墩位于 嘉陵江主河槽,墩位处河床标高 142.63~148.38m,按施工水位+173.5m 计, 墩位处水深达 30 多米,设计流速 V1/300=3.62m/s.为此,采用钢吊箱围堰的 施工方法进行承台施工。 2 钢吊箱设计条件 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处施工环境。 2 .1 工 况 条 件 根 据 钢 吊 箱 围 堰 施工工 作 时 段 及 设 计 受力状 态 , 可 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。 2 .2 水 位 条 件 根据《嘉陵江井口大桥水文资料分析成果报告》及吊箱施工时间安排,确定 钢 吊 箱 设 计 抽 水 水 位 为 + 1 6 8 .0 m 。 2 .3 结 构 设 计 条 件 综合各工况条件、水位条件确定钢吊箱结构设计条件: 围堰平面内净尺寸:29.0m×17.7m,圆端形,半径为 14.5m(与承台平面尺寸相 同,考虑吊箱围堰侧板兼做承台模板); 侧 板 顶 面 设 计 标 高 : 1 6 8 .5 m ; 底 板 顶 面 设 计 标 高 : 1 5 9 .5 7 m ; 内 支 承 标 高 : 1 6 5 .7 2 m ;

设 计 抽 水 水 位 : 1 6 8 .0 m ; 钻 孔 平 台 下 弦 系 统 线 标 高 : 1 7 2 .0 m 。 2 .4 工 期 要 求 : 该桥为渝怀线十大重点控制工程之一,工期十分紧张,主墩必须在一个枯水 期内施工出水面。只有在二 00 二年三月底将承台灌筑完毕,才能保证墩身 在四月底施工到+186m 这一洪水期水位之上。 3 设计依据: 3 .1 《 井 口 嘉 陵 江 特 大 桥 设 计 图 》 3.2 《铁路桥涵设计手册》 TBJ—96) ( 3.3 《钢结构设计手册》 GBJ17—88 版) ( 4 钢吊箱的构造简介: 4 .1 构 造 形 式 选 择 根据钢吊箱使用功能,将其分为侧板、底板、内支撑、吊挂系统四大部分。 其中,侧板、底板是吊箱围堰的主要阻水结构,根据钢吊箱设计条件,我们 对吊箱侧板结构的单壁、双壁两种方案进行了比较,比较结果见表1。

吊箱侧板单、双壁方案比较 表1 内容 方案 优 点 缺 点 选择方案 单壁结构 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,拆除侧板又可作为梁部0#块的 施工模板;4、 下沉工艺简单、节省时间;5、 在钻孔平台下拼装侧板, 焊 接 工 作 量 小 , 拼 装 容 易 。 6 、 侧 板 材 料 用 量 1 3 5 吨 , 底 板 材 料 用 量 6 6 .6 吨 , 内 支 撑 材 料 用 量 4 0 吨 , 合 计 2 4 1 .6 吨 侧 板 刚 度 小 , 内 支 撑 材 料 用 量 多 双壁结构 1、 吊箱拼 装及下沉充分利用水的 浮力;2、 侧板刚度 大,内 支撑材料用量少;3、 下沉不用大型起吊设备;4、 侧板材料用量 200 吨, 底板材料用量 80 吨,内支撑材料用量 20 吨,合计:300 吨 材料用量多,加 工难度大,在钻孔平台下拼装侧板难度大;焊接工作量大;下沉工艺复杂, 工期长 由表1可以看出,侧板单壁节省材料,加工方便,拼装简单,质量容易控制, 投入少,工期短,故侧板选用单壁结构。 4 .2 结 构 构 造 简 介 ( 见 图 1 ) ① 底板 吊 箱 底 板 由 底 模 托 梁 和 底 模 组 成 , 底 板 平 面 尺 寸 为 1 8 .4 m × 2 9 .7 m , 底 板 高 0.361m,重量为 66.6 吨。底模托梁为井字梁结构,桩间设置纵、横梁。纵梁 (顺桥向)为主梁,共设 10 道,每道由通长 2 [28a 组成,横梁 (顺水方向) 为次梁,间距为 0.77m ~1.15m,由 I22b 组成,横梁与纵梁用螺栓连接,水封

吊 杆 设 在 纵 梁 上 。 模 为 肋 板 式 焊 接 结 构 , 板 为 δ = 6 m m ,肋 为 δ = 6 m m 板 底 底 条 , 分 12 种 型 号 共 75 块 置 于 底 模 托 梁 上 并 与 其 焊 接 。 ② 侧板

侧板采用单壁结构,为肋板式焊接结构,由型钢和 8mm 钢板焊接而成。侧 板 高 度 方 向 分 为 上 、 中 、 下 三 层 , 分 别 为 3 .3 5 m 、 3 .0 m 、 2 .5 8 m 。 每 层 分 为 26 块,其中圆端形方向分 6 块,直线段方向分 7 块,共计 78 块。单块最重 为 1 .8 吨 , 侧 板 总 重 1 3 5 吨 。 分 块 的 原 则 主 要 是 为 了 缩 短 基 础 施 工 周 期 , 在 钻孔桩施工的同时侧板拼装要在钻孔平台以下与水面以上净空为 4 m 范围内 进行,加上无法使用大的起吊设备,所以分块较小。吊箱下层侧板。与底板 及上、中、下层侧板之间的水平缝和竖缝均采用坡口焊缝焊接,以防漏水。 侧板的面板为δ=8mm 钢板,竖楞均为 I25a 工字钢,间距为 640mm 或 655 mm,水平加劲肋为 L63×40 角钢或δ=10mm 钢板组焊成“T”字型加 劲,间距为 500mm~700mm,随水深而变化。为了保证竖楞 I25a 外翼缘不 失稳及全截面受力,且避免在运输过程中侧板产生超标变形,在上、中、下 侧板适当位置,每层设了由δ=10mm 钢板组焊成“T”字型水平加劲两道, “T”字型的外边与 I25a 外翼缘平齐。 ③ 吊箱内支撑 内支撑由内圈梁,水平撑杆及竖向支架三部分组成。 内圈梁:内圈梁设一层,设在吊箱侧板的内侧,高程为 165.72m,由 2I45b 或箱形板结构组成的水平环,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。水平撑杆为井字结构,杆端用 螺栓与内圈梁连接成一体,纵向水平撑杆由 2[22b 组成,横向水平撑杆由φ 273 m m 钢 管 组 成 , 各 杆 间 均 通 过 法 兰 盘 用 螺 栓 连 接 , 竖 向 支 架 为 格 构 式 结 构 , 立杆为∠75×75×8 角钢,缀板为δ=8mm 钢板,竖向支架的作用主要是支撑 水 平 撑 杆 。 竖 向 支 架 的 底 端 焊 接 到 底 板 上 ,上 端 与 水 平 撑 杆 焊 接 。 ④ 吊箱吊挂系统: 吊挂系统由纵、横梁、吊杆及钢护筒组成,吊挂系统的作用是承担吊箱自重 及封底混凝土的重量。 横梁:横梁(顺桥向)共计 6 排,均设在钢护筒顶,由大榭岛斜拉挂篮的主 梁、横梁组拼而成。横梁的作用是支承纵梁,并将纵梁传递的荷载(通过护 筒)传递至基桩。 纵梁:纵梁(顺水方向)设置在横梁上,共 8 排,由大榭岛斜拉挂篮的主梁、 横梁组拼而成,纵梁的作用是支承吊杆,并将吊杆荷载传递给横梁。 吊 杆 : 吊 杆 是 由 l 32 m m 精 扎 螺 纹 粗 钢 筋 及 与 之 配 套 的 连 接 器 、 螺 帽 组 成 , 共 80 根吊杆,重 11.2 吨,吊杆下端固定到底板的托梁上,上端固定到吊挂 系统的纵梁上。吊杆的作用是将吊箱自重及封底混凝土的重量传给纵梁。 ⑤ 下沉起吊系统 起吊系统由吊点、吊带、千斤顶组成,吊点分上吊点、下吊点,上吊点设在 钻孔平台顶面上。下吊点设在吊箱下层直边侧板外侧,共 4 个下吊点,吊点 中心相距 11.52 m,吊带为 40 mm×320 mm 的钢带(16Mn 钢) 。 ⑥ 吊箱定位系统 钢吊箱下沉入水后受流水压力的作用,吊箱围堰会向下游漂移,为便于调整 吊箱位置,确保顺利下沉,在吊箱侧板内壁与钢护筒之间设上下两层导向系 统 , 第 一 层 设 在 距 围 堰 底 板 1 .9 3 m 处 , 第 二 层 设 在 距 围 堰 底 板 4 .7 3 m 处 , 每层 8 个导向。 5 设计计算 根据钢吊箱围堰施工时段分析进行结构设计验算, 用设计计算程序 SAP93 利

进行空间模拟计算,仅就计算思路简单介绍,具体计算过程从略。 5 .1 荷 载 取 值 依 据 由《铁路桥涵设计规范》 TBJ-96)荷载组合 V 考虑钢吊箱围堰设计荷载组 ( 合。 水平荷载:∑Hj=静水压力+流水压力+风力+其他; 竖直荷载:∑Gj=吊箱自重+封底混凝土重+浮力+其他; 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; 流水压力按桥址处实测流速: V=2.0 m/s; 风速很小,在此可忽略; 封底混凝土容重;γ=23KN/m3; 水的浮力:γ=10KN/m3; 5 .2 计 算 内 容 ① 吊箱拼装(上、中、下三层逐层入水)下沉计算; ② 吊箱结构设计计算; ③ 封底混凝土施工阶段计算; ④ 抽水后吊箱计算。 5 .3 计 算 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 底板主要承受封底混凝土重量和吊箱自重。荷载组合为混凝土自重+吊箱 自 重 +浮 力 , 此 外 , 还 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,最不利受 力工 况为抽水阶段,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,还要对吊箱逐层入水及承台施工等阶段侧板受力情况进行复算。内支撑 系统与侧板计算,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, 以三层拼装完成下沉 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:一个阶段是吊 箱内 抽完水后灌筑承台混 凝 土前, 另一个阶段是浇筑完承台且混凝土初凝前。 吊箱自重+水封混凝土自重+粘结力>浮力 吊箱自重+承台混凝土重+水封混凝土自重<粘结力+浮力 ⑤ 封底混凝土强度验算:要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。 6 钢吊箱施工 13 号主墩控制全桥施工工期,不仅施工难度大,而且施工工期十分紧张。若 采用在钻孔桩施工完毕后拆除平台,在平台上拼装下放钢吊箱的施工方法, 需要大型起吊设备,且投入多,工期长,很有可能在一个枯水期内不能把基 础施工出水面。因此,采取非常规的施工方法:在钻孔桩施工的同时交叉作 业拼装下沉钢吊箱,不仅减少了施工投入,而且缩短了施工周期,取得了显 著成效。 6 .1 吊 箱 拼 装 及 下 沉 吊箱拼装及下沉分三步。第一步,拼装底板及第一节围堰侧板。在钻孔平台 下弦设滑道,用来运送侧板至拼装位置。水面以上钢护筒外侧焊临时支承,

拼底板托梁, 接底模, 在其上拼装内支撑竖向支架, 后拼装下层侧板、 焊 并 然 上下吊点、吊带,第一节围堰入水。第二步,拼装中层侧板及竖向支架,围 堰下沉。第三步,拼装上层侧板、竖向支架及内支撑。围堰下沉至设计标高, 安装吊杆进行体系转换,围堰全部由吊杆吊挂,将吊带拆除。每块侧板焊缝 均进行煤油渗透试验。 围堰下放主要设施包括四个主吊具及其升降系统和八个辅助吊具。主吊具由 主吊点和吊带组成,吊具升降系统由锚箱、油压千斤顶、升降梁和稳定架组 成。辅助吊具采用精轧螺纹钢吊杆。当提升围堰时先提升主吊点,后提升辅 助吊点; 下放围堰时先松放辅助吊点, 松放主吊点。 辅吊点交替进行, 当 后 主 每次升降高度严格控制在 50mm 以内,主辅吊点升降幅度应一致,避免围堰 扭曲变形。 6 .2 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。然后用两台千斤顶从上下游 两 端 对 称 地 逐 一 对 80 根 吊 杆 进 行 调 整 , 使 其 受 力 均 匀 , 调 整 吊 杆 时 油 表 读 数 达 到 10M P a 即 可 。 全部吊杆调整完毕后,潜水员下水用蛇形袋堵塞钢护筒与底板之间的空隙。 6 .3 灌 注 封 底 混 凝 土 封底混凝土的作用一是作平衡重的主体;二是防水渗漏;三是抵抗水浮力在 吊箱底部形成的弯曲应力;四是作为承台的承重底模。封底混凝土灌注是吊 箱围堰施工成败的一大关键。主要难点是水下混凝土灌注面积大,而且水位 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 吊箱定位后至水封前,每天测量其平面位置,观察吊箱是否稳定。 ② 水封前潜水员逐一对 16 根护筒四周进行认真检查,以确保封底时围堰底 板不漏混凝土。 ③ 将 吊 箱 围 堰 分 为 三 个 仓 , 行 两 次 水 封 , 封 中 仓 , 置 12 根 水 封 导 管 。 进 先 布 再 封 上 下 游 两 个 仓 , 各 布 置 10 根 水 封 导 管 。 ④ 制 做 两 个 1 0 .0 m 3 储 灰 总 槽 , 确 保 每 根 导 管 砍 球 后 埋 深 不 少 于 0 .5 m , 以 并 在 水 封 过 程 中 始 终 有 约 5 .0 m 3 的 混 凝 土 储 存 量 , 在 混 凝 土 供 应 中 断 时 备 用 。 围 堰 封 底 混 凝 土 厚 度 1 .7 m , 底 净 面 积 3 8 1 m 2 , 用 C 3 0 混 凝 土 共 计 6 4 8 m 3 。 封 采 6 .4 灌 注 承 台 混 凝 土 封底完毕七天后,抽干吊箱内积水,没有漏水现象,说明水封很成功。拆除 上挂梁、吊杆,割除钢护筒,清除高出承台面的封底混凝土,用超声波法和 小应变法检测桩基质量, 后按传统的方法安设承台钢筋, 注承台混凝土。 然 灌 7 结束语 井 口 嘉 陵 江 大 桥 13#墩 基 础 承 台 为 深 水 高 桩 大 体 积 圆 端 形 承 台 , 工 难 度 大 , 施 结合实际情况,施工采用单壁钢吊箱围堰进行设计施工,取得了显著成效。 ① 速 度 快 , 节 省 工 期 : 边 钻 孔 边 拼 装 围 堰 , 2002 年 2 月 6 日 钻 孔 桩 水 封 完 毕 , 至 2002 年 2 月 25 日 下 沉 到 位 并 封 底 成 功 , 仅 用 19 天 时 间 。 ② 质量优:因吊箱围堰结构设计合理,定位准确,无渗漏现象。 ③ 效益好:因单 壁钢 吊箱结构设计合理 ,节 约了数十吨钢材,加 之 吊箱侧 板 又 兼 作 承 台 施 工 模 板 , 节 省 了 模 板 费 用 , 合 计 节 约 资 金 近 20 万 元 。

参考文献 1.铁道部第三堪测设计院 《铁路桥涵设计规范》铁道部建设司标准科情所组 织出版 TB10002.1-99 2. 罗 邦 富 . 魏 明 钟 . 沈 祖 炎 . 陈 明 辉 《 钢 结 构 设 计 手 册 》 中 国 建 筑 工 业 出 版 社 GBJ17-88 版 3.SAP93 设计计算程序


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