高速公路橋梁承臺施工及鋼吊箱設(shè)計

何 楊

（新疆新紀(jì)元公路設(shè)計有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

引言

鋼吊箱適用于深水基礎(chǔ)的高樁承臺施工，應(yīng)用此方法時施工單位應(yīng)做好現(xiàn)場勘查，掌握地質(zhì)條件、水文特點，然后根據(jù)橋梁建設(shè)要求，進(jìn)行鋼吊箱的設(shè)計。根據(jù)設(shè)計方案現(xiàn)場拼裝鋼吊箱，然后下沉、封底，并依次完成承臺、墩身的施工任務(wù)[1-2]。鋼吊箱設(shè)計與制作質(zhì)量，以及墩身、承臺施工質(zhì)量，就成為路橋工程中施工單位的重點管控內(nèi)容。

1 高速公路橋梁承臺施工技術(shù)

1.1 主墩承臺施工技術(shù)

在主墩承臺施工前，先將鉆孔平臺拆除，然后安裝吊箱底板，并進(jìn)行固定，現(xiàn)場制作鋼吊箱的懸吊裝置。鋼吊箱采用提前預(yù)制的方式，在制造廠完成制作后，通過汽車運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，使用懸吊裝置分別連接鋼吊箱的四個頂角，吊起后移動到指定位置，在定位系統(tǒng)的輔助下，下沉并準(zhǔn)確放置到相應(yīng)的位置。在鋼吊箱安裝過程中，現(xiàn)場制備混凝土，保證配比合適且充分拌勻，在鋼吊箱沉底后迅速澆筑混凝土，完成封底。在混凝土硬化之后，開始抽水，待內(nèi)部積水全部抽干排凈后，開始安裝承臺鋼筋。鋼筋相接部位一律采用焊接，同時預(yù)埋冷卻循環(huán)水管，采用鋼絲綁扎的方式固定在鋼筋上，塔柱施工的預(yù)埋件也要在這一環(huán)節(jié)提前安裝。承臺鋼筋工程結(jié)束后，開始澆筑承臺混凝土，充分振搗后進(jìn)入養(yǎng)護(hù)期，在前14 d 通入冷卻循環(huán)水，使內(nèi)部熱量及時消散，養(yǎng)護(hù)結(jié)束后完成主墩承臺施工。

1.2 薄壁鋼吊箱結(jié)構(gòu)布置

通過受力分析可知，鋼吊箱要承受水的壓力、土的壓力以及混凝土的壓力，為提高其抗壓能力，防止出現(xiàn)變形問題，施工中選擇矩形雙層薄壁鋼吊箱。其中，雙壁鋼板的總厚度為1.2 m，采用桁架結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 矩形雙層薄壁鋼吊箱

鋼吊箱內(nèi)部，沿著與橋面平行的方向，設(shè)計有上、中、下三道支撐，均采用Φ160 mm 的鋼管，提高內(nèi)部支撐力。底板方面，為提高防水效果，采用“底包側(cè)”設(shè)計方式，底板的長度和寬度均比鋼吊箱的平面尺寸超過15 cm。除此之外，在頂部四個角上設(shè)計了4個用于吊裝的吊點，并重點進(jìn)行加固。設(shè)計臨時承重吊桿，當(dāng)鋼吊箱完成下沉后，將由吊桿來分擔(dān)一部分重力。

1.3 套箱制作

施工企業(yè)將鋼吊箱的設(shè)計方案交給加工廠，采用預(yù)制的方式進(jìn)行鋼吊箱各個組成構(gòu)件的制作，然后使用汽車將這些構(gòu)件運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場。（1）構(gòu)件裝車前，要在汽車上放置木架或鋼架，并進(jìn)行固定，防止構(gòu)件在運輸途中因為顛簸、碰撞而出現(xiàn)變形等問題。（2）運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場后，檢查構(gòu)件有無質(zhì)量缺陷，確認(rèn)沒有問題后分層焊接，拼裝成整體。構(gòu)件焊接水平將會對鋼吊箱的拼裝精度和使用效果產(chǎn)生直接影響，也是需要重點管理的內(nèi)容。焊接前，參考鋼吊箱的設(shè)計方案，將每一塊構(gòu)件進(jìn)行編號，并依次進(jìn)行擺放,見圖2，然后按照順序依次完成焊接。（3）檢查焊接質(zhì)量，如果有未焊透的地方，或者是殘留焊渣等情況，要進(jìn)行相應(yīng)的處理，保證焊接質(zhì)量。

圖2 鋼吊箱分塊布置

1.4 薄壁鋼吊箱的拼裝下沉

完成分塊焊接且經(jīng)過檢查焊接質(zhì)量過關(guān)后，開始進(jìn)行鋼吊箱的整體拼裝。（1）安裝底板。測量護(hù)筒高度，要求最大高度差不超過5 mm，然后在護(hù)筒的上端焊接牛腿。使用吊升裝置將準(zhǔn)備好的底板吊起，放置到護(hù)筒上，將護(hù)筒與底板相接部位進(jìn)行焊接。（2）拼裝吊箱。參考施工圖紙，在底板上畫出定位基線，并由技術(shù)人員進(jìn)行復(fù)核，確認(rèn)無誤后安裝內(nèi)支撐。鋼吊箱內(nèi)部支撐所用材料見表1。（3）下放鋼吊箱。現(xiàn)場吊裝系統(tǒng)的主要部分是一臺40 t千斤頂，將吊裝系統(tǒng)的鋼索連接到鋼吊箱的吊點上。檢查固定牢固后，將其吊起。吊升時先低速后勻速，達(dá)到一定高度后進(jìn)行平移。平移到指定位置后，開始勻速下降，在接近底板時減速。利用底板上的輔助定位裝置，讓鋼吊箱精準(zhǔn)度放置在底板上。

表1 向內(nèi)支撐用料

1.5 套箱封底施工技術(shù)

鋼吊箱封底施工時會使用到大量的混凝土。為了方便混凝土澆筑，需要提前布置導(dǎo)管。除了根據(jù)施工方案確定導(dǎo)管的直徑、長度等基本參數(shù)外，還要檢查導(dǎo)管的質(zhì)量，包括有無彎曲、變形等，以及進(jìn)行導(dǎo)管的水密試驗、壓力試驗等。確定符合封底施工要求后，參考設(shè)計方案進(jìn)行測點及導(dǎo)管的布置，見圖3。

圖3 導(dǎo)管及測點的布置

將現(xiàn)場制備好的混凝土裝入泵機(jī)中，沿著導(dǎo)管完成封底澆筑。利用提前布置好的測點，地面施工人員可以隨時掌握混凝土的澆筑情況。（1）第一次澆筑至標(biāo)高后，自然靜置約30 min，此時導(dǎo)管內(nèi)的混凝土完成初凝，高度會有一定程度的下降。（2）第二次澆筑。在實際澆筑時，可以適當(dāng)增加封底混凝土的厚度，超出設(shè)計值5 ～10 cm。如果因為混凝土質(zhì)量問題或施工技術(shù)問題導(dǎo)致表面出現(xiàn)軟弱層，可以用鐵鏟刮去，從而保證澆筑質(zhì)量。

1.6 承臺施工技術(shù)

（1）做好施工前的準(zhǔn)備工作。封底混凝土澆筑完成后，養(yǎng)護(hù)一段時間后，測量其強(qiáng)度。通常來說實際強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值的90%以上，即可進(jìn)行承臺施工。使用抽水機(jī)將鋼吊箱內(nèi)的水抽出，抽水時還要密切觀察鋼吊箱是否出現(xiàn)變形問題、滲漏情況。如果有此類問題，說明鋼吊箱安裝質(zhì)量不過關(guān)，需要立即停止施工，重新進(jìn)行檢查并排除問題之后再繼續(xù)施工。（2）進(jìn)行承臺部分施工。包括固定承臺、預(yù)埋墩身鋼筋等。鋼筋預(yù)埋前除了要檢查是否存在生銹等質(zhì)量缺陷外，還要對鋼筋的規(guī)格、類型等進(jìn)行逐一對照，確保與設(shè)計方案中保持一致。（3）澆筑混凝土。夏季施工時盡量選擇上午及傍晚氣溫較低的時間進(jìn)行，可以降低混凝土出現(xiàn)承臺裂縫的概率。澆筑后利用前期預(yù)埋的冷水管，循環(huán)通入冷水，可以有效降低承臺混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生裂縫的概率。

1.7 墩身施工技術(shù)

施工前，將注漿機(jī)的注漿口與循環(huán)水冷卻管的開口連接，使泥漿充滿冷卻管，提高混凝土結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度。然后拆除鋼吊箱的臨時支撐，將預(yù)埋鋼筋與墩身鋼筋焊接起來，并澆筑墩身餛飩。采用分層澆筑的方式，每層澆筑結(jié)束后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，直到混凝土達(dá)到標(biāo)高。最后進(jìn)行不低于28 d 的養(yǎng)護(hù)，期間注意觀察墩身上是否出現(xiàn)明顯裂縫，如果有需要做相應(yīng)處理，保證墩身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，為上部橋面施工創(chuàng)設(shè)良好條件。

2 鋼吊箱設(shè)計計算

2.1 設(shè)計條件

根據(jù)前期開展的地質(zhì)調(diào)查，明確設(shè)計條件，為鋼吊箱的施工提供必要的參考。其中對鋼吊箱施工和使用質(zhì)量有重要影響的因素：（1）設(shè)計水位為+280 m；（2）設(shè)計流速為12 m/s；（3）鋼吊箱頂部標(biāo)高為+280 m；（4）底板標(biāo)高為+255 m；（5）倉內(nèi)最高水位為270 m。

2.2 荷載取值

鋼吊箱下沉后會受到多種作用力的影響，包括土的壓力、水的壓力，以及澆筑混凝土帶來的壓力等。因此，在進(jìn)行鋼吊箱設(shè)計時要計算好荷載，才能保證鋼吊箱的使用質(zhì)量。根據(jù)受力方向的不同，需要考慮水平荷載與垂直荷載。前者主要包括靜水壓力和流水壓力，后者則包括吊箱自重、混凝土重量等。

2.3 吊箱構(gòu)造

雙層薄壁鋼吊箱的頂部標(biāo)高為+280 m，底板標(biāo)高為+255 m。其中，雙壁厚度共1.2 mm，規(guī)格為13.4m×8.5 m×21.3 m。水平環(huán)板采用12 mm 鋼板，桁架焊接在水平環(huán)板上。吊箱水平桁架層間距0.9 ～1.4 m。吊箱共設(shè)置8 個鋼箱，鋼箱面板采用8 mm 鋼板，面板用14 mm 厚的鋼板加強(qiáng)，面板縱肋采用L80×50 ×8 mm，間距35 cm。鋼吊箱內(nèi)部使用3 根內(nèi)支撐，底板上布置8 個吊點，封底混凝土的平均厚度為1.6 m，使用C30 水下混凝土。

2.4 鋼吊箱底板荷載計算

鋼吊箱封底混凝土的厚度為1.8 m，底板所受荷載來自于澆筑封底混凝土的自重。在設(shè)計時，要想讓鋼吊箱正好出于自浮狀態(tài)，實際注水深度為10 m。此時澆筑的封底混凝土總重量為30 kN/m3，跨徑取平均值為0.3 m，背肋長度取最大值1.5 m，以0.01 m面板條按簡支梁作為計算模型。在荷載均勻分布的情況下，計算可得：Q混凝土=0.36 kN/m；Q設(shè)=1.5×Q混凝土=0.54 kN/m。 底 板 所 受 最 大 荷 載Mmax=0.006 1 kN·m、最大強(qiáng)度Qmax=0.064 kN。由此可得，底板最大正應(yīng)力：σ=Mmax/W=55.4 MPa ＜196 MPa；τ=Qmax/A=0.67 MPa ＜85 MPa，滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)語

橋梁工程是高速公路工程的重要組成部分，在深水承臺施工時，選擇鋼吊箱圍堰，可以提高防水效果，營造良好作業(yè)環(huán)境，保證橋梁墩身、承臺施工的高效率、高質(zhì)量進(jìn)行。由于不同地區(qū)的地質(zhì)條件、水文特點等存在較為明顯的差異，需要做好現(xiàn)場調(diào)查，然后科學(xué)設(shè)計鋼吊箱尺寸、型式以及選材。在保證鋼吊箱安裝質(zhì)量的前提下，進(jìn)行承臺、墩身施工，切實提高高速公路橋梁的質(zhì)量安全。