淺述單壁鋼套箱在深水承臺(tái)施工中的應(yīng)用

1、淺述單壁鋼套箱在深水承臺(tái)施工中的應(yīng)用(中鐵i 五局集團(tuán)有限公司，上海200070)摘要：我就江西省撫州至吉安高速公路全線控制性工程吉水贛江特大橋主橋深水 承臺(tái)設(shè)計(jì)施工過程，詳細(xì)闡述單壁鋼套箱的選型、建模驗(yàn)算、效果評(píng)價(jià)等，為類 似工程施工提供借鑒作用。關(guān)鍵詞：?jiǎn)伪阡撎紫?；深水承臺(tái)；施工；應(yīng)用刖g隨著國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)大發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入規(guī)模日趨增大，但同時(shí)對(duì) 其社會(huì)價(jià)值要求也越來越高，要求性價(jià)比高的產(chǎn)品。1工程概述1.1橋位、地形地貌吉水贛江特大橋東側(cè)橋臺(tái)位于吉安市吉水縣肖家村，西側(cè)橋臺(tái)位于吉安 市吉州區(qū)文石村南側(cè)100m處，位于吉安市下游15km處。是主跨贛江及105國(guó) 道而擬建的一座特大橋，中

2、心樁號(hào)為k169+121m,全長(zhǎng)2019m。橋跨布置為： 主橋采用(65+2*100+65)m預(yù)應(yīng)力碗變截面連續(xù)梁，引橋采用三個(gè)(4×40) m和六個(gè)(5×40) m 聯(lián)的先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力碗t梁，跨越贛江與105 國(guó)道。橋區(qū)位于贛江沖洪積平原區(qū)，地形起伏較大，地層結(jié)構(gòu)及巖性復(fù)雜，基 巖面起伏大，橋區(qū)揭露到紅層軟弱夾層及石炭系煤層(東側(cè)橋臺(tái))，且橋區(qū)發(fā)育 有贛江大斷裂，對(duì)該橋下伏地層影響大，東側(cè)橋臺(tái)處邊坡坡度較大，相對(duì)高差 24.0m左右，自然邊坡穩(wěn)定，局部為人工挖掘承陡坡狀，基巖裸露，零星見人工 采煤點(diǎn)，第四系覆蓋層厚度隨地形變化，植被較發(fā)育，附近有滑

3、塌現(xiàn)象。橋臺(tái)位 于人工挖掘陡坎處，表面主要揭露為石炭系砂巖，巖休破碎，施工時(shí)受人工擾動(dòng) 易引起坍塌，從而導(dǎo)致誘發(fā)性邊坡失穩(wěn)。故橋位區(qū)的工程地質(zhì)條件屬?gòu)?fù)雜類型。 地面高程51.078.0m,江心洲植被發(fā)育，地面高程48.5m,東水面為207m«西 水面650m c1.2技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)橋面寬度29.5m,其橫斷面組成：0.25m （欄桿）+1.5m （人行道）+0.5m（防撞墻）+11.65m （行車道）+0.5m （防撞墻）+0.7m （中央分隔帶）+0.5m （防 撞墻）+11.65m （行車道）+0.5m （防撞墻）+1.5m （人行道）+0.25m （欄桿）。 本橋共有46個(gè)墩臺(tái)，主橋

4、主墩（29#31#）采用厚3.0m實(shí)體墩，引橋過渡墩（28#、 32#）采用厚2.5m實(shí)體墩，其他引橋墩（1#27#、33#45#）均采用雙柱式墩， 基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，0#、46#橋臺(tái)均采用柱式橋臺(tái)。其中8#33#墩位于 贛江河床內(nèi)，其它各墩臺(tái)位于贛江兩側(cè)河岸上，28#32#墩位于河道中，為設(shè)計(jì) 通航的主墩，每個(gè)橋墩設(shè)4根分別為φ2.0m與φ2.5m的鉆孔灌注樁基礎(chǔ), 2×2縱橫向布置，每排樁中心間距為6.3m,承臺(tái)尺寸為8.7m×9.2m×3m 與 10.5m×10.5m&a

5、mp;times;4mo橫坡：行車道范圍內(nèi)為±2%；人行車道范圍內(nèi)為1%。設(shè)計(jì)洪水頻率：1/300；設(shè)計(jì)水位:53.37m, lw=42.8mo地震：地震動(dòng)峰值加速度為0.05g,即地震基本烈度值vi度，按vii抗 震措施設(shè)防；通航標(biāo)準(zhǔn)及凈空要求:通航等級(jí)111 （3）級(jí)，通航凈空為50×10m, 兩孔通航，通航水位：49.6m。防撞荷載：橫橋向撞擊作用標(biāo)準(zhǔn)值為800kn,順橋向撞擊作用標(biāo)準(zhǔn)值為 650kno荷載等級(jí)：公路一i級(jí)。2鋼套箱設(shè)計(jì)概述29#、30#、31#橋墩基礎(chǔ)承臺(tái)設(shè)計(jì)尺寸 10.5×10.5×4.

6、0m, 承臺(tái)頂面標(biāo)咼43.0m,承臺(tái)底面標(biāo)咼39.0m；目前江水面標(biāo)咼在40.040.5m之 間，經(jīng)調(diào)查在10月份以后水位基本維持在39.541.5m之間，如果上游萬安水 庫(kù)截流與蓄水，水位會(huì)繼續(xù)下降到39.50m以下。河床面標(biāo)高經(jīng)地質(zhì)資料查看 為:28#墩38.065m,水深約 2.435m； 29#墩37.885m,水深約 2.615m； 30#墩36.745m, 水深約 3.755m； 31 #墩 36.705m,水深約 3.795m； 32# 墩 38.397m,水深 2.103m。 粗砂層底標(biāo)高及厚度：28#墩35.415m>厚2.65m, 29#墩標(biāo)高34.508m、厚 33

7、77m,30#墩標(biāo)高 33.095m> m 3.65m, 31# 墩標(biāo)高 33.055m、厚 3.65m, 32# 墩標(biāo)咼 34.747m> 厚 3.65mo考慮到水的壓力減少，因此29#、30# > 31#橋墩承臺(tái)鋼套箱采用單 壁，以降低施工成本。面板采用mm鋼板，橫向加肋采用12#槽鋼間距40 cm,槽 鋼豎向外加肋為18#工字鋼間距60 cm,吊環(huán)處1根18#工安鋼，每邊外再加橫 向支撐體系18#工字鋼7根進(jìn)行整體閉合，鋼套箱單壁厚32 cm (不計(jì)算外側(cè)環(huán) 形加固7根18#工字鋼)+環(huán)形18#工字鋼=50cm,平面尺寸內(nèi)側(cè) 10.5×10.5mo鋼

8、套箱以30#墩的地質(zhì)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，假定入砂深度(穿過粗 砂層)2.53.65m,因此套箱高度按10.5m設(shè)計(jì)(包括刃腳加強(qiáng)段50 cm,刃腳總高 1.9m),高出承臺(tái)頂面0.51.50m (高出部分主要視沉入砂層的深度確定)。安裝 吋內(nèi)腔采用2 i 20片工字鋼對(duì)稱斜撐，具體詳見單壁鋼套箱設(shè)計(jì)圖圖lo3套箱加工(1) 單壁鋼套箱在加工場(chǎng)地進(jìn)行加工，分2節(jié)加工，第1節(jié)高6m帶 刃腳，刃腳高l9m,第2節(jié)高45m。每邊分4塊制作，第1節(jié)每塊6×5.25m, 第2節(jié)每塊4.5×5.25m,直接當(dāng)承臺(tái)模板使用。承臺(tái)四角設(shè)計(jì)為:loo cm半 徑圓角，因套箱圓角不

9、便加工與安裝，只能加工成直角，所以承臺(tái)為直角。加工 吋根據(jù)起重設(shè)備，套箱可分2m高1節(jié)加工共分5節(jié)，最上1節(jié)2.5m,刃腳段 可單獨(dú)加工，橫向接縫除螺栓連接外全部焊接，所有肋板必須焊接牢固。(2) 套箱面板厚8 mm鋼板，面板上肋板為12#槽鋼，間距40 cm,與 鋼板焊接；12#槽鋼上豎向分布18#工字鋼，間距60cm；(3) 現(xiàn)場(chǎng)套箱拼裝后，在18#工字鋼上橫向每面環(huán)形分布7根18#工 字鋼，并在轉(zhuǎn)角處焊接，做為支撐加強(qiáng)梁。(4) 每塊連接采用100×12 mm等邊角鋼，采用020mm高強(qiáng)螺栓, 間距25cm,螺栓孔采用機(jī)床鉆孔，連接面采用10 nmi厚橡膠止水帶，以保

10、證接縫 密貼不漏水。(5) 刃腳總高1.9m,斜腳高0.5m,在刃腳上部1.4m采用12#槽鋼加 肋，斜腳0.5m采用8 mm鋼板加強(qiáng)。4鋼套箱安裝(1) 橋墩樁基施工先施工左幅，待橋墩左幅樁基栓灌注完成后，就將 左幅鋼平臺(tái)拆除。保留外邊鋼管樁，做為套箱外部支撐與施工平臺(tái)。(2) 在平臺(tái)拆除前為便于施工，先在鋼護(hù)筒側(cè)面上焊接36b#工字鋼， 水平長(zhǎng)1.785m, 20b工字鋼斜長(zhǎng)1.601m,工字鋼上焊接12#槽鋼做套箱限器, 同時(shí)鋪設(shè)40b工字鋼形成套箱安裝平臺(tái)，8個(gè)牛腿頂面必須在同一水平面。(3) 在牛腿套箱限位器外側(cè)鋪設(shè)40b工字鋼做定位平臺(tái)與操作臺(tái)。(4) 每片套箱在加工場(chǎng)地加工好后，

11、用吊車裝到船上，運(yùn)到橋墩位置， 采用水上施工設(shè)備(駁船、機(jī)動(dòng)船、吊車或浮吊等)吊到安裝平臺(tái)上固定。兩片 一連接，待4片連接完成后，并檢查各聯(lián)接部件有無質(zhì)量問題，套箱支撐采用2 根25#工字鋼十字交叉對(duì)稱支撐加固，視情況必要吋在四角進(jìn)行斜向支撐加固, 確保合格后才能拆除安裝平臺(tái)。(5) 在4個(gè)鋼護(hù)筒頂部安裝2組貝雷片，在貝雷片上安裝2根40a工 字鋼，做為起吊下放套箱的支點(diǎn)。(6) 由于套箱做為承臺(tái)模板，因此要求下沉位置必須精確定位，進(jìn)行 調(diào)整到設(shè)計(jì)位置緩慢下沉，并通過鋼護(hù)筒進(jìn)行糾偏調(diào)整加固。(7) 套箱穿過粗砂層，因自重不能穿過時(shí)，則采取箱內(nèi)吸砂的辦法進(jìn) 行下沉到既定位置。穿過粗砂層起到隔水的

12、作用，便于箱內(nèi)抽水及栓封底。下沉 前對(duì)河床底進(jìn)行探查，看河床底是否平整與有無漂石或其他障礙物，當(dāng)有漂石或 其他障礙物時(shí)，則清除后才能下沉鋼套箱。第二節(jié)在第一節(jié)上接高拼裝。5栓封底(1) 河床頂面標(biāo)高：29#墩 37.885m,30#墩 36.745m, 31#墩 36.705m, 承臺(tái)底面標(biāo)高39m,懸空高度分別為：29#墩1.115m, 30#墩2.255m, 31#墩 2.295m。(2) 封底：a.根據(jù)水位情況，在封底卷前試抽套箱內(nèi)的水，查看水位 變化，根據(jù)箱內(nèi)水位變化來確定封底栓的厚度與冋填砂礫的厚度。抽水時(shí)無冒水 現(xiàn)象，并能形成箱內(nèi)與河面水位高差，同吋能抽到承底標(biāo)高以下，直接冋填砂礫

13、 到承臺(tái)標(biāo)高下15cm處，待其自然沉降密實(shí)后將箱內(nèi)水抽出，進(jìn)行封底c20確 15cm至20cm厚做墊層。b當(dāng)抽水吋存在冒水，而水位不下降的情況下，根據(jù)目 前水位情況，擬定29#墩回填砂礫30cm后進(jìn)行封底栓80cm約68.5m3,或直接 封底絵;30#墩冋填砂礫1.5m進(jìn)行封底碇80cm約68.5m3； 31#墩冋填砂礫1.5m 進(jìn)行封底絵80cm約68.5m3。封底彳仝采用2臺(tái)栓泵車同口寸灌注c25水下栓。c. 當(dāng)水位下降到承臺(tái)底39.0m以下吋，直接回填砂礫到38.80m標(biāo)高處進(jìn)行承臺(tái)墊 層施工。(3) 將封底栓鑿平，并鑿到承臺(tái)底設(shè)計(jì)標(biāo)高，并清除栓殘磴，同時(shí)復(fù) 核承臺(tái)底標(biāo)高。鋼套箱拆除(1

14、) 承臺(tái)栓澆筑24小時(shí)后松掉套箱螺栓。(2) 承臺(tái)碗齡期3天后拆除套箱，采用吊車或浮吊與駁船拆除，運(yùn)到 套箱加工場(chǎng)進(jìn)行修整，循環(huán)使用。(3) 套箱拆除時(shí)應(yīng)注意不能硬拉，并防止碰撞承臺(tái)，先拆上部第一節(jié) 4.5m高，拆第二節(jié)下部6.0m時(shí)，可采用吸砂辦法對(duì)套箱根部進(jìn)行吸砂松動(dòng)，便 于拆除。(4) 當(dāng)?shù)诙?jié)不能吊動(dòng)時(shí)，或采取吸砂辦法也不能拆除時(shí)，則采取水 下切割拆除。7鋼套箱結(jié)構(gòu)建模安全性驗(yàn)算7.1計(jì)算模型的建立及參數(shù)的確定如圖2所示為吉水贛江特大橋的鋼套箱的實(shí)際幾何模型，通過對(duì)模型的 簡(jiǎn)化及軟件單元替代可得計(jì)算模型如圖1所示。模型按照鋼套箱實(shí)際尺寸4 1 建模，12#槽鋼與兩塊8mm鋼板構(gòu)成的組合

15、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成80mm厚的鋼板，并釆 用zone單元模擬；豎向加肋18#工字鋼采用beam單元，間距0.6m,橫向支撐 2根25#工字鋼也采用beam單元模擬，整個(gè)鋼套箱計(jì)算模型為高度10.50m.邊長(zhǎng)11.12m的方形結(jié)構(gòu)，模型的邊界條件采用位移邊界條件，鋼套箱底部河床 面標(biāo)高以下添加x、y和z三向自由度約束，河床標(biāo)高面以上無約束。荷載米用 設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁┑撵o水壓力，側(cè)向均布靜水壓力33.64kpa,底板以上采用遞減荷載 至水位線標(biāo)高處。7.2模型的計(jì)算參數(shù)采用鋼套箱實(shí)際的材料參數(shù)鋼板 e=2.10ell, μ=0.3； 25#工字鋼 e=2.10ell, μ二0.3,

16、 a=4850mm2, lx= 5.020e7mm4, ly= 2.80e6mm4； 18#工字鋼 e=2.10ell, μ二0.3, a=3060mm2, lx= 1.660e7mm4, ly= 1.22e6mm4o8計(jì)算結(jié)果分析8.1位移計(jì)算結(jié)果在靜水壓力條件下鋼套箱四周側(cè)壁均有向內(nèi)擠壓變形的趨勢(shì)，最大位移 主要分布在側(cè)面鋼板的中間部位。通過分析還表明水位線以下鋼套箱側(cè)壁內(nèi)鼓位 移普遍較大，而離開水面的懸空板內(nèi)鼓位移總體上相對(duì)較小?？阡撎紫涞奈灰浦?是對(duì)稱分布的，鋼板中間位置往套箱內(nèi)側(cè)位移最大值可達(dá)到3.9mm,而鋼套箱 角點(diǎn)處位移較小，內(nèi)鼓位移幾乎可忽略不計(jì)，由此可見鋼套箱

17、內(nèi)部橫向支撐的作 用較為關(guān)鍵，對(duì)整個(gè)套箱的變形控制起到較大作用。8.2應(yīng)力計(jì)算結(jié)果從軸力的大小上看，四根25#工字鋼的軸力都為74.54kn,換算成型鋼 軸向壓應(yīng)力為15.37mpa,遠(yuǎn)小于鋼材的壓屈強(qiáng)度，橫向支撐處于正常受力狀態(tài)。最小主應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，河床以下嵌固部分及水位線以上鋼套箱側(cè)壁應(yīng)力值普 遍較小，最大壓應(yīng)力值接近0.9mpa,主要分布在水位線以下的鋼套箱四個(gè)角點(diǎn) 處，說明水位線以下鋼套箱角點(diǎn)處出現(xiàn)了局部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，制作過程需重點(diǎn) 關(guān)注，必要時(shí)用角鋼加強(qiáng)。最大主力力計(jì)算云圖，由圖可知最大主應(yīng)力普遍為拉 應(yīng)力，最大值可達(dá)0.6mpa,主要分布在水位線以下鋼套箱每側(cè)鋼板的中間部位，

18、 河床標(biāo)高以下嵌固部分最大主應(yīng)力較小，對(duì)比鋼材拉屈應(yīng)力表明，鋼套箱側(cè)壁中 央在靜水壓力作用下出現(xiàn)局部的受拉變形，但拉應(yīng)力較小，整個(gè)結(jié)構(gòu)處于安全承 載狀態(tài)。通過對(duì)外側(cè)環(huán)向加固梁的彎矩計(jì)算結(jié)果表明，每根梁所受彎矩普遍較小, 最大值20.7kn·m左右，口成對(duì)稱分布，梁中間段均有指向套向內(nèi)側(cè)的位 移，因此中間段梁截面基本為內(nèi)側(cè)受拉外側(cè)受壓，而靠近角點(diǎn)部位則出現(xiàn)內(nèi)側(cè)受 壓外側(cè)受拉現(xiàn)象。對(duì)豎直方向加肋工字鋼的受力分析結(jié)果表明，彎矩值及剪力值 也普遍較小，結(jié)構(gòu)處于安全承載狀態(tài)。9結(jié)語基于大型商業(yè)軟件對(duì)吉水贛江特大橋鋼圍堰結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形的計(jì)算表 明，在目前的水位情況下，鋼套箱總體受力及變形值均較小，處于安全承載狀態(tài)， 可確保整個(gè)橋梁基礎(chǔ)的正常施工。對(duì)鋼套箱的建造過程中提出以下幾點(diǎn)注意事項(xiàng)：(1)套箱內(nèi)橫向支撐的 施做較為關(guān)鍵，若橫向支撐失效很可能導(dǎo)致鋼套箱側(cè)壁產(chǎn)生較人內(nèi)鼓位移，最終