東海大橋承臺混凝土套箱分塊拼接施工安全分析

黃向平，莫景逸

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海市 200030）

0 前言

東海大橋是舉世矚目的上海國際航運中心洋山深水港區最主要的工程之一。大橋從蘆潮港開始至洋山深水港區，總長度達31.053 km，工程規模巨大。大橋所處海區海況惡劣，一年中海上安裝工程有效作業天數為180 d,可供混凝土澆筑的天數也僅為240 d。整座大橋從2002年8月開始施工，須在2005年底竣工完成。

非通航孔橋梁的承臺套箱分兩類：圓套箱和方套箱。其中圓套箱施工已順利展開，一天最多可安裝4個套箱，積累了一定的經驗；方套箱長27.85 m，寬 10.2 m，高 4.35 m，體積較大，原計劃采用鋼套箱方案。混凝土圓套箱的順利安裝增強了施工單位采用混凝土套箱的信心，提出大套箱是否能采用混凝土套箱，將混凝土圓套箱的施工工藝推廣到大套箱上。這樣，整個非通航孔的承臺安裝的工期都可得到保證。

1 承臺套箱施工方案

國內大江大河上的橋梁承臺套箱大都采用鋼套箱，工藝較成熟。但是，在東海大橋使用鋼套箱有其自身的特點：一是東海大橋屬外海工程，拆除鋼套箱成為一道難度和風險較高的工序；二是東海大橋橋墩工程量大，鋼套箱需周轉才能保證施工方案的經濟性，從安裝到拆除需幾個月的時間，這期間螺栓可能銹蝕且位置在封底混凝土底部，須選擇在天氣好、潮位低的時候進行。受天氣潮位的影響，鋼套箱的周轉次數很難保證。

若采用混凝土套箱，承臺澆完后不用拆除，受天氣潮位的影響相對小，施工更安全，經濟更合理。但是混凝土套箱重量較大，對運輸和起吊設備的要求較高。若采用整體吊裝方案，需要大型浮吊，現有的吊裝設備不能充分利用；而采用分兩塊拼接方案，每一塊的重量與整個圓套箱的重量相當，能夠充分利用現有的設備條件，實現快速安裝承臺套箱的目的。

經過認真權衡鋼套箱和混凝土套箱的優缺點，本著盡可能減少海上作業時間，盡快提高套箱剛度的原則，提出了將方套箱分兩U形吊裝，水上拼接的施工方案，施工流程如下：

陸上分片預制套箱→方駁上拼裝U形套箱→起吊U形套箱→將兩片U形套箱正確定位并支撐在樁上→連接好樁頂和鋼扁擔，焊好拼裝部分鋼梁、鋼板→澆灌封底混凝土→現澆套箱壁濕接頭→封底混凝土達到85%強度后，拆除部分鋼扁擔，澆筑第一層承臺混凝土→第一層承臺混凝土達到85%強度后，拆除全部鋼扁擔，澆筑第二層承臺混凝土。

2 套箱構造

整個套箱長27.85 m，寬10.2 m，承臺內布置16根鋼樁，空間有限元模型見圖1。套箱中間處設置鋼扁擔（見圖2），并擱置在樁上，套箱吊裝時吊點設在鋼扁擔上；套箱底部采用鋼底板結合鋼底梁來承受澆筑混凝土的重量；在樁間的鋼扁擔與鋼底梁設吊桿以減小底梁跨徑。因套箱分塊吊裝，則半個套箱呈開口U形，開口處設桁架（見圖3）保證套箱具有足夠的剛度以防變形。

3 計算分析

3.1 荷載標準

圖1 方套箱空間有限元模型

圖2 方套箱鋼扁擔布置圖(單位：mm)

圖3 方套箱桁架布置圖（單位：mm）

從開始安裝套箱到施工完承臺只需經歷幾十天時間，取過大的波浪可能造成套箱設計上的浪費，過小的波浪則可能不滿足施工安全。不同的工序其施工風險性也不一樣，經過研究，套箱拼接前的水位采用施工期水位及波高，套箱拼接后的水位施工期水位與使用期的水位都考慮，波高采用5 a一遇的波高，取最不利控制計算。

（1）施工水位：1.86 m

（2）施工期波流：表層流速為2.53 m/s（套箱）；垂線平均流速為1.93 m/s（基樁）；波浪要素H4%：2 m，T:5.05 s，L:38.6 m

（3）設計高水位：2.48 m

3.2 計算工況

套箱吊裝、安放須選擇較好的天氣，在波浪不大，低潮位的時候進行。因此，吊裝、安放兩階段僅考慮套箱自重。

考慮到海上自然條件較差，受風浪、流、潮水影響大，在一個潮水內把兩個U形連接好，但不一定都能當天澆完封底混凝土，這樣未澆封底混凝土的套箱就要經受風浪荷載的考驗。

澆完封底混凝土到封底混凝土達到設計強度這段時間，封底混凝土作為荷載，暴露在海上有一定的時間段。此時結構是否能承受得了大浪，是否會影響封底混凝土的凝結質量，是計算的關鍵。

封底混凝土達到設計強度，拆除部分鋼扁擔和吊桿，封底混凝土作為結構的一部分計算。封底完成后須抽水，因此這兩個階段的計算都需考慮靜水浮力。靜水浮力和波浪浮托力的疊加可能控制底板的配筋。表1為各計算工況。

表1 計算工況

3.3 受力特點

（1）與圓套箱相比，大套箱受波浪作用方向的影響更大，長度寬度方向的剛度不同，波浪控制方向為寬度方向。

（2）圓套箱壁為拱形，受波浪作用后，受力表現出軸力大彎矩小的特征，大套箱的長邊為直線形，受浪后表現出軸力小彎矩大的特征。

（3）大套箱由兩個U形拼接而成，吊裝、擱置的初始偏位可能造成拼接困難，整個過程需注意位移控制。需足夠剛度的桁架保證吊裝擱置過程的U形不產生過大的變形。

（4）封底混凝土達到強度前，套箱內剛度取決于套箱內鋼結構，含鋼扁擔、鋼底板及底梁，鋼扁擔、鋼底梁是結構剛度的關鍵；封底混凝土達到強度后，整個套箱具有一定的剛度，鋼扁擔的變形較小，受力就相應變小，鋼底梁、底板成為混凝土底板的一部分，封底混凝土是結構剛度的關鍵。

（5）承臺內樁間距離不大，豎向荷載在混凝土底板引起的彎矩遠小于水平荷載。豎向荷載作用下，在應力圖上表現為樁周頂部受拉，跨中底部受拉；在水平波浪力作用下，樁周一側頂部受拉，另一側底部受拉。

（6）套箱與承臺相比，具有同樣的受浪面，但套箱的豎向力及剛度比承臺小得多，因此樁的應力變形都較大，應考慮這個施工階段的樁的受力及變形是否超過使用階段。使用套箱法施工承臺時，樁基設計須考慮因套箱吊放可能造成樁基變形而引起的永久內力因素。

4 套箱設計施工要點

（1）承臺的重量通過底板傳遞到樁上，計算中偏安全地假定樁與底板之間的連接為鉸接。施工中要采取一定措施保證樁與底板之間力的有效傳遞。封底混凝土達到設計強度前，可采取鋼底梁與樁焊接或加抱箍等措施，封底混凝土設計時，可在封底混凝土中適當配筋保證樁與底板的連接。可根據不同的樁型采取不同措施，直樁應采取更多的措施，因為直樁樁周封底混凝土將承受很大的剪力，通過適當配筋，既保證力的有效傳遞又保證樁周的封底混凝土不被剪壞。對于斜樁，這部分力除了由封底混凝土與樁之間的粘接力承擔外，還有斜樁的彈力支承，故比直樁安全。

（2）當套箱安裝后，如果兩個U形套箱安上后未拼接而遇到較大波浪作用，樁基彎矩以及樁頂位移都是較大的，故在套箱安裝后應盡快拼接，盡量縮短中間間隙時間，降低在此期間出現較大波浪作用的概率，防止在此期間遇到較大波浪而使套箱產生位移，造成控制套箱安裝精度不便。

（3）原則上在套箱安裝就位后，應抓緊完成各種鋼結構聯結、塞縫、排水，在預埋底板鋼筋、吊筋與預埋件后，盡快澆筑封底混凝土，以使橋墩基礎及早成為整體，以抵抗可能發生的較大波浪荷載，并應避免空箱情況下承受較大波浪荷載的情況，確保工程安全。

（4）由于底板開孔原因，鋼底板上的次梁均斷開，為保證底板結構剛度，在套箱安放后，應考慮在每個樁上設置抱箍，并與鋼底板的次梁進行聯結，抱箍應與樁夾緊，以改善這部分鋼底板上的受力，也可改善樁與鋼底板之間力的可靠傳遞。

（5）東海大橋在海洋中，鋼樁經過防腐，因此不能在鋼樁上焊接型鋼，以免成為銹蝕通道。封底混凝土與鋼樁的連接必須采取其他措施，可通過在樁頂設置小扁擔，通過角鋼將作用在封底混凝土的部分力傳至樁上，增加結構施工過程的安全度。

（6）承臺混凝土體積較大，大體積混凝土的水化熱不僅對承臺混凝土自身的質量有影響，同時可能會造成套箱內外壁受熱不均，產生較大的溫度應力。因此有條件的情況下，應盡量分層澆筑承臺混凝土，同時采取冷凝，調整混凝土配合比等措施降低水化熱。

5 結語

（1）根據東海大橋的海況條件，對東海大橋混凝土套箱施工過程進行細致全面的分析，分析套箱在各種工況下的受力特點，提出了套箱設計施工的要點，對指導施工具有較大的現實意義。在條件差、工期緊的情況下，下部結構工期比預計提前3個月，為東海大橋的順利施工走出關鍵的一步。

（2）分兩片U形吊裝水上拼接的做法的順利實現，是一種創新，不僅使套箱結構經濟合理，而且降低了作業人員水上工作的風險，具有較大的借鑒意義。