吊船湾大桥承台单壁钢套箱围堰设计与施工

夏海宾, 杨余青, 沈晓莉

(1.湖杭铁路有限公司, 浙江杭州 311100; 2.金华市交通规划设计院有限公司, 浙江金华 321000; 3. 浙江理工大学建筑工程学院, 浙江杭州 310018)

[通信作者]沈晓莉(1998—),女,硕士,从事道路与桥梁研究工作。

0 引言

钢套箱围堰是现广泛应用于桥梁深水基础施工的临时挡水结构[1-3]。钢套箱围堰主要由壁板和内支撑组成,壁板一般由钢板制作成,必要时用混凝土封底,阻挡箱外的水和土,形成施工空间[4-5]。根据建筑物的实际情况,可将钢套箱围堰设置为长方形、圆形及其他特殊形状,其构造形式有单壁、双壁及单双壁组合式[6]。目前,钢套箱围堰在桥梁高桩承台的施工过程中被广泛应用,众多学者研究总结出了多种钢套箱围堰施工技术[7-8],但是不同工程实际情况差异较大,需要通过有限元软件对钢围堰结构进行力学分析[9],帮助指导钢围堰结构的设计和施工。

1 工程概况

浙江省乐清湾大桥及接线工程起于温岭市城南,止于乐清市南塘,全长约38 km,是沈海国家高速公路浙江段(甬台温高速公路)的辅助线路。其中吊船湾跨海大桥为本工程01标的控制性工程,该桥位于吊船湾海域,左右幅分离设计,左、右线桥梁各长1 557 m,桥梁孔跨布置均[3×(5×50)+4×(4×50)]m,桥梁位于半径4 000 m圆曲线上。

吊船湾海域属强潮海湾,是以涌浪为主的混合浪区,平均潮差4 m以上,施工最高潮位高程为+3 m。大桥承台均采用分离式矩形承台,左右幅2#～18#承台均为高桩承台,采用φ1.5 m钻孔灌注桩,桥墩为花瓶墩。承台尺寸及高程如表1所示。

表1 承台尺寸和高程 单位:m

2 方案比选及确定

吊船湾海域内承台为水中承台,根据以往施工经验,可采用钢套箱围堰及拉森Ⅳ型钢板桩围堰2种围护形式进行承台施工。充分考虑承台施工的工程特点和施工环境,对2个方案的优缺点进行详细比选。

2.1 钢套箱围堰

(1)对特殊工种要求较低。

(2)钢套箱止水效果较拉森钢板桩好。

(3)在河床以上开展作业,有效避免复杂地层不确定因素的干扰。

(4)钢套箱加工周期长,加工要求高。

2.2 拉森Ⅳ型钢板桩围堰

(1)涉及到水上高空特种作业,安全隐患较大。

(2)吊船湾海域地层复杂,采用拉森钢板桩插打不可预见的安全因素较多。

(3)封底混凝土凝固时间较长,施工受潮汐及外部环境因素制约多。

(4)设备租赁,打拔以及需要单独制作承台模板,费用较高。

(5)工序简单,打拔顺利,周期短。

综合比较,吊船湾大桥水中承台钢套箱施工,技术可行,安全可靠,成本较低,能满足工期要求,拟选钢套箱围堰作为承台的施工方案,钢套箱围堰立面布置如图1所示。

图1 钢套箱围堰立面布置(单位:mm)

3 钢套箱设计

吊船湾跨海大桥承台围堰结构形式采用单壁钢套箱,围堰主体结构由侧板、悬吊体系、导向定位系统及防护结构组成。

3.1 套箱侧板

侧板主要承受水平荷载,采用单壁结构。根据承台尺寸,将侧板分为横桥向(A板)和纵桥向(B板)2个类型。横桥向侧板平面尺寸为7.536 m×5 m,纵桥向侧板平面尺寸为6.7 m×5 m,内净尺寸与承台尺寸7.4 m×6.7 m一致。

每块侧板从内至外由面板、横肋、竖肋、背杠组成。面板采用δ=5 mm钢板制作,横肋采用长度为0.5 m的∠100×63×8角钢,沿高度方向间距30 cm布置。竖肋采用长度为4.988 m的I16a型钢,沿水平方向按中心间距50 cm布置。水平背杠采用2[25a槽钢,单根长度分别为:A板7.412 m,B板6.7 m,中心间距从下至上分别为(0.8+2×0.6+0.9) m,沿模板高度方向布置。背杠上设角拉杆座,角拉杆座采用长度为20 cm的∠125×12等边角钢,与背杠接触位置满焊连接,角钢上割直径φ3 cm孔用于穿角拉杆,套箱角拉杆采用φ25 mm精轧螺纹钢。

3.2 悬吊体系

套箱悬吊系统由钢护筒、扁担梁、倒链组成。钢护筒采用既有钻孔桩钢护筒,上开凹槽放置扁担梁,凹槽位置下方采用钢板或型钢帮焊加劲。扁担梁采用2I36a型钢,沿顺桥向布置2道,扁担梁下挂10t捯链(图2)。

图2 钢套箱围堰悬吊体系(单位:mm)

3.3 导向定位系统

在既有钻孔桩钢护筒上焊接上口定位支撑型钢和临时承重牛腿,上口定位支撑型钢和临时承重牛腿均采用I32a工字钢,单根牛腿长度75 cm,临时承重牛腿在钢套箱拼装时同上口定位支撑型钢一同作为定位结构。

3.4 防护结构设计

套箱顶口设置作业平台,临边设置作业防护栏杆,栏杆采用φ48×3.5 mm钢管,立柱高度1 m,间距1 m布置,设置上、中两道水平杆,水平杆间距0.6 m,栏杆上挂设密目安全网,底部设置踢脚板,用厚6 mm,宽度10 cm钢板。

4 钢套箱有限元分析

根据钢套箱构造,采用Madas Civil 2015建立有限元模型(图3),计算分析工况一最高潮水位时套箱内未浇筑混凝土及工况二最低潮水位时套箱内混凝土浇筑完成且未初凝两种最不利工况下结构的安全性。工况一荷载组合为水压力+风压力,合力为28.38 kPa,工况二荷载组合为混凝土侧压力+振捣水平力,合力为32.78 kPa。通过有限元容许应力法计算,套箱钢面板、围囹、横肋、竖肋、背杠挠度均小于[f]=l/500,内部应力均小于许用应力[σ]=145 MPa,钢套箱结构满足施工需要,安全可靠[10]。

图3 钢套箱有限元模型

5 钢套箱拼装及沉放施工

钢套箱拼装及施工沉放工艺流程为:套箱底口河床面找平—焊接临时承重牛腿—套箱悬吊体系安装—套箱侧板定位、组拼—钢套箱下沉—封底混凝土施工—悬吊体系拆除、钢护筒割除—桩头混凝土凿除、安装套箱内支撑体系—承台钢筋绑扎、墩身钢筋预埋—承台混凝土浇筑—承台钢套箱拆除。其中套箱组拼安装以及钢套箱下沉和内支撑体系的安装是本工程的关键工序。

5.1 钢套箱侧板组拼安装

钢套箱试拼检查完毕以后,将钢套箱侧板分块运输至作业平台上,采用25 t履带吊、人工配合进行组装,组装作业选在每日退潮以后进行。

(1)依据临时承重牛腿上的承台轮廓线,在河床面上调整套箱底口平面位置。待套箱底口内壁与承台边线对齐后,在临时承重牛腿上安装千斤顶顶住套箱底口内壁,套箱模板上口靠住钢护筒上口支撑,悬吊捯链挂住套箱吊耳并拉动捯链使捯链受力,松开汽车吊吊钩完成钢套箱模板的受力转换。

(2)安装与之相邻的套箱侧板,分块侧板间采用M18×60 mm螺栓通过竖向法兰钢板连接,在侧板与侧板拼缝间设置橡胶止水带以防漏水,止水带采用两侧膨胀橡胶中间夹一层硬橡胶板的形式。

(3)套箱侧板组拼完毕后,复测侧板轴线、标高及平面尺寸,如平面位置有误,通过临时承重牛腿上千斤顶调整侧板平面位置。套箱围堰安装位置准确无误后,通过设置在侧板上的角拉杆座,采用φ25 mm精轧螺纹钢相连将套箱加固成整体。

5.2 钢套箱下沉

钢套箱组拼完毕且平面位置及标高无误后,将钢套箱顶口吊耳与悬吊捯链连接,钢套箱顶口设置4个捯链,松开钢套箱底口千斤顶。作业人员通过捯链缓缓向上提升钢套箱15 cm,观察钢套箱受力状况以及钢套箱顶口高差,合格后由作业人员割除临时承重牛腿承台范围内多余部分,承重牛腿作为钢套箱底口导向定位以及临时支撑设置,承重捯链可比承台尺寸小5 mm,以便于钢套箱下放。

每个捯链处作业点配备2名作业人员,作业人员站在钢套箱顶口作业平台上拉动捯链完成钢套箱下沉过程,下放过程同步缓慢进行。下放过程应有专人全程监测,每下放40 cm对钢套箱顶口高差进行测量,以防止4个作业点下放速度不一致,导致钢套箱下放过程受力不平衡,下放过程中通过调整单点下放速度达到钢套箱平稳下沉着床的目的。

5.3 内支撑体系安装

钢套箱沉放作业完成后,割除钢护筒,安装钢套箱内支撑体系,以防止水流侧压力导致钢套箱模板变形。内支撑体系由围囹、角撑组成,围囹型钢之间、围囹与角撑连接位置处采用法兰螺栓连接。内支撑体系同用φ25 mm精轧螺纹钢连接的钢套箱4个角拉杆座共同形成内撑外拉形式的加固。内撑外拉形式的钢套箱加固平面如图4所示。

图4 钢套箱围堰加固(单位:mm)

6 结束语

考虑到潮汐、风浪的影响,浙江乐清吊船湾特大桥高桩承台采用单壁钢套箱围堰方案施工,本文对该方案进行了有限元分析和施工工艺研究。结果表明,钢套箱围堰结构合理、受力安全;施工方案可行,结构安全可靠,便于拼装,操作简单,对处于类似环境的跨海大桥具有一定的借鉴和参考作用。