西江特大橋雙壁鋼吊箱設計與施工

朱勇戰

1 工程概況

西江特大橋是廣珠城際軌道交通工程的重難點控制工程。本文主要針對142號橋墩,研究大型鋼吊箱在施工過程中各工況的受力特性。根據勘察和設計資料,施工水位達到21 m,因此設計時采用雙壁吊箱結構。

2 吊箱結構

鋼吊箱圍堰為雙壁圓角矩形,其平面尺寸為：24.53 m×18.9 m(水流方向)×21.5 m(高度),吊箱內外壁之間相距 1.4 m。吊箱在高度方向上分三節(6 m,7.5 m,8 m),吊箱內部在高度方向上設有兩道內支撐。根據現場起吊和運輸能力可對吊箱每節進行分塊,以便鋼吊箱的吊裝、運輸和拼組;壁板為6 mm厚鋼板,壁板水平方向設置加勁角鋼,豎向在壁倉內設置隔艙板,隔艙板與壁板相交處設置10 mm×300 mm補強板,同時在隔艙板上設置加勁肋;底板厚度 6 mm,大龍骨為焊接工字鋼600(500×20/560×16/500×20)mm,小龍骨為焊接工字鋼 400(300×20/360×12/300×20)mm,小龍骨為間斷,并在間斷處與大龍骨焊接連接;水平設兩道水平支撐,采用φ 720×12 mm;設26根抗壓(拉)柱,每根柱由2[36a槽鋼拼成箱形斷面,長20.894 m,每根抗壓(拉)柱都要與中間內支撐用鋼板焊接連接,以便減小自由長度,增加抗壓(拉)柱的穩定性。在抽水過程中,間隔3 m用20a槽鋼兩根與鋼護筒之間焊接一道連接桿件;封底采用C25混凝土,厚度為3 m。

3 工況計算與應力分析

3.1 有限元結構分析

本文借助大型通用有限元軟件MSC-Patran/Nastran,考慮整體結構對稱性,選取二分之一結構,建立三維空間有限元結構模型。鋼材材料參數：彈性模量 E=210 GPa,泊松比 v=0.3,密度ρ=7 850 kg/m3,采用線彈性本構模型模擬。單元選取時除了底板加勁肋和水平桁架采用梁單元以外,其余所有構件均采用板單元模擬,使有限元模型盡量接近實際結構,計算結果更準確。

3.2 工況及載荷分析

工況一：鋼吊箱下沉及封底混凝土澆筑。吊箱為雙壁結構,通過壁倉注水下沉,靠浮力來抵制吊箱結構重力,此時壁板和底板主要承受由于壁間內外水頭差產生的水壓力?？紤]3.4 m封底混凝土一次澆筑時,由于封底混凝土未固結,沒有剛度,底板還承受封底混凝土產生的壓力。

工況二：封底混凝土固結后,抽干吊箱內部的水。為了使得上浮力較小,往壁艙內注水與壁倉外水位相平,此時只有吊箱內壁受水壓力作用。封底混凝土固結,與底板結合成整體,整體上浮力靠封底混凝土與鋼護筒之間的粘結力和拉壓桿一起承受。

工況三：底節支撐拆除。為了有足夠的空間進行橋墩施工,第一節承臺(5 m)混凝土固結后拆除底節支撐,承臺替代下層支撐受力。主要驗算壁板、隔艙板、上層支撐的變形和受力。

工況四：調整頂節支撐形式。承臺頂面與施工水位相差13 m,不能直接拆除頂節支撐進行墩身施工,第一次墩身施工到頂節支撐附近后調整支撐形式后再進行墩身施工,同時往吊箱內部注水至施工位置,減小內外水頭差。

設計載荷除了考慮由于水頭差產生靜水壓力和混凝土對壁板壓力以外,還考慮沿水流方向引起的流水壓力,設計流速按v=2 m/s計算,在水流方向產生的流水壓力為0.004 MPa,按均布載荷加載。

3.3 吊箱計算結果及分析

分四種工況形式對整個施工過程進行了計算,計算結果列入表1。

表1 應力分布表 MPa

從表1的計算結果可以看到,結構的最大應力和最大變形都出現在工況一,主要是由于封底混凝土未固結前對底板的豎向壓力而產生的,封底混凝土固結后與鋼吊箱底板以及大小龍骨組合成整體一起受力,因此工況二、三、四計算中不用考慮底板的破壞,工況一為底板最不利工況;壁板、隔艙板、水平角鋼及圍檁的最大應力分別為128 MPa,143 MPa,134 MPa和149 MPa,出現在工況二,工況二為封底混凝土固結后抽水工況,吊箱內外水頭差接近18 m,為吊箱施工最不利工況,相比而言水平桁架受力較小,內外壁板的傳力主要通過隔艙板來連接,設計時通過沿壁倉周長方向間隔1.5 m～2 m設置一道隔艙板,從位移變形可以看到,吊箱圍堰的整體變形很小,水平桁架主要起保持結構整體穩定性作用;工況三與工況二相比,承臺替代了底節支撐,除了內支撐應力有所減小外,其余構件受力沒有明顯變化;整個計算過程除了底板局部最大應力達到172 MPa外,其余構件應力均在170 MPa以內,并且整體結構變形也相對較小,滿足施工要求,為安全施工,可以采取對封底混凝土分兩次澆筑,從而可以減小封底混凝土對底板作用,減小底板應力。

4 整體計算

4.1 整體屈曲分析

對四種工況進行對比分析,工況二與工況三兩種情況下,壁艙與吊箱內的水頭差最大分別為17.9 m和12.9 m,從計算也可以看到,內支撐、圍檁以及隔艙板所受壓應力相對較大。因此分別選擇工況二與工況三兩種情況進行屈曲分析。同樣借助MSCNastran進行分析。

最后計算得到,工況二與工況三兩種情況下的屈曲系數分別為4.1和 4.77,均大于4,說明整體結構的穩定性也能得到保證。

4.2 整體抗沉浮計算

26根拉壓桿按均勻受力考慮,吊箱總重 G=760 t,吊箱底面積St=344.96 m2,壁倉底面積 S2=107.2 m2,護筒面積 S3=90.5 m2,鋼吊箱的沉浮主要由拉壓桿控制,混凝土與鋼護筒的粘結力作為安全儲備,計算工況一、二單根拉壓桿的受力分別為F1=61.5 t和 F2=-102.8 t。壓桿長度按10 m考慮,拉壓桿的承載力為：F拉=207 t和 F壓=153 t,因此整體抗沉浮滿足要求。

4.3 樁的抗彎與抗拉驗算

當封底混凝土固結后與鋼護筒結合成整體,吊箱所承受的水流沖擊力為非對稱力,使得樁承受一定的彎矩,流水壓力按前面計算取最大值0.004 MPa,為倒三角形式分布,同時豎直方向吊箱底部承受水壓力為0.135 MPa。直徑2.8 m的鉆孔樁承受的最大軸力和彎矩分別為：3.85×106N 和3.96×108N?mm,樁的最大拉應力為0.81 MPa＜1.42 MPa,不考慮樁配筋作用下都滿足安全要求。

5 吊箱圍堰的下沉過程

雙壁鋼吊箱采取注水懸浮方式下沉,整體施工主要分以下幾個過程：1)在鋼護筒上焊接牛腿作為拼裝平臺,根據底板分塊在鋼護筒上設置吊架,并且用吊架分別吊住每塊底板,吊放設備采用手葫蘆。在牛腿上拼組焊接,第一節吊箱焊接好后(包括底板、壁板和拉壓柱),檢查拼接焊縫,確保泌水;2)采用手葫蘆(20 t手葫蘆 36個)將第一節鋼吊箱提起,拆除牛腿,使鋼吊箱下沉,36個手葫蘆同步操作,每次下放1.22 m,倒換一次手拉葫蘆的鏈條;3)吊箱下沉到干懸高度接近1 m時,停止下沉,通過手葫蘆以及拉壓柱將吊箱吊放在鋼護筒上,拼裝并焊接第二節鋼吊箱;4)重復操作直到鋼吊箱全部拼裝并下沉至設計標高,通過連接鋼板將拉壓柱與鋼護筒焊接相連;5)在每個鋼護筒外側套入兩個半圓形堵漏圈,沿護筒下放到底板上堵住底板與護筒縫隙,然后進行封底混凝土澆筑;6)封底混凝土凝固后開始抽水,鑿除拉壓柱與護筒見混凝土,將拉壓柱下端用連接板與鋼護筒焊接,割除混凝土以上鋼護筒及拉壓桿;7)進行承臺與墩身施工。

6 結語

西江特大橋雙壁鋼吊箱施工水位高,施工難度大,設計時采用板殼結合形勢,與桁架形勢相比剛度要大,并且加工方便。通過對整個施工過程的分析與計算可以得到：鋼吊箱結構的應力在材料的允許應力范圍以內,并且結構變形很小,拉壓桿受力能夠抵制吊箱結構的下沉與上浮,吊箱結構在施工過程中不會發生屈曲,滿足安全施工要求。

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