港珠澳大橋埋置式預制承臺安裝體系轉換的設計與施工

王德文 肖世波 文建勇

(1.湖北漢十城際鐵路有限責任公司，湖北武漢 430062；2.中鐵大橋局集團有限公司，湖北武漢 430050)

1 工程概況

港珠澳大橋CB05標非通航孔橋下部結構采用鋼管復合樁基礎，為了滿足橋位10%阻水率的要求，承臺采用埋置式基礎。CB05標淺水區非通航孔橋在九洲航道橋以東有53孔，以西有11孔，共62個墩位。其中，墩高≤27 m為低墩區，有橋墩49個(每個墩分為兩節預制、安裝)；墩高>27 m為高墩區，有橋墩13個(每個墩分為三節預制、安裝)。全橋共計137節(承臺及底節墩身62節)，其單件最重約23 500 kN，承臺尺寸為15.6 m×11.4 m×4.5 m，每個承臺設預留孔6個，直徑為2.8 m，預制構件構造如圖1所示。

圖1 低墩區與高墩區示意(單位：m)

2 工程概況

2.1 潮汐

橋址處的潮汐屬于不規律半日潮型，設計高水位為+1.65 m，設計低水位為-0.78 m，平均水位為0.54 m，高潮時水深5.0～7.0 m，低潮時水深3.5～5.5 m。

2.2 地質

海床面較為平坦，其高程為-6.2～-3.5 m，地層主要為淤泥、粉質黏土、淤泥質粉質黏土、粉質黏土夾砂等。

2.3 氣候

橋址區氣候溫暖潮濕，年氣溫變化不大，降水量多且強度大，風向以東南偏東和東風為主。橋址區處于熱帶氣旋路徑上，據1949年至2008年60年間資料統計，每年有2～6個熱帶氣旋襲擊橋位，4～12月均有可能發生，主要集中在6～10月。

3 總體施工方案

(1)基坑開挖：在橋址對應墩位處安裝圍堰，提供無水的施工作業環境。

(2)鋼管樁體系轉換：待圍堰封底止水后，抽水并清除圍堰內雜物，同時對鋼管復合樁樁頭進行鑿毛處理，在復合樁鋼管上焊接剪力環，再進行樁頂體系轉換及設施調整。

(3)掛樁施工：吊船載運承臺預制構件至墩位處，拋錨定位，將承臺掛在6根鋼管復合樁的頂部，此時承臺自重荷載均通過樁頂鋼立柱等設備傳遞至鋼管復合樁，完成掛樁施工。

(4)承臺預留混凝土施工：調整承臺墩身的高程、垂直度后，進行承臺預留孔鋼筋混凝土的施工。承臺預留孔鋼筋混凝土分兩層澆筑，完成第一層鋼筋混凝土澆筑后，待混凝土達到設計強度，拆除樁頂轉換體系，此時承臺荷載均通過預留孔第一層混凝土與鋼管復合樁及承臺預留孔側壁粘結作用承擔，實現體系轉換；最后進行預留孔第二層鋼筋混凝土的施工工作。其施工流程如圖2。

圖2 承臺安裝施工流程

4 承臺墩身安裝技術

4.1 基坑及圍堰施工

為減少基坑內吸泥工作量，在墩位處提前進行基坑開挖，開挖參數如圖3所示。基坑開挖過程中禁止碰撞復合樁鋼管。為保證圍堰下放準確，在圍堰運輸至墩位前，將導向架安裝到復合樁鋼管上(平面位置偏差50 mm，垂直度控制在1/250內，扭角控制在0.5°)。

圖3 基坑開挖(單位：m)

整體起吊圍堰，套入導向支架(如圖4所示)，調節其平面位置與垂直度，使其達到設計要求。對圍堰進行混凝土封底、抽水、清除圍堰內雜物等工作。

圖4 導向架結構(單位：mm)

4.2 樁頭處理及體系轉換的設計與施工

鋼管復合樁切割至設計高程并進行樁頭處理，采用水泥砂漿找平(平整度達到3 mm/1 m)，安放六個鋼立柱至樁頂(保證鋼立柱自身平整度)。利用浮吊船依次將鋼立柱、三向調節裝置及6 000 kN千斤頂安裝至樁頂，如圖5所示。

圖5 體系轉換設施

鋼管復合樁頂部區域設有4道剪力環，剪力鍵采用厚度為20 mm的鋼板與復合樁焊接而成。剪力鍵的高度為50 mm。其結構形式如圖6所示。

圖6 樁頂剪力鍵布置(單位：mm)

承臺掛樁過程中，承臺自重由吊船轉換至鋼管立柱上，再通過立柱傳遞到鋼管復合樁。根據計算，單根立柱承擔豎向荷載為5 040 kN(如表1)，利用有限元程序對立柱進行建模，如圖7所示，采用板單元模擬立柱各板件，經計算，立柱最大組合應力為178 MPa，如圖8所示。

表1 立柱及吊點荷載

圖7 立柱模型

圖8 立柱應力

根據承臺安裝施工計算，立柱采用Q235鋼，抗拉、壓設計值為205 MPa，故立柱承載力滿足規范要求。

采用四點吊裝預制承臺，吊點布置在承臺樁基預留孔處。吊點結構由一根扁擔梁、兩根平行鋼絲束(材質：PESH7-139)、兩根φ130連接鋼棒等組成。其布置及連接情況如圖9、圖10所示。

圖9 承臺吊點布置(單位：mm)

圖10 承臺吊裝示意

承臺安裝精度應滿足表2。承臺吊放到位后，進行第一層孔洞混凝土澆筑，并對此部分的孔洞混凝土進行強度驗算。

表2 承臺墩身安裝的允許偏差和檢驗方法

承臺的最大重量為25 000 kN(含安裝承臺時一些臨時構件)，一個承臺共有6個孔洞，每個承臺孔洞受力大小為

[T]=G/n=2 500/6=4 167 kN

(1)孔洞混凝土與鋼管復合樁之間受力分析

孔洞混凝土與鋼管復合樁之間豎向剪力主要由剪力鍵斷面受壓及復合樁與混凝土之間的粘接力組成，其各自計算公式為

T1=nA1fcd

(1)

T2=A2τ

(2)

式中n——剪力鍵數量，n取4；

A1——剪力鍵截面積；A1=126 920 mm2;

fcd——C45混凝土受壓強度允許值，取12.0 MPa;

A2——鋼管復合樁與混凝土之間接觸面積，A2=10×106mm2；

τ——混凝土與鋼樁之間粘結應力設計值，τ取0.2 MPa。

計算可得

T1=nA1fcd=4×126 920×12=6 092 kN

T2=A2τ=10×106×0.2=2 000 kN

按鋼管復合樁周圈混凝土受剪計算，其受剪承載力為

T′=A2τ′=10×106×0.98=9 800 kN>[T]=

4 167 kN

式中τ——C45混凝土受剪承載力允許值；τ取0.98 MPa。

由計算可知，其結構強度滿足要求。

(2)孔洞混凝土與預制承臺之間受力分析

考慮預制承臺預留孔部位混凝土受壓，不考慮混凝土之間的粘結力，有

T=A1fcd=1 036 725×12=12 440 kN>[T]=

4 167 kN

式中A1——承臺預留孔截面積，A1=1 036 725 mm2；

fcd——C45混凝土受壓強度允許值，fcd取12.0 MPa；

由計算可知，其結構強度滿足要求。

(3)模型細部受力分析

采用有限元程序，建立三維實體模型，進行受力分析。第一層澆筑混凝土整體模型如圖11所示。

圖11 計算模型

圖12 第一層混凝土澆筑完成

模型中，采用第一層澆筑混凝土與原承臺接觸面處固結，并考慮與樁接觸面處無平面位置變形(見圖12)；其荷載直接加于第一層澆筑混凝土與樁之面的接觸面上，以平均方式加載。第一層澆筑混凝土受力計算結果如圖13、圖14所示。

圖13 主拉應力(單位：MPa)

圖14 剪應力(單位：MPa)

由圖13、圖14可知，第一層新澆筑混凝土主拉應力為0.96 MPa，豎向剪應力為0.45 MPa。滿足設計要求。

完成承臺預留孔第一層混凝土澆筑后，對混凝土進行養護，待混凝土達到設計強度95%(42 MPa)后，方可拆除吊掛裝置(體系轉換設備)，如圖15所示。

圖15 體系轉換(扁擔梁拆除)示意

綁扎第二層鋼筋(如圖16所示)，進行第二層混凝土的澆筑(如圖17所示)，完成預制承臺的安裝。

圖16 第二層鋼筋綁扎完成

圖17 第二層混凝土澆筑完成

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