一種雙壁鋼圍堰吊放系統設計與應用研究

李臣光 譚海濤 李永霞

【摘要：】某特大橋主橋為570 m的波形鋼腹板連續鋼構橋，主墩承臺采用堰模一體化免圍檁雙壁鋼圍堰輔助承臺施工。文章結合該工程實例，介紹了雙壁鋼圍堰施工流程，設計出貝雷片門式吊架吊放系統和牛腿支架吊放系統兩種方案結構，并進行了Midas有限元建模驗算分析。結果表明：采用牛腿支架吊放系統受力合理，操作簡易，與門式吊放系統相比，具有較好的經濟效益，同時可減少工期，安全性能較好。

【關鍵詞：】雙壁鋼圍堰;有限元;吊放系統設計;牛腿吊放系統;門式吊放系統

U445.55+6A421404

0 引言

隨著橋梁建設的發展，越來越多跨越江河湖海的大型橋梁相繼修建。為滿足承載力要求，水下施工是大型橋梁建設的重點和難點。鋼圍堰作為輔助水下承臺施工的臨時圍護結構，其作用是防止水和土進入建筑物的修建位置，為修筑建筑物提供一個干燥安全的施工環境。圍堰質量的好壞直接影響承臺施工的質量與安全。隨著承臺形式不同，鋼圍堰的設計形式也不同，其施工方法也有所差異。

本文通過對傳統雙壁鋼圍堰進行優化，設計出一種免圍檁、堰模一體的雙壁鋼圍堰，其既可以作為圍堰結構，同時也是承臺施工的模板。此圍堰不僅可以減少圍檁、模板等材料的使用，符合綠色施工理念，同時可以大大縮短工期，保證承臺施工質量，提升企業形象。為滿足雙壁鋼圍堰拼裝精度，同時保證下放過程中的質量與安全，鋼圍堰施工過程中圍堰吊放拼裝系統的設計優化與應用研究對深水承臺施工具有十分重要的意義。

1 工程概況

廣西南寧市橫州市某特大橋為一座波形鋼腹板連續剛構橋（如圖1所示），主橋采用（100+185+185+100）m跨徑布置，橋面全寬13 m。其中下構6#、7#、8#主墩采用C50雙肢薄壁橋墩，基礎采用承臺樁基礎（如圖2所示）。承臺長16.8 m、寬10.8 m、高4.5 m。承臺底標高為54 m，郁江平均水位為61 m。

為輔助承臺施工，采用堰模一體化雙壁鋼圍堰。圍堰外邊尺寸為19 m×13 m，高17 m，總重381 t。共分為5節，每節分為12個節塊。第一節到第五節圍堰高度分別為4.5 m、3 m、3 m、3 m、3.5 m。鋼圍堰采用分節拼裝，第五節拼裝完成后進行下放清淤，待平面位置及高程符合要求后進行封底混凝土澆筑，然后進行承臺施工。詳見圖3～4。

2 雙壁鋼圍堰施工流程（圖5）

2.1 圍堰制作加工

雙壁鋼圍堰在鋼結構工場加工可加快工期，保證質量。每一節圍堰由12塊（4個L形角塊，和8個I形塊）拼裝而成。鋼圍堰分塊制作加工完成后，對其進行試拼，檢查其塊與塊之間吻合情況以及滲漏情況，合格之后運輸至施工現場，再由現場進行節段拼裝。

2.2 拼裝平臺搭設

待鉆孔樁施工平臺拆除后，先對圍堰范圍內的河床進行清淤和找平。為保證施工平臺的承載能力與安全性，利用現有的鉆孔樁鋼護筒、鋼棧橋、鋼平臺的鋼管樁作持力構件，通過在鋼管樁、鋼護筒上焊接牛腿，架設雙拼工字鋼搭設鋼圍堰拼裝平臺。

2.3 首節圍堰拼裝

在搭設的臨時平臺上精確放樣，畫出圍堰刃腳周線，同時在頂端拉線放樣，控制鋼圍堰拼裝時的平順度和垂直度，然后采用對角拼裝、對角合龍的方式進行拼裝。焊接時先焊圍堰節段連接面板間的豎向焊縫，再焊環向焊縫，焊接完畢后在內側焊縫上涂煤油和外側涂抹石灰作滲透性試驗，當石灰位置出現變色時及時進行補焊。

2.4 吊放系統安裝

首節圍堰拼裝完成后，安裝吊放系統，將鋼圍堰起吊至一定高度，然后拆除拼裝平臺。待下放準備工作完成后，利用吊放系統進行圍堰下放。當首節圍堰箱刃腳入水后，靜置2～3 h，檢查圍堰是否漏水，如有則對漏水部位進行封堵后將雙壁鋼圍堰下放至一定水位進行臨時固定，之后再依次進行其他節段鋼圍堰拼裝。

2.5 圍堰接高下放

首節圍堰下放至指定位置后，進行第二節圍堰拼裝，拼裝順序按照對角安裝、對角合龍的方式，確保拼裝過程圍堰處于平衡狀態。在拼裝完成后對圍堰內注入一定高度的水，并下沉圍堰，待下放至指定高程后，進行第三節拼裝，重復以上步驟依次拼裝至第五節。

2.6 圍堰清淤下沉

待雙壁鋼圍堰拼裝完成后，對鋼圍堰進行配重下沉，采用吸泥設備對稱清淤，確保圍堰不發生較大偏位與傾斜。圍堰拼裝完成后通過懸吊下放系統繼續沉放，沉放過程中應注意向鋼圍堰的隔水倉內對稱地加水配重，保證圍堰不發生較大偏轉，直至鋼圍堰著床并下沉到設計標高。

2.7 圍堰封底施工

圍堰下沉到設計高程后，進行封底混凝土施工。對圍堰內拋填約50 cm的片石，然后讓潛水工對刃腳內外側鋼圍堰底與河床底間的接觸情況進行檢查，根據檢查結果對鋼圍堰外緣拋填砂袋以封堵圍堰底部的空隙，防止封底時混凝土泄漏。拋填砂袋的高度約為1 m，待圍堰底封堵完成后，潛水工用高壓水槍對圍堰刃腳內側、鋼護筒周邊進行沖洗，使鋼圍堰內側、鋼護筒與封底混凝土有良好的握裹，避免出現滲水情況。

3 圍堰吊放系統設計

根據雙壁鋼圍堰的安裝及下放流程可知，為滿足鋼圍堰節塊拼裝，首節鋼圍堰在拼裝平臺完成拼裝后拆除拼裝平臺并對其進行起吊，下放至一定高度后進行剩余節段拼裝，以此步驟直至五節拼裝完成。針對圍堰節塊拼裝的施工需要，設計出貝雷片門式吊架吊放系統和牛腿支架吊放系統兩種方案，并進行有限元計算分析。

3.1 牛腿支架吊放系統

3.1.1 牛腿支架吊放系統設計

利用牛腿懸吊系統（如圖6所示）吊裝首節鋼圍堰。首節雙壁鋼圍堰的總重量為123.64 t，懸吊系統共設置6個吊點。吊點設置于底節雙壁鋼圍堰中上部，采用雙拼25a工字鋼牛腿以及加強面板、25a工字鋼與32 mm精軋螺紋鋼、精軋螺紋鋼套筒組成。吊點豎向采用兩個反向牛腿的形式，大橫梁采用通長雙拼40a工字鋼，架設在鋼護筒上。

鋼圍堰下放時，調節精軋螺紋鋼螺帽到20 cm（根據千斤頂頂升量程確定），頂升千斤頂，待千斤頂全部頂升到位后，松掉千斤頂下端的精軋螺紋鋼螺帽（調節20 cm），千斤頂開始泄壓，此時鋼圍堰開始在重力荷載作用下吊放，待千斤頂泄壓完后，重復以上操作步驟直至吊放到設計位置。

3.1.2 牛腿支架吊放系統計算

3.1.2.1 有限元建模

采用Midas軟件建立有限元模型（如圖7所示）。圍堰結構型鋼采用梁單元模擬，鋼板采用板單元模擬。

荷載組合：荷載取值=1.2×吊裝荷載。

3.1.2.2 計算結果

牛腿吊放系統結構計算如圖8所示。各吊裝構件在吊裝首節鋼圍堰時的強度、剛度等驗算結果匯總如表1所示。

結合Midas Civil軟件驗算結果，在此工況下，32 mm精軋螺紋鋼各吊點的反力均為211.6 kN左右，受力均勻。精軋螺紋鋼最大應力為386.3 MPa，小于精軋螺紋鋼設計強度930 MPa。

對于除去精軋螺紋鋼之外的其他構件，最大組合應力為吊點牛腿225a工字鋼的55.9 MPa，均小于強度設計值215 MPa。各構件相對變形均小于構件對應長度方向的l/400，因此，各構件的強度、剛度均能滿足門架吊裝首節鋼圍堰的工況要求。

3.2 門式支架吊放系統

3.2.1 門式支架吊放系統設計

貝雷片門式吊裝系統（見圖9）共設置6個吊點。吊點設置于底節雙壁鋼圍堰頂部，采用雙拼25a工字鋼、貝雷梁、40a工字鋼、32 mm精軋螺紋鋼、精軋螺紋鋼套筒組成。吊點豎向采用將兩個雙拼25a工字鋼焊接在首節鋼圍堰頂部，大橫梁采用通長雙拼40a工字鋼，架設在鋼護筒與鋼平臺搭設的貝雷梁上。下放時與牛腿吊放系統原理相同。

3.2.2 門式支架吊放系統計算

3.2.2.1 有限元建模

采用Midas軟件建立有限元模型（如圖10所示）。圍堰結構型鋼采用梁單元模擬，鋼板采用板單元模擬。

荷載組合：荷載取值=1.2×吊裝荷載。

3.2.2.2 計算結果

門式吊放系統結構組合應力計算結果如圖11所示。各吊裝構件在吊裝首節鋼圍堰時的強度、剛度驗算匯總結果如表2所示。

結合Midas Civil軟件驗算結果，在此工況下，圍堰中部32 mm精軋螺紋鋼各吊點的反力為245.6 kN，其余吊點反為181.1 kN左右，受力較為均勻。精軋螺紋鋼最大應力為234.5 MPa，小于精軋螺紋鋼設計強度930 MPa。

對于除去精軋螺紋鋼之外的其他構件，最大組合應力為橫向雙拼40a工字鋼的114.5 MPa，均小于強度設計值215 MPa;各構件相對變形均小于構件對應長度方向的l/400，因此，各構件的強度、剛度均能滿足門架吊裝首節鋼圍堰的工況要求。

4 工程應用

經過該特大橋鋼圍堰下放過程實際工程應用，對兩種吊放系統方案進行對比分析，兩者受力情況均滿足設計要求。門式吊放系統會影響第二節鋼圍堰的拼裝，需在第二節拼裝后進行拆除，后續節段依靠圍堰浮力來完成拼裝，水流船只等對鋼圍堰拼裝有較大影響，特別是拼裝精度與安全。采用牛腿支架吊放系統可減少拼裝第二節圍堰時支架拆除所需時間，同時可以保證第二節圍堰拼裝時第一節不會產生較大位移，保證拼裝過程中的安全，也能避免圍堰拼裝過程中因不平衡發生鋼圍堰傾斜下沉的風險，同時提高了拼裝精度。在經濟方面，一個鋼圍堰下放過程中，牛腿吊放系統較門式吊放系統能節省所需人工、材料、機械費用約5.35萬元，縮短工期8 d。相較而言，牛腿吊放系統具有更好的經濟和社會效益。

5 結語

本文依托南寧市橫州市某特大橋主墩承臺施工工程，根據所采用的堰模一體雙壁鋼圍堰，設計出兩種吊放系統方案，對兩種方案結構進行了Midas有限元建模驗算，

并通過實際工程應用，對比分析表明：兩種吊放系統結構在首節鋼圍堰荷載作用下結構的受力與變形驗算結果均能滿足要求。在實際工程應用中，牛腿吊放系統與門式吊放系統相比可節省材料費、人工費、機械費的投入，同時可以大大節省工期，為后續鋼圍堰吸泥下沉、封底混凝土施工以及承臺施工節省了大量時間，體現了當代橋梁建設綠色、環保的水上施工理念，為同類型深水圍堰施工提供了經驗借鑒。

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