中-60型浮箱在95m鋼桁梁浮托架設中的應用

杜怡萱

（中鐵二十局集團第一工程有限公司，江蘇蘇州 215151）

1 工程概況

京滬高速公路淮安至江都段改擴建工程蘇北灌溉總渠特大橋位于淮安市區，其中跨越蘇北灌溉總渠時采用1～95m 下承式鋼桁梁，橋面寬度20.5m。鋼桁梁主桁結構為三角形結構。兩片主桁中心間距22.1m，大節點間距15.6m，主桁中心高度11m。

主桁弦桿為內寬700mm 箱形截面，其中上弦桿高940mm，下弦桿高900mm。主桁斜桿跨中6 根采用工字形截面，端部3 根采用箱形截面，豎桿均采用工字型截面。主桁均為整體式節點，主桁桿件與節點之間采用M27 高強螺栓連接。

橋梁橫向設11 片小縱梁，邊縱梁與中縱梁間距1.5m，中縱梁間距為2.0m，縱梁腹板、下翼緣與橫梁采用高強螺栓連接。縱橫梁上鋪設厚20cm 鋼筋混凝土預制橋面板，橋面板與縱橫梁間用剪力釘連接，通過后澆帶形成整體，其上鋪設厚9cm 瀝青混凝土面層。鋼桁梁總重量14973kN。墩高13.31m，水位+3.96～8.65m。

2 浮動支墩的設計

根據鋼桁梁頂推工況，當鋼桁梁在拼裝支架上縱向頂推至前端第3 個滑塊到達主墩頂部時，若要完成剩余縱向頂推任務，必須用浮箱將鋼桁梁托起。

2.1 荷載的計算

當浮箱和鋼桁梁尾部支點共同支承鋼桁梁時，浮箱及其支架承受最大豎向力，根據該集中荷載設計支架，按照支架荷載及支架重量驗算浮箱強度[1]。

依據鋼桁梁設計圖紙，建立模型，在處于如下支承狀態下，支架荷載為鋼桁梁前支點反力F=2×4494=8988kN。鋼桁梁頂推中浮墩最大受力工況示意圖，如圖1 所示。

圖1 鋼桁梁頂推中浮墩最大受力工況示意圖（單位：kN）

2.2 浮動平臺及支架結構

浮動支墩由中-60 型浮箱拼成的浮平臺和鋼管支架系統組成。

2.2.1 浮動平臺

因新建橋梁距離既有老橋較近，無法用普通大噸位船體作為浮動平臺，現場只能用浮箱拼成浮動平臺。經比選，浮箱選擇中-60 型浮箱，其結構尺寸為6m×3m×2m。浮動平臺橫橋向長30m，由5 節組成（浮箱長邊方向與橫橋向方向一致）。順橋向長24m，由8 節組成。共需40 個中-60 型浮箱[2]。

2.2.2 支架系統

支架的立柱采用φ800×10mm 鋼管柱，共布置2組，橫向中心間距與鋼桁梁下弦桿中心距相同，均為22.1m。每組支架順橋向布置3 排立柱，橫橋向布置2排立柱，排間距均為2m。

每組立柱間設有20#槽鋼連接件，與鋼管柱雙面焊接，焊縫高度≥6mm。鋼管柱頂部順橋方向設1 組3I56a 分配梁，長度5m。分配梁上在橫橋向設3 組2I56a 短橫梁，長度3m，用于支撐鋼桁梁第2 個大節點。分配梁、鋼管柱及橫梁之間均采用焊接方式固定，并在相互接觸部位設20mm 厚加勁板，防止桿件局部失穩[3]。

為將支架立柱荷載分配到浮箱，并控制浮箱局部彎矩，在鋼管柱下方設置2 層分配梁和斜撐桿。分配梁為HM500mm×300mm，材質Q235。另外，斜撐桿為φ273×6mm 鋼管，通過焊接形成整體桁架。

最底層分配梁共10 根，長度30m，通過焊接形成一整根，橫橋向對稱浮箱布置。其中，中間2 組浮箱每個對稱布設2 根，其余每組浮箱在中心線處布設1根。上層分配梁共設置9 根，長度24m，也要沿浮箱對稱布置，在鋼管柱處各增設2 根長度6m。浮動支墩結構，如圖2 所示。

圖2 浮動支墩結構示意圖

2.3 支架高度

浮箱頂面支架的高度主要由梁底標高、施工水位、托起鋼桁梁后浮箱的吃水深度決定。支架高度H=水面到梁底的距離D－浮箱高度h1＋浮箱滿載吃水深度h2。計算鋼管柱長度為10m。在實施浮托頂推作業時，現場通過鋼板進行標高的調整。

2.4 浮平臺吃水計算

2.4.1 空載吃水深度h0

浮箱空載吃水深度，指浮箱未托起鋼桁梁時的吃水深度，它由浮箱自重吃水深度和其上支架、機具等重量產生的吃水深度組成。根據中-60 型浮箱參數可知，浮箱自重下的吃水深度為0.3m。浮箱頂面支架重量合計105.4t，卷揚機、水泵等重量合計4t。根據浮力計算公式，支架、機具產生的吃水深度h=（105.4+4）/（24×30）=0.152m。故空載吃水深度h0=0.3+0.152=0.452m。

2.4.2 滿載吃水深度h2

根據浮箱托起鋼桁梁的支撐力為8988kN，它能產生的吃水深度h=8988÷（1×9.8×24×30）=1.274m。故浮箱滿載吃水深度h2=0.452+1.274≈1.73m。

2.4.3 干弦高度h3

因浮箱注水后方可進入鋼桁梁下，通過浮箱的排水實現梁體的浮托。在排水時，水泵有時不能將艙內的水全部排出，暫估存有5cm 高度的壓艙水。因此，干弦高度h3=2m-1.73m-0.05m=0.22m。滿足施工要求。

2.5 強度驗算

2.5.1 支架

采用有限元分析軟件Midas/Civil2019 建立模型，分項系數取1.25，對支架進行分析驗算。計算結果如下。

鋼管柱軸力Fmax=124.5kN，組合應力σmax=193.7MPa＜215MPa。

鋼管柱連接系槽鋼軸力Fmax=168.7kN，組合應力σmax=87.5MPa＜215MPa。

斜撐鋼管軸力Fmax=161.2kN，組合應力σmax=76.2MPa＜215MPa。

鋼管立柱最頂部分配梁剪力1347.5kN，彎矩1220kN·m，應力σmax=166.2MPa＜205MPa，剪應力τ=112.5MPa＜120MPa。

下墊梁剪力445kN，彎矩96.2kN·m，應力σmax=47.4MPa＜215MPa，剪應力τ=51.5MPa＜125MPa。

2.5.2 浮箱連接部位

浮動支墩托起鋼桁梁后，浮箱的縱向和橫連接處是浮平臺受力的薄弱部位。因此，需計算浮箱縱向和橫向最不利連接斷面處的剪力和彎矩，從而驗算連接件的強度。

考慮最不利情況，不通過斜撐分散荷載，連接處的剪力全部由鉤頭連接螺栓承擔，彎矩形成的拉力由3#連接板（300×300×8mm）和φ27 鉤頭連接螺栓共同承擔。驗算時假設3#連接板先達到其允許最大拉力，剩余的拉力再由鉤頭連接螺栓承擔。這樣，簡化為通過驗算連接處鉤頭連接螺栓在剪力和拉力共同作用下的組合應力，來判定浮箱連接處強度是否滿足受力要求。

因支架對稱于浮箱平臺布置，驗算浮箱連接處的強度選擇3 個斷面。斷面1 是將第四、第五列浮箱作為一個整體單元，分析驗算第三列浮箱右側連接面（順橋向）上80 個φ27 鉤頭連接螺栓受力情況。斷面2 是將第五列浮箱作為一個整體單元，分析驗算第四列浮箱右側連接面（順橋向）上80 個φ27 鉤頭連接螺栓受力情況。斷面3 是將第六、七、八排浮箱作為一個整體單元，分析驗算第六排浮箱右側連接面（橫橋向）上75 個φ27 鉤頭連接螺栓受力情況。

每個工況下整體單元斷面處的總剪力V 為鋼桁梁、支架（含機具）、浮箱和壓艙水的自重所分配的豎向荷載與其所受浮力之差。根據總剪力及鉤頭螺栓數量，計算單個鉤頭螺栓的剪應力。

斷面處的總彎矩M 為鋼桁梁、支架、浮箱和壓艙水自重共同產生的彎矩與其浮力所產生的彎矩之差。該彎矩在浮箱面產生的總拉力T=M/H（浮箱高度）。鉤頭連接螺栓所要承擔的軸向拉力N=T-F。由N值計算出鉤頭連接螺栓的正應力，最后計算出組合應力。

3#連接板的承載力F取鋼板的承載力和4 個M27普通螺栓（C 級）承載力中的較小者。其中，每個螺栓的承載力設計值應取受剪和承壓承載力設計值中的較小者。

鋼板拉力設計值取毛截面屈服和凈截面斷裂兩種情況下的較小者。其中毛截面屈服時拉力的設計值N ≤Af=300×8×215=516kN。

凈截面斷裂時N≤0.7Anfu=0.7×(300×8 -4×27)×370=593.63kN。連接鋼板拉力設計值取516kN。故3#連接板的承載力設計值為263.52kN。浮箱連接處強度驗算結果見表1。

表1 浮箱連接處鉤頭連接螺栓強度驗算結果匯總表

3 浮動支墩的制作

3.1 浮箱的拼裝

浮箱在岸邊搭設的簡易支架上用吊機配合人工拼裝，浮箱拼好后采用滑移的方法下水。拼裝時要按以下要求連接：一是浮箱上下面連接板的數量、位置須完全一致。螺栓安裝齊全，且須擰緊。二是在兩節浮箱短邊的弦箱角鋼上下面須各安裝3 塊3#連接板和10 個連接螺栓（φ27 鉤頭螺栓）。三是在兩節浮箱長邊的弦箱角鋼上下面須各安裝4 塊3#連接板和15個專用螺栓。四是在兩節浮箱縱、橫向端部弦箱角鋼上須各安裝1 塊1#連接板，側面須安裝1 塊2#連接板。

3.2 支架拼裝要求

一是支架系統要對稱浮箱布置，位置偏差控制在±2cm 以內。二是底層分配梁沿浮箱長邊方向布置，并與浮箱點焊固定。三是所有桿件的連接均采用滿焊連接，若存在空隙須用鋼板調平，保證其間密貼。四是在斜撐鋼管與立柱鋼管連接處，增設500mm×500mm×10mm 加強鋼板，防止立柱鋼管壁變形。五是分配梁、墊梁及鋼管柱局部應增設加勁板，確保構件局部傳力可靠。六是槽鋼與鋼管柱之間采用雙面焊縫，焊縫高＞6mm。

4 使用要求

第一，浮動支墩使用前，須注滿水后用地錨卷揚機牽引進行模擬試驗。第二，每個浮箱均須配備能力相同的水泵，浮箱注水或抽水時須同步。浮箱的總注水量控制在浮箱干弦高度10cm，即浮箱滿載吃水深度1.9m。在抽水托起鋼桁梁時，浮箱內部的剩余水量不得超過10cm，力爭控制在5cm 以內。此時，鋼桁梁中間部位的滑板均脫空，鋼桁梁處于由浮箱和后端滑塊簡支狀態，在此狀態下繼續浮托頂推工作。第三，嚴格控制浮動支架支承鋼桁梁時的橫橋向位置偏差在±20mm 以內。其縱向位置盡量往鋼梁前進方向移動。第四，浮動支墩托起鋼桁梁后，將其與鋼梁下弦桿進行固結連接。第五，因干弦高度偏小，浮托頂推期間水面不得出現波浪。第六，上游的控制牽引卷揚機組要配置2 套。第七，建議對不利部位的浮箱連接板進行應力監測，一旦接近警戒值時，可在浮箱中部設置豎向支撐桿，支撐在鋼桁梁的中橫梁或小縱梁上。

5 結論

一是在浮箱未托起鋼桁梁前預先進行頂推作業時，其前部支架將要經受最大豎向反力的考驗，需重點監測支架的安全性。在后續的浮托頂推中，需重點監測浮箱的安全性，一旦浮箱出現散體，后果不堪設想。因此，浮箱的安全可靠是浮托頂推施工安全的關鍵。二是底梁和斜撐鋼管的主要作用是控制不利位置浮箱出現向上的變形，從而減小浮箱連接部位的彎矩。對于四車道的鋼桁梁橋，可以在浮箱中部增設1組輔助支墩，也能更好地控制橫橋向第二、第三、第四節浮箱的受力狀態。三是浮箱的不利部位是縱向第三排浮箱的橫向連接處。