鋼混組合無封底鋼吊箱設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

李招明

（中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司 天津 300308）

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

福廈客專安海灣特大橋位于晉江市東石鎮(zhèn)和南安市石井鎮(zhèn)境內(nèi)，主橋采用（40＋135＋300＋135＋40）m雙塔雙索面疊合梁斜拉橋跨越安海灣主航道，主橋全長(zhǎng)650 m。主橋基礎(chǔ)采用直徑2.8 m鉆孔樁，主塔承臺(tái)為矩形高樁承臺(tái)，承臺(tái)尺寸為25 m×34 m×6 m（順橋向×橫橋向×厚度），承臺(tái)四角為半徑1.5 m的圓弧倒角，承臺(tái)頂面標(biāo)高＋4.612 m，承臺(tái)底面標(biāo)高－1.388 m，10 年一遇高潮位＋4.72 m，低潮位－3.27 m。

1.2 施工條件

橋址處屬于亞熱帶海洋季風(fēng)氣候，熱帶氣旋（臺(tái)風(fēng)）是影響大橋的主要災(zāi)害性天氣，年臺(tái)風(fēng)次數(shù)5.6次，臺(tái)風(fēng)在7月中旬至9月中旬為盛行期。

工程海域的潮流性質(zhì)為正規(guī)半日潮，呈往復(fù)流特征，流向與水道走向基本一致，根據(jù)橋區(qū)附近進(jìn)行的大潮漲、落流速觀測(cè)，最大表面流速為1.08 m/s。

安海灣內(nèi)水深自灣口向?yàn)稠斨饾u變淺，大部分水深淺于4 m，最大水深10.5 m。

波浪系由風(fēng)成浪和涌浪組合的混合浪，由于安海灣灣口朝東南，寬達(dá)12 km，灣外波浪經(jīng)灣口傳到安海灣灣口波高已經(jīng)折減，平均波高小于1.5 m。

1.3 施工難點(diǎn)

（1）工期緊：安海灣主橋?yàn)槿€控制性工程，前期受征海等因素影響，進(jìn)場(chǎng)晚，工期壓力巨大。

（2）安全風(fēng)險(xiǎn)高：臺(tái)風(fēng)、涌浪沖擊的影響貫穿施工全過程，圍堰下放、定位面臨挑戰(zhàn)，施工期間需接受臺(tái)風(fēng)考驗(yàn)。

（3）組織難度大：主橋與在建城市聯(lián)盟高速安海灣大橋平行跨越安海灣主航道，橋中心線間距為68 m，在保證正常通航的同時(shí)，船機(jī)設(shè)備交叉干擾大，橋梁上部涉及立體交叉作業(yè)協(xié)調(diào)組織難度大。

2 吊箱方案比選

鋼吊箱是適應(yīng)大型橋梁深水高樁承臺(tái)施工的先行結(jié)構(gòu)，既是防水圍堰又是承臺(tái)混凝土澆筑模板，既有定位、防水、承重作用，又有抵抗浮力、抗波浪沖擊力等多種功能，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)剛度要求大，制作、安裝精度高等特點(diǎn)［1－3］。

2.1 吊箱下放方式比選

鋼吊箱下放方式有整體吊裝下放、現(xiàn)場(chǎng)高位拼裝下放和現(xiàn)場(chǎng)原位拼裝3種方式，具體如下：

（1）整體吊裝下放：鋼吊箱在工廠或碼頭加工拼裝完成，通過平駁運(yùn)至橋位處，采用大型浮吊整體吊裝［4］，一次下放到位。整體吊裝下放優(yōu)點(diǎn)是吊放過程簡(jiǎn)單，吊箱拼裝與平臺(tái)拆除可同步作業(yè)，吊箱在廠內(nèi)拼裝，有利于保證拼裝質(zhì)量，同時(shí)較現(xiàn)場(chǎng)拼裝安全風(fēng)險(xiǎn)低；其缺點(diǎn)是成本高，占用航道，對(duì)吊裝、運(yùn)輸設(shè)備要求高，拼裝場(chǎng)地的選擇有局限性，適用于大重型吊箱圍堰，具備船舶航行的水深條件。

（2）現(xiàn)場(chǎng)高位拼裝下放：鋼吊箱在廠內(nèi)分節(jié)分塊加工制作，鉆孔平臺(tái)拆除后在鋼護(hù)筒高位（高潮位以上）上焊接牛腿或設(shè)置下托梁，拼裝吊箱，待全部拼裝完成后利用千斤頂下放到位。現(xiàn)場(chǎng)高位拼裝下放優(yōu)點(diǎn)是對(duì)設(shè)備要求低、定位精確工藝成熟，節(jié)省空間，下放受環(huán)境因素影響小，綜合費(fèi)用低；其缺點(diǎn)是不能與平臺(tái)拆除同步作業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)拼裝、下放施工期長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)較高。

（3）現(xiàn)場(chǎng)原位拼裝：現(xiàn)場(chǎng)原位拼裝工藝同高位拼裝［5］，按吊箱標(biāo)高一次拼裝到設(shè)計(jì)位置，不再進(jìn)行下放，較高位拼裝相比減少下放環(huán)節(jié)，缺點(diǎn)是作業(yè)受潮汐影響大，需乘潮施工或增加水下作業(yè)量。

安海灣內(nèi)水深自灣口向?yàn)稠斨饾u變淺，大部分水深淺于4 m，灘涂面積約占整個(gè)海灣面積的80%以上，低潮位除主航道外兩側(cè)海床外露，水深不滿足船舶航行及大型浮吊吃水要求，考慮鋼吊箱原位拼裝需趁潮施工，每天有效作業(yè)時(shí)間不超過4 h，組織難度大，施工期長(zhǎng)，綜合各種影響因素，經(jīng)比選確定吊箱下放采用現(xiàn)場(chǎng)高位拼裝下放。

2.2 吊箱底板結(jié)構(gòu)形式比選

鋼吊箱底板拆除難度大，拆除重復(fù)利用的經(jīng)濟(jì)效益不明顯，一般采用一次性投入，由于底板系統(tǒng)既有承重作用，又需抵抗浮力、抗波浪沖擊力等多種功能，鋼吊箱底板結(jié)構(gòu)形式比選對(duì)降低吊箱成本意義重大［6］。安海灣主橋承臺(tái)吊箱底板擬采用以下三種方案：

（1）方案一：鋼底板＋2 m封底混凝土

鋼底板由 δ＝6 mm鋼面板和縱橫向主梁HN400×200，縱橫向次梁 HN150×75，封邊主梁40b組成的型鋼骨架組成，鋼吊箱下放到位采用2 m厚度C30混凝土封底。

（2）方案二：鋼底板＋0.5 m混凝土結(jié)合底板

底板采用δ＝6 mm面板，∠75×8角鋼加勁，間距300 mm，底板與龍骨焊接，底板龍骨采用H294×200組成縱橫框架結(jié)構(gòu)形式，龍骨朝上在頂層布置φ22鋼筋網(wǎng)片，間距180 mm，鋼底板拼裝完成后在上澆筑0.5 m混凝土，該底板方案不設(shè)封底混凝土。

（3）方案三：裝配式混凝土預(yù)制底板

采用C50混凝土預(yù)制底板，厚度t＝25 cm，底板環(huán)向主梁尺寸為50 cm×65 cm，鋼護(hù)筒四周環(huán)向圈梁尺寸為40 cm×70 cm，底板次梁尺寸為40 cm×70 cm，底板分為20塊，預(yù)制場(chǎng)分塊預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)拼裝，調(diào)整、固定后進(jìn)行濕接縫施工，該方案不設(shè)封底混凝土。裝配式混凝土底板見圖1。

圖1 裝配式混凝土底板

綜合考慮施工成本、組織難度、安全風(fēng)險(xiǎn)及工期等因素，方案三裝配式混凝土預(yù)制底板方案最為經(jīng)濟(jì)，較方案一鋼底板節(jié)省成本約200萬元，其濕接縫施工較鋼底板增加一周左右時(shí)間，但節(jié)省封底混凝土施工時(shí)間，經(jīng)綜合比選確定安海灣主橋吊箱采用方案三，底板方案對(duì)比見表1。

表1 吊箱底板方案對(duì)比一覽表

3 鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

（1）設(shè)計(jì)方法

鋼混組合吊箱結(jié)構(gòu)采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，用分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（2）設(shè)計(jì)狀態(tài)（見表 2）

表2 設(shè)計(jì)狀態(tài)

（3）荷載組合原則

對(duì)恒載應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)值作為代表值，極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)活荷載采用標(biāo)準(zhǔn)值或組合值為代表值。各工況考慮兩種荷載組合形式，即標(biāo)準(zhǔn)組合和基本組合，荷載組合形式如下：

標(biāo)準(zhǔn)組合＝∑恒載＋∑（活載）

基本組合＝1.2 ∑恒載＋1.4∑（活載）

以上組合中，標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算結(jié)果用來評(píng)價(jià)剛度指標(biāo)，基本組合計(jì)算結(jié)果用來評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)。

3.2 設(shè)計(jì)工況

鋼混組合吊箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮5種工況［7－8］，具體如下：

（1）工況一：鋼混組合吊箱圍堰起吊下放時(shí)底板受力驗(yàn)算。

（2）工況二：設(shè)計(jì)高水位下鋼混組合吊箱圍堰內(nèi)抽水時(shí)吊箱結(jié)構(gòu)受力計(jì)算。

（3）工況三：設(shè)計(jì)高水位下鋼混組合吊箱圍堰內(nèi)澆筑首層承臺(tái)混凝土?xí)r吊箱結(jié)構(gòu)受力計(jì)算。

（4）工況四：設(shè)計(jì)高水位下鋼混組合吊箱圍堰內(nèi)澆筑二層承臺(tái)混凝土?xí)r吊箱結(jié)構(gòu)受力計(jì)算。

（5）工況五：非工作狀態(tài)下鋼混組合吊箱圍堰整體受力驗(yàn)算。

3.3 建模分析

鋼混組合吊箱采用有限元軟件進(jìn)行建模分析，底板梁系以及壁體梁系計(jì)算時(shí)均采用梁?jiǎn)卧炷恋装逡约颁摶旖M合吊箱圍堰壁板均采用殼單元，底板與壁體分開建模計(jì)算［9－10］。

經(jīng)計(jì)算分析鋼混組合鋼吊箱圍堰強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性滿足要求。

3.4 鋼混組合吊箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼混組合無封底吊箱分別由鋼筋混凝土底板、鋼結(jié)構(gòu)壁板、內(nèi)支撐、壁板與底板之間連接件、連通器、環(huán)形封堵槽、受力體系等七大部分組成。鋼吊箱圍堰立、平面圖見圖2、圖3。

圖2 1/2吊箱立面圖

圖3 吊箱平面圖

（1）鋼筋混凝土底板：預(yù)制底板采用25 cm厚C50混凝土板及濕接縫所形成的格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，預(yù)留孔直徑較鋼護(hù)筒直徑大40 cm，周邊預(yù)留20 cm。

（2）鋼吊箱壁體：壁體由面板和型鋼骨架組成，共劃分為14塊，共2個(gè)類型（直側(cè)板、弧側(cè)板），最大單塊重量 9.15 t。

（3）內(nèi)支撐：鋼吊箱側(cè)壁上設(shè)置了2層φ820×10 mm鋼管支撐。

（4）壁板與底板之間連接件：壁板與壁板之間采用CIC鎖扣、鎖扣拉桿對(duì)拉、黏土棉絮混合物填充等方式進(jìn)行連接；壁板與底板拼裝采用止推塊、拉壓桿、堵漏砂漿等方式進(jìn)行連接。

（5）連通器：共設(shè)置8個(gè)連通器，用于調(diào)節(jié)吊箱內(nèi)外水頭差。

（6）環(huán)形封堵槽：位于樁基鋼護(hù)筒與底板之間的環(huán)形縫隙。

（7）三個(gè)受力體系：下放懸吊系統(tǒng)、拉壓桿、剪力板。

4 鋼吊箱圍堰施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 鋼混組合吊箱加工

鋼混組合吊底板在預(yù)制場(chǎng)進(jìn)行預(yù)制，在鋼結(jié)構(gòu)加工廠按設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行壁板、內(nèi)支撐及其他小型鋼構(gòu)件加工。

4.2 鋼混組合吊箱拼裝

（1）在鋼護(hù)筒上設(shè)計(jì)標(biāo)高處開孔，安裝拼裝平臺(tái)支撐梁。

（2）將預(yù)制底板分塊吊裝到位后，綁扎濕接縫鋼筋，并將底板鋼筋與濕接縫鋼筋焊接后，澆筑濕接縫混凝土。

（3）在預(yù)制底板環(huán)向主梁上分別設(shè)置30 mm厚的砂漿找平層及10 mm厚的橡膠墊層。

（4）測(cè)量定位后，對(duì)稱吊裝壁體，單塊壁體吊裝到位后及時(shí)設(shè)置臨時(shí)固定措施，吊箱壁體完全合攏之后，及時(shí)安裝圍檁、內(nèi)支撐。

（5）安裝止推系統(tǒng)，安裝吊桿。

（6）在壁體與預(yù)制混凝土底板的環(huán)向主梁的縫隙中澆筑50 mm厚的封堵砂漿。

（7）安裝拉壓桿下支座和吊點(diǎn)支座，用插銷將拉壓桿下支座和拉壓桿、吊點(diǎn)支座和扁擔(dān)梁進(jìn)行銷接。

4.3 鋼混組合吊箱下放

（1）安裝挑梁、下放千斤頂及鋼絞線；接長(zhǎng)進(jìn)漿管和出漿管。

（2）拆除臨時(shí)固定措施，安裝導(dǎo)向裝置。

（3）連續(xù)同步作用千斤頂，將吊箱提升100 mm并保持12 h，觀察期間壁體、底板和挑梁等的變形情況。

（4）拆除鋼護(hù)筒上的支撐梁。

（5）8臺(tái)千斤頂連續(xù)同步下放鋼吊箱至設(shè)計(jì)底標(biāo)高［11］。

4.4 鋼混組合吊箱底板堵漏及體系轉(zhuǎn)換

（1）在鋼護(hù)筒上安裝拉壓桿上支座，并將拉壓桿與上支座焊接固定，拆除挑梁、千斤頂和鋼絞線，將受力系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為拉壓桿受力。

（2）通過壓漿管將水泥漿注入止水膠囊中，封堵底板與鋼護(hù)筒之間的縫隙。

（3）在底板與鋼護(hù)筒間的后澆帶澆筑C35水下不離析混凝土。

（4）水下不離析混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，關(guān)閉連通器，吊箱內(nèi)抽水。

（5）焊接剪力板，拆除拉壓桿及扁擔(dān)梁，將受力系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為剪力板受力［12］。

（6）拆除導(dǎo)向裝置；割除壓漿管、出漿管。

4.5 承臺(tái)施工

（1）鋪設(shè)35 cm厚的底板粗砂墊層，澆筑10 cm厚的素混凝土墊層。

（2）割除鋼護(hù)筒并鑿除樁頭至設(shè)計(jì)標(biāo)高，內(nèi)壁除銹打磨。

（3）綁扎首層承臺(tái)鋼筋，澆筑首層承臺(tái)混凝土。

（4）待首層承臺(tái)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，拆除第一層內(nèi)支撐及圍檁。

（5）綁扎第二層承臺(tái)鋼筋，澆筑第二層承臺(tái)混凝土。

（6）待第二層承臺(tái)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，拆除第二層內(nèi)支撐及圍檁；在低水位下拆除壁體與底板的連接吊桿。

（7）按照“先裝后拆，后裝先拆”的原則逐塊對(duì)稱拆除各節(jié)吊箱壁體。

5 結(jié)束語

福廈客專安海灣特大橋主橋鋼混組合吊箱已成功應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，該組合吊箱與常規(guī)鋼吊箱相比節(jié)省了封底混凝土，吊箱所用鋼材均實(shí)現(xiàn)周轉(zhuǎn)使用，大大降低了施工成本；同時(shí)在壁板與壁板、壁板與底板及樁基鋼護(hù)筒與底板之間的環(huán)形縫隙施工中采用了CIC鎖扣、止推塊、拉壓桿及止水膠囊等創(chuàng)新做法，現(xiàn)場(chǎng)操作方便，止水效果好并大大減少了水下作業(yè)，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。