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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
张爱花 ? ?

简介: 井口嘉陵江特大桥 13#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。 关键字: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 φ 2.5m 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 5.6m 外,其余为 5.2m,纵向间距为 6.8m,两边 各一排,每排 2 根,与中间桩呈梅花布置,横向间距为 3.94m,与纵向间距为 6.8m, 桩长 42.0m。承台为台阶式,下台阶厚 4.0m,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 29.0m,上台阶顺桥向宽 13.2m,横桥向总长 2 2.23m,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+168.0m。 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:168.5m; 底板顶面设计标高:159.57m; 内支承标高:165.72m; 设计抽水水位:168.0m; 钻孔平台下弦系统线标高:172.0m。 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 135 吨,底板材料用量 66.6 吨,内支撑材料用量 40 吨,合计 241.6 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 ①底板 吊箱底板由底模托梁和底模组成,底板平面尺寸为 18.4 m×29.7m,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。底模为肋板式焊接结构,底板为 δ =6mm ,肋为 δ =6mm 板 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 3.35m、3.0m、2.58m。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 135 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 mm 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 l32 mm 精扎螺纹粗钢筋及与之配套的连接器、螺帽组成,共 8 0 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 1.93 m 处,第二层设在距围堰底板 4.73 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,利用设计计算程序 SAP93 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,焊接底模,并在其上拼装内支撑竖向支架,然后拼装下层侧板、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;当下放 围堰时先松放辅助吊点,后松放主吊点。主辅吊点交替进行,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 10MPa 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,进行两次水封,先封中仓,布置 12 根水封导管。再 封上下游两个仓,各布置 10 根水封导管。 ④制做两个 10.0m3 储灰总槽,以确保每根导管砍球后埋深不少于 0.5m,并在 水封过程中始终有约 5.0m3 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 1.7m,封底净面积 381m2,采用 C30 混凝土共计 648m3 。 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,然后按传统的方法安设承台钢筋,灌注承台混凝土。 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,施工难度大, 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 GBJ1 7-88 版

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