潮州外環(huán)大橋主墩承臺(tái)單壁鋼套箱圍堰設(shè)計(jì)與施工

陳錦輝

（潮州市交通運(yùn)輸工程質(zhì)量監(jiān)督站，廣東潮州521000）

1 引言

潮州外環(huán)大橋主墩9#承臺(tái)，采用單壁有底鋼套箱圍堰施工技術(shù)，圍堰主要是由底板、側(cè)板、圍囹、內(nèi)支撐和導(dǎo)向架構(gòu)成的箱形結(jié)構(gòu)，能夠有效地縮短工期，提高質(zhì)量，安全保障。

2 工程概況

潮州外環(huán)大橋位于廣東潮州市韓江河上，河谷斷面呈U字形，河道寬500 m，橋址下游5 km建有供水樞紐，水深6～12 m，潮差0.2～0.5 m，每天漲落潮1次。外環(huán)大橋左幅長1 022.6 m，右幅長997.6 m。按一級(jí)公路等級(jí)兼城市主干路設(shè)計(jì)，雙向6車道，主橋標(biāo)準(zhǔn)寬度36 m，設(shè)計(jì)行車速度60 km/h。主橋?yàn)?5 m+150 m+85 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，主墩8#、9#均采用水下鉆孔灌注樁接鋼筋混凝土承臺(tái)基礎(chǔ)，采用整體式承臺(tái)，橫橋向38.25 m，順橋向10.75 m，高4.5 m，采用C35混凝土。承臺(tái)底設(shè)1.3 m厚的C25水下封底混凝土分2次封底，第1次封底厚1.1 m，第2次0.2 m。

3 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1 結(jié)構(gòu)總體尺寸

平面尺寸40 m×12 m,承臺(tái)頂標(biāo)高+11.5 m，承臺(tái)底標(biāo)高+7 m，封底混凝土底標(biāo)高+5.7 m（封底厚度1.3 m），單壁有底套箱高7.0 m，套箱頂標(biāo)高+12.7 m，套箱底標(biāo)高+5.7 m，鋼護(hù)筒直徑2.8 m，拼裝平臺(tái)設(shè)計(jì)頂標(biāo)高+16.5 m。

3.2 氣象水文條件

設(shè)計(jì)最高水位+11.5 m，設(shè)計(jì)最低水位+9.1 m，水流流速按1.5 m/s計(jì)算，設(shè)計(jì)風(fēng)速正常期按25 m/s，臺(tái)風(fēng)期按40 m/s。

3.3 材料性能

主要材料采用Q235鋼、PSB930級(jí)精軋鋼、Q235鋼、角焊縫及鋼護(hù)筒。Q235鋼彈性模量206 GPa，拉壓彎強(qiáng)度215 MPa，剪切強(qiáng)度125 MPa；PSB930級(jí)精軋鋼彈性模量200 GPa，拉壓彎強(qiáng)度770 MPa；角焊縫拉應(yīng)力、剪應(yīng)力均為160 MPa，鋼護(hù)筒與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度150 kPa。

4 單壁鋼套箱圍堰設(shè)計(jì)

4.1 單壁鋼套箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主墩9#承臺(tái)鋼套箱圍堰由4個(gè)部分組成：底板系統(tǒng)，側(cè)板系統(tǒng)，提吊及下放系統(tǒng)，圍囹、內(nèi)支撐及導(dǎo)向架系統(tǒng)。

4.1.1 底板系統(tǒng)

底板由承重梁、分配梁、面板組成。其中承重梁采用4組2I45a工字鋼，長39.7 m，間距為3.35 m+2.75 m+3.35 m。底板分配梁采用I20a工字鋼，面板采用6 mm厚鋼板，面板開槽采用φ20 mm圓鋼錨筋與分配梁焊接，依次安裝承重梁、分配梁、分塊底板程序拼裝套箱底板。

4.1.2 側(cè)板系統(tǒng)

側(cè)板由主龍骨、邊龍骨、橫肋及面板組成，側(cè)板與側(cè)板之間采用螺栓連接。主龍骨采用2[28a槽鋼，長7.0 m，間距1.0 m，邊龍骨采用[28a槽鋼，橫肋采用[10槽鋼，間距0.4 m，面板采用8 mm厚鋼板。側(cè)板分為直線段和弧線段，弧線段分為A、B、C的3種類型，直線段分塊寬度3 m，單塊重3 t。

4.1.3 提吊及下放系統(tǒng)

提吊系統(tǒng)由轉(zhuǎn)換梁、扁擔(dān)梁、吊桿、導(dǎo)向架組成，轉(zhuǎn)換梁及扁擔(dān)梁均采用2I36a工字鋼，吊桿采用φ32 mm精軋螺紋鋼。套箱底板通過提吊系統(tǒng)錨固于護(hù)筒頂端，每個(gè)護(hù)筒設(shè)置2個(gè)錨固吊桿，吊桿采用φ32 mm精扎螺紋鋼。套箱提吊下放時(shí)，共設(shè)置8個(gè)千斤頂下放點(diǎn)。

4.1.4 圍囹、內(nèi)支撐及導(dǎo)向架系統(tǒng)

套箱側(cè)板內(nèi)側(cè)上部設(shè)置1道圍囹和1道直線輔助圍囹，套箱內(nèi)部設(shè)置5道內(nèi)支撐。內(nèi)支撐采用φ630 mm×8 mm鋼管，長9.85 m，共設(shè)置5根。導(dǎo)向架由導(dǎo)向頭、導(dǎo)向槽和連接桿組成，導(dǎo)向頭和導(dǎo)向槽分別采用2[20的槽鋼和I20a工字鋼，連接桿采用2[10槽鋼與護(hù)筒相連。

4.2 單壁鋼套箱結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

采用極限應(yīng)力法，利用Autodesk Robot Structure有限元軟件分析計(jì)算，主要驗(yàn)算鋼套箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性，確保結(jié)構(gòu)受力安全。模型見圖1。

圖1 單壁鋼套箱結(jié)構(gòu)模型示意圖

4.2.1 工況情況

鋼套箱下放，主要驗(yàn)算提吊系統(tǒng)及套箱底板。水下澆筑封底混凝土，主要驗(yàn)算提吊系統(tǒng)及套箱底板。

臺(tái)風(fēng)期高水位抽水，主要驗(yàn)算套箱側(cè)板及圍囹以及封底混凝土。第1次澆筑主要用于封底混凝土驗(yàn)算，承臺(tái)混凝土側(cè)壓力與套箱外部水壓力相抵消，套箱側(cè)板更安全。承臺(tái)第2次澆筑無須驗(yàn)算。

4.2.2 封底板抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算

驗(yàn)算封底板抗彎強(qiáng)度主要包括以下內(nèi)容：（1）高水位套箱抽水工況；（2）低水位第1次澆筑承臺(tái)工況。

經(jīng)驗(yàn)算，封底板混凝土拉應(yīng)力最大值0.79 MPa，小于C25抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.3 MPa，滿足規(guī)范要求[1]。

4.2.3 封底板抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算

驗(yàn)算封底板抗浮穩(wěn)定性主要包括以下內(nèi)容：

1）高水位套箱抽水工況。封底混凝土與護(hù)筒的黏結(jié)力計(jì)算結(jié)果為17 407 kN，護(hù)筒數(shù)量為12個(gè)，護(hù)筒直徑為2.8 m，板厚為1.1 m，鋼混黏結(jié)強(qiáng)度為150 kPa；套箱底板凈面積321 m2，計(jì)算效力荷載為12 454 kN；安全系數(shù)1.40＞1.2，滿足要求。

2）低水位第1次澆筑承臺(tái)工況。封底混凝土與護(hù)筒的黏結(jié)力為20 086 kN，護(hù)筒數(shù)量為12個(gè)，護(hù)筒直徑為2.8 m，板厚為1.3 m，鋼混黏結(jié)強(qiáng)度為150 kPa；套箱底板凈面積為321 m2，計(jì)算效力荷載為16 050 kN；安全系數(shù)1.25＞1.2，滿足要求。

5 單壁鋼套箱圍堰施工

5.1 鋼套箱加工制作、運(yùn)輸

鋼套箱由專業(yè)廠家嚴(yán)格按照規(guī)范和設(shè)計(jì)圖紙尺寸分塊加工制作。加工過程中嚴(yán)格控制焊接工藝，并采用3檢1驗(yàn)制度，加強(qiáng)檢查和監(jiān)督，及時(shí)驗(yàn)收，確保焊接質(zhì)量得到保證。運(yùn)輸采用吊車配合平板車轉(zhuǎn)運(yùn)至承臺(tái)處就位。

5.2 鋼套箱拼裝及下放

5.2.1 搭設(shè)拼裝平臺(tái)

拆除承臺(tái)區(qū)域鉆孔平臺(tái)，拔除鋼管樁，利用原鉆孔平臺(tái)改造為拼裝平臺(tái)。

5.2.2鋼套箱底板安裝

依次安裝承重梁、分配梁、分塊底板，安裝時(shí)先將通長承重梁按順序擺放在拼裝平臺(tái)上，分配梁依次放置在承重梁上，必要時(shí)承重梁和分配梁采用定位裝置，逐塊鋪設(shè)鋼套箱底板，分界線須與主龍骨對(duì)應(yīng)。底板分為A、B、C的3種類型，B區(qū)加工12塊，C區(qū)6塊。底板與護(hù)筒間縫隙采用環(huán)形止水板+環(huán)形砂袋填塞方法進(jìn)行堵漏，環(huán)縫封堵隨套箱一起下放，套箱內(nèi)外卡板設(shè)置在側(cè)板龍骨上，內(nèi)卡板通過槽鋼扣住封底混凝土，防止套箱下滑，外卡板是套箱抽水后防止側(cè)板外翹導(dǎo)致的漏水。

5.2.3 鋼套箱側(cè)板安裝

側(cè)板拼裝順序?yàn)閺闹虚g向兩邊，側(cè)板接縫處填塞橡膠條，底部限位卡板與套箱底板焊接，接縫位置設(shè)置1 cm厚止水橡膠板，在輪廓線外側(cè)設(shè)置三角擋板限制套箱外移。利用吊車配合人工按照先中間后兩邊、兩邊對(duì)稱同時(shí)安裝的原則逐塊安裝套箱側(cè)板并編號(hào)。在套箱內(nèi)側(cè)安裝內(nèi)支架，高度低于側(cè)板，利用內(nèi)支架做工作平臺(tái)，側(cè)板立模在內(nèi)支架上臨時(shí)加固，起整體性作用。套箱側(cè)板與底板連接采用型鋼加筋板錨固，安裝側(cè)板螺栓時(shí)利用鋼筋提前加工好的包圍式掛梯，側(cè)板拼縫處需填充1 cm厚的橡膠條，拼裝時(shí)要保證拼縫嚴(yán)密，防止拼縫滲水、漏水。安裝套箱側(cè)板時(shí)，應(yīng)及時(shí)連續(xù)記錄近期最低水位，在套箱側(cè)板上設(shè)置連通孔，保證套箱在封底時(shí)內(nèi)外水頭一致。

5.2.4 安裝提吊及下放系統(tǒng)

依次安裝轉(zhuǎn)換梁、扁擔(dān)梁、吊桿。吊桿穿過轉(zhuǎn)換梁和承重梁的位置需提前開孔，型鋼側(cè)面設(shè)置加勁肋。所有轉(zhuǎn)換梁必須設(shè)置在統(tǒng)一標(biāo)高上，保證所有吊桿均勻受力，應(yīng)保證轉(zhuǎn)換梁的焊接質(zhì)量，并在應(yīng)力集中的地方做加筋補(bǔ)強(qiáng)。

吊桿在鋼套箱底板安裝后進(jìn)行安裝，其下端采用墊板和雙螺母，上端通過扁擔(dān)梁與轉(zhuǎn)換梁連接，每根吊桿長度及時(shí)記錄并做相應(yīng)標(biāo)記，將吊桿下端均旋入下雙螺母，保證吊桿下端伸出螺母15 cm。吊桿布置在所有承重梁和扁擔(dān)梁的交叉位置，每根吊桿套1根PVC管，防止吊桿嵌固在封底混凝土之內(nèi)；PVC套管上端與吊桿固定，塞海綿、纏膠帶及涂滿玻璃膠封堵，抽水過程中逐步拆除吊桿并用木楔子將其封堵防止漏水。吊桿下端螺帽需固定在承重梁上，套箱下放采用液壓同步千斤頂整體下放，千斤頂規(guī)格≥50 t。

扁擔(dān)梁在護(hù)筒支承處設(shè)置肋筋。套箱底板通過提吊系統(tǒng)錨固于護(hù)筒頂端，每個(gè)護(hù)筒設(shè)置2個(gè)錨固吊桿，吊桿采用φ32 mm精扎螺紋鋼。套箱提吊下放時(shí)，共設(shè)置8個(gè)千斤頂下放點(diǎn)。

5.2.5 安裝圍囹、內(nèi)支撐及下放導(dǎo)向架

套箱側(cè)板內(nèi)側(cè)上部設(shè)置1道圍囹，距離底板100 cm處設(shè)置1道直線輔助圍囹，套箱內(nèi)部設(shè)置5道內(nèi)支撐，圍囹與側(cè)板間采用焊接固定，內(nèi)支撐與套箱側(cè)板進(jìn)行焊接。

圍囹分為直線圍囹和弧線圍囹，圍囹與側(cè)板間每隔3 m設(shè)置1道焊縫，防止側(cè)板外擴(kuò)。嚴(yán)格控制弧線段的圍囹和側(cè)板加工尺寸，并保證焊接質(zhì)量。

導(dǎo)向架由導(dǎo)向頭、導(dǎo)向槽和連接桿組成，導(dǎo)向頭和導(dǎo)向槽分別采用2[20的槽鋼和I20a工字鋼，連接桿采用2[10槽鋼與護(hù)筒相連。鋼護(hù)筒上部焊接4個(gè)導(dǎo)向架，架體由連接桿和導(dǎo)向頭組成，在導(dǎo)向架對(duì)應(yīng)的側(cè)板位置焊接導(dǎo)向槽。

5.2.6 套箱下放

利用液壓千斤頂，將兩側(cè)的精軋螺紋管吊住底板下的承重梁把套箱提起，拆除下面臨時(shí)拼裝平臺(tái)，從護(hù)筒內(nèi)部割斷平臺(tái)梁，向兩側(cè)抽出，將套箱轉(zhuǎn)為吊桿受力。下放時(shí)，在8個(gè)吊桿臨時(shí)吊點(diǎn)處設(shè)立標(biāo)高觀測點(diǎn)，同步緩慢整體下放，確保下放時(shí)各吊點(diǎn)受力均勻。若觀測發(fā)現(xiàn)不同步時(shí)，應(yīng)立即停止下放，并對(duì)局部下放點(diǎn)調(diào)整一致后方可再次下放，直至將套箱同步下放到位。每下放100 cm檢測套箱側(cè)板四角標(biāo)高及外側(cè)板傾斜度，保證套箱側(cè)板四角標(biāo)高一致，外側(cè)板不得傾斜。下放安裝到位復(fù)測標(biāo)高、平面位置合格后，將套箱側(cè)板頂部固定在主護(hù)筒口，避免套箱晃動(dòng)。

6 結(jié)語

對(duì)潮州外環(huán)大橋主墩鋼套箱圍堰進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，采用了極限應(yīng)力法有限元軟件分析計(jì)算，可簡化現(xiàn)場安裝作業(yè)，提高構(gòu)件的周轉(zhuǎn)率，確保鋼套箱圍堰結(jié)構(gòu)可靠。目前，大橋主墩鋼圍堰已成功下放并順利完成了封底、抽水和澆筑等工作，取得了良好效果。