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单壁钢吊箱围堰设计及在之江大桥施工中应用

日期: 2017-04-11
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       摘要:本文介绍了采用吊箱围堰技术进行承台施工的适用条件及优缺点。并通过对单壁吊箱围堰结构受力的分析,介绍了单壁吊箱围堰的设计方法及主要计算内容,并结合工程实际介绍了利用钢吊箱围堰进行承台施工的施工工艺及施工方法。 
中国论文网 http://www.xzbu.com/1/view-5678171.htm
  关键词:吊箱;围堰;结构分析;施工工艺 
  当桥梁承台底面距河床面较高,或承台以下为较厚的软弱土层且水深流急,修建桥梁深水桩基及承台时可采用吊箱围堰。目前,大型桥梁深水桩基承台的尺寸越来越大,为实现承台的干施工,多用吊箱围堰来作承台修建。通常在深水桩基完成后,用起吊设备将内装有扁担梁且已拼成整体的钢吊箱围堰,悬挂在定位桩桩顶,然后灌注水下混凝土封底,抽水后浇筑承台混凝土。这时,吊箱围堰的作用就是为了实现承台的干施工,其底板是封底混凝土的控制面,侧板为浇筑封底混凝土及承台混凝土的侧模,同时吊箱围堰的顶面也作为混凝土浇筑施工的工作作业面。之江大桥(钱塘江七桥)的4、5号主墩的承台施工,采用的就是有底单壁钢吊箱围堰。 
  1 工程概况 
  本项目位于杭州市西南面,距下游的钱江一桥约4.5km,其中之江大桥全长为1742m,上部结构采用预应力混凝土等截面(60+60+60)m+变截面连续箱梁(60+11×86+60)m+钢箱梁双拱形钢塔斜拉桥(116+246+116)m.主桥下部基础为群桩及高桩承台,4、5号墩索塔基础采用对水流适应性较强的圆型承台,承台顶设计标高3.0m,厚度4.5m,底部标高为-1.5m;直径19.65m。单侧承台下设12根D2.0 m的钻孔灌注桩,4号索塔基础桩长为66.0m,5号索塔基础桩长为67.0m。为使索塔底部荷载均匀地传递至承台上,在塔柱与承台之间设置了6.0m厚的棱台形塔座。钢塔柱底锚固螺杆预埋入索塔承台中,底部设置锚固框架。 
  2 单壁钢吊箱围堰的结构构造 
  2.1方案确定 
  目前国内深水承台施工的施工方法多种多样,各有优点。使用吊箱围堰修建桥梁深水桩基,与使用钢板桩围堰、钢围堰一样,可在岸上制造,在定位船上拼装成整体后运至墩位处下沉,不仅施工方便,而且防水性能好;因吊箱围堰不进入河床而是悬吊入水中,所以用钢量少。其缺点是:吊箱结构较复杂,制造精度要求高;沉桩时桩的自由度大,如施工操作不当,易损坏桩或吊箱;又由于吊箱阻水面积大,在有潮水涨落或强水流冲击时,悬吊吊箱的定位桩易遭损坏。 
  结合本工程特点,经过多方案比较,决定采用吊箱围堰来施工。因为本工程主桥墩承台实测河床标高:4#墩约-10m,5#墩约-5m,水中埋深较浅,故可以采用单壁钢吊箱围堰。采用单壁钢吊箱围堰具有节省材料、加工便、质量容易控制、节省模板资金、下沉时间短等优点。 
  2.2结构分析 
  钢吊箱的结构主要由侧板、底板、内支撑、支吊系统等4部分组成。其中侧板和底板是吊箱围堰的主要防水结构。吊箱施工共分吊箱拼装下沉、封底混凝土施工、抽水、承台施工4个阶段,故结构分析也要基于这4大部分4个阶段来进行。 
  侧板对于不同的阶段要承受不同的荷载,主要包括水压力、封底混凝土侧压力、承台混凝土侧压力的作用,其中,封底阶段主要承受封底混凝土侧压力,抽水阶段主要承受水压力,承台施工阶段主要承受水压力与承台混凝土的侧压力的共同作用。所以对于侧板应该验算封底、抽水、承台施工3个阶段,从而确定最不利工况下的内力。侧板是吊箱的主要防水结构不能设置对拉杆,由于本工程承台高度不大,所以侧板采用刚度大承载能力强的型钢作为骨架,其上再铺钢板。中间不设支撑,仅在下部底模上设限位挡块,上部由焊于吊箱顶部的反压梁作为支撑。因此施工期间的侧板承受的各种荷载均通过底模和反压梁及内支撑形成平衡,并未传给定位桩。 
  底板一般由型钢骨架,其上再铺钢板形成。型钢骨架要承受封底混凝土、自重、水浮力的作用。对于承台混凝土浇筑阶段封底混凝土已经与桩基础形成粘结力,对于一般工程此粘结力足够承担承台混凝土的压力,所以底板型钢骨架一般不承担承台混凝土的压力。 
  内支撑主要是承受抽水后的水压力,也可兼做工作平台的支撑。支吊系统主要由吊杆、定位钢管桩、扁担型桩垫、贝雷梁、千斤顶、扁担梁等组成。 
  支吊系统主要承担结构自重、封底混凝土浮重(减去浮力)等荷载,对于本工程钢管桩在桩基施工时还要兼作钻孔平台的支腿,承担钻机施工时的荷载,同时还要承担潮水时的水流冲击力,故还必须验算抵抗潮水时的水流冲击的稳定性。 
  封底混凝土的作用:一是作平衡重主体;二是防水渗漏;三是抵抗水浮力在吊箱底部形成的弯曲应力;四是作为承台的承重底模。从理论上讲达到设计强度的封底混凝土与底模一起承担承台混凝土的重量,其重量的一部分通过封底混凝土与钢护筒间的粘结力将其传到地基,另一部分通过底模及吊箱支吊系统传到地基。但实际上底模及吊箱支吊系统的刚度远小于封底混凝土的刚度,承台混凝土的重量基本上由封底混凝土承担并将其传到地基。所以还必须验算封底混凝土与钢护筒的粘结力,是否能承担承台混凝土的重量。封底混凝土与钢护筒的粘结力同时还是抵抗吊箱抽水后的浮力的主体之一。此粘结力主要由混凝土与钢护筒间的摩擦力和胶结力组成,故此粘结力受封底混凝土的浇筑质量影响较大。可见封底混凝土的灌注是吊箱围堰施工成败的关键之一。 
  2.3结构构造 
  之江大桥4、5号主墩承台施工中,所用的单壁钢吊箱围堰的结构见图1。 
  图1 吊箱构造图 
  3 结构计算内容 
  3.1计算内容 
  单壁钢吊箱的结构尺寸拟定后,根据吊箱施工工作时段及设计受力状态条件,应对以下工况分析计算。 
  (1)吊箱拼装下沉计算; 
  (2)吊箱结构设计计算; 
  (3)封底混凝土施工阶段计算; 
  (4)抽水后吊箱止浮计算。 
  (5)承台施工阶段。   3.2计算工况 
  综合工况条件分析和计算内容,钢吊箱各部分在最不利受力工况下计算工作如下。 
  (1)底板主要承受封底混凝土恒载和吊箱静载,最不利受力计算有两个工况:工况一:底板在下沉过程中,吊箱内外水压力平衡,故底板仅受到吊箱侧板自重的力;工况二:底板下沉至设计位置后,进行水下封底,此时吊箱底板承受吊箱自重荷载及封底混凝土压力;综上,底板计算以工况二为控制工况进行计算;荷载组合:竖向:吊箱自重+封底混凝土重+浮力竖向。 
  (2)侧板计算有两个工况:工况一为:吊箱下沉完毕未进行封底前计算;此时吊箱内外由于连通管将内外水压平衡,吊箱一侧承载涌潮压力;工况二为:吊箱封底完毕抽水,此时最大荷载为一侧涌潮压力和全断面静水压力;对比采取工况二为控制工况进行计算。 
  ①涌潮压力:32.8KPa,涌潮高度1.9m。在河床标高处减小为零。涌潮为一侧受力; 
  ②结构自重:模型中计入; 
  ③静水压:10Kpa/m;静水压力计算按20年一遇最高设计水位+7.9m计算。P静=γH. 
  (3)内支撑系统与吊箱侧板计算相关,所以在侧板计算的同时完成内支撑的验算。 
  (4)吊箱支吊系统和底板一样,以承受竖向荷载为主,受力计算亦与底板计算一起完成。 
  (5)吊箱滑移入水阶段除验算吊箱底板和侧板外,还要通过计算结果确定滑移设备。通过分析本工程吊箱滑移入水阶段为非控制阶段,故此阶段可不验算。 
  (6)吊箱拼装下沉阶段主要与吊箱静载有关,以竖向荷载为主,以整体起吊下沉为最不利进行控制计算;并以此计算结果设计吊点、吊具及选择安装设备。 
  (7)封底混凝土强度验算,验算分两阶段进行。①吊箱内抽完水后浇筑承台混凝土前;竖向:吊箱自重+封底混凝土重+浮力+封底混凝土与钢护筒间粘结力。②浇筑完承台混凝土后且在混凝土初凝前;验算封底混凝土周边悬臂时及中间混凝土的拉应力和剪应力。竖向:吊箱自重+封底混凝土重+浮力+封底混凝土与钢护筒间粘结力+承台混凝土重量。 
  4 施工工艺流程及施工方法 
  因承台位于水中,承台施工时采用有底吊箱围堰,吊箱围堰的几何尺寸与承台外围设计尺寸一致,计算吊箱高度为10.9m,底标高为-3m,顶标高为+7.9m(20年一遇洪水位);混凝土封底厚度为1.5m。施工时吊挂在工作平台上,待吊箱下沉至设计标高时,将底板与护筒的间隙堵好,浇筑封底混凝土,在浇筑过程中采取有效措施,保持围堰内外水头一致。抽干围堰内水,绑扎钢筋,浇筑承台混凝土。 
  4.1吊箱结构 
  (1)吊箱整体尺寸 
  ①考虑施工5cm的误差,吊箱面板平面尺寸为直径19.75m的圆型; 
  ②吊箱底标高-3.83m(包含0.83m吊箱底板厚度),吊箱底板面标高为-3m。吊箱顶部标高为+8.0m;(20年一遇洪水位为+7.9m)。 
  ③吊箱侧板纵向两节,第一节从-3m至+6.6m,长度为9.6m,第二节为1.4m的防浪板;总长度为11m;吊箱横向分为8块,每块内板方向弧长为7.8m;分块平面图见下图2。 
  图2 吊箱分块构造图 
  (2)吊箱结构 
  ①壁板: 
  A:面板为δ6钢板; 
  B:肋板竖向采用L75X6与-80x8交错布置;间距为25cm;横向采用-100x6钢板; 
  C:桁架横向使用L75X6的水平斜撑,将内外两道宽度为30cm的δ6环向钢板连接成横向的桁架, 
  D:桁架竖向使用L75X6的竖向斜撑,将内外两道L75X6的竖向角钢连接成竖向的桁架, 
  E:在连接处使用L100X10角钢连接; 
  F:在支撑的位置设置竖向钢箱;钢箱钢板采用δ10mm厚钢板;内部加肋板与外部环向钢板间距相同; 
  ②底板: 
  A:主梁采用双肢H600x200; 
  B:主梁上方布置工25分配梁; 
  C:30cmx30cmφ8肋、δ6面板组合成的模板底板布置在工25上方。在护筒周围留出10cm间隙; 
  ③内支撑: 
  内支撑设置两道,根据承台浇注两次次成型施工,将内支撑标高设置为+3.9m和为+1.65m;支撑材料选取φ600x10钢管; 
  ④悬吊系统:采用贝雷做为悬吊梁,内侧使用28根φ32精轧螺纹钢吊杆。吊箱底板承重梁布置图见下图3; 
  图.3吊箱底板承重梁布置图 
  4.2吊箱拼装 
  (1)吊箱的拼装在原桩基施工的平台上进行。吊箱的部件用运输船运至施工平台上,并按定位标记吊放就位及固定,在相邻箱壁部件吊放时,应事先放入止水橡胶条。 
  (2)吊箱箱壁组装完成后,进行安装下端限位。由于下端限位不设围檩,因此,下端限位与箱壁的连接点应设在有箱壁的纵横梁处,并用钢板作衬垫。下端限位与桩基的钢护筒应保持留有2cm的间隙。 
  (3)安装支撑处钢围檩前,应在箱壁上有纵横梁处焊上牛腿,牛腿焊接时应保持标高位置不变,平面内可作适当移动,牛腿焊接结束后,进行钢围檩的安装。吊箱周边钢围檩连接时,应保证钢围檩与箱壁密贴,钢围檩连成矩形后,再进行角撑的焊接。 
  (4)钢围檩安装完成后,安装2根钢支撑,钢支撑采用I40号工字钢,安装钢支撑时应将钢支撑与钢围檩,用钢楔形块顶紧,并牢固固定,防止吊箱在起吊、下沉过程中钢支撑脱落。主墩拼装平台型钢图下4。 
  图4 主墩拼装平台型钢 
  4.3吊箱就位 
  (1)拼装完成后进行钢吊箱的整体下沉。设置围堰悬吊下沉系统,。 
  (2)在主护筒顶部+9.0米标高处搭设贝雷分配梁,以便设置螺旋千斤顶下放系统,   (3)在护筒上搭设一层H50型钢贝雷,并在型钢上再搭设贝雷,将螺旋千斤顶放置在贝雷上顶部放置型钢,做为吊杆的锚固点。下沉时转换贝雷上下型钢上的吊杆锚点,使用螺旋千斤顶将吊箱缓慢下放至设计标高,吊箱的轴线、标高检查合格后,将吊箱用型钢与支撑架、上横梁焊接起来,吊箱即定位。 
  4.4吊箱封底 
  (1)封底混凝土的灌注是吊箱围堰施工成败的关键之一。为防形成夹层与冷缝,确保封底的成功,一般都采用泵送混凝土多根导管多点快速灌注。导管直径选用250mm,为拆卸方便,导管长度分别为1.0m、1.5m、2m、3.8m的不等节段,封底净面积为259�,根据混凝土的流动半径,确定导管布设18根导管。布置见图5所示。 
  图5 封底混凝土浇筑点分布示意 
  (2)灌注平台设计为上、下两层,用贝雷桁架与型钢直接在套箱顶拼装,上层设置移动式集料斗和提升导管的卷扬机等,下层平台布设投混凝土漏斗与导管。 
  (3)混凝土配合比的控制。 
  混凝土的配合比按照和易性好、流动度大、坍落度损失小、初凝时间长、灌注中不易离析泌水的技术要求进行试验确定。但是套箱封底混凝土开始浇筑时与浇筑终止前,应做适当调整。即灌注开始时,为保证导管的埋深,防止导管脱空翻浆,流动度可适当减小一些,封底混凝土灌注接近设计顶面标高前,要适当加大坍落度,以减小混凝土流动坡度,使封底混凝土面较为平整。 
  (4)水下封底混凝土灌注施工要点。 
  ①因套箱封底混凝土的面积较大,同时受拌和设备生产能力与导管灌注间隔时间的限制,为了确保封底混凝土的施工质量与安全,封底混凝土宜采取单向在斜面逐渐推进的灌注方法。 
  ②混凝土开始灌注时,要严格控制每一根导管位置的灌注量。一般灌注过程中,每根导管灌注量应认真记录,同时用测锤密点检测,及时掌握每根导管灌注处中心混凝土面高度和混凝土的扩散部位及其标高,以便及时调整各个导管混凝土的灌注量,控制导管埋深。 
  ③导管最小埋入深度不得小于0.6m。 
  ④封底混凝土达到设计标高时,必须认真进行加密复测,并对标高偏低的部分进行补浇,但应考虑导管内存料数量,以免造成混凝土面超高。导管应在复测、补浇后拆除。 
  ⑤当水下封底混凝土达到设计强度后,开始排水作业,同时应观测吊箱的变形。抽完水后的套箱可实现承台的干施工,钢筋绑扎与混凝土施工就可以按照常规承台施工方法进行。 
  5 结语 
  之江大桥4~6墩基础承台为深水高桩大体积圆形承台,施工难度大,结合实际情况,施工采用单壁钢吊箱围堰进行设计施工,取得了显著成效。 
  (1)速度快,节省工期:围堰从拼装到封底共用39d,比常规方法缩短了10d. 
  (2)质量优:因吊箱围堰结构设计合理,定位准确,无渗漏现象。 
  (3)效益好:因单壁钢吊箱结构设计合理,节约了数十吨钢材。 
  参考文献: 
  [1]JTJ041-2000,公路桥涵施工技术规范[S]. 
  [2]GB50010-2002,混凝土结构设计规范[S]. 
  [3]JTJ025-86,公路桥涵钢结构及木结构设计规范[S]. 
  [4]刘自明.桥梁深水基础[M].北京:人民交通出版社,2003.

       原文地址:http://www.xzbu.com/1/view-5678171.htm

 

师资力量 / Teacher
发布时间: 2018 - 09 - 27
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