東海大橋套箱計(jì)算分析論文

1、第四次全國城市橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集2003.11上海東海大橋70m 跨非通航孔橋梁 混凝土承臺套箱施工期安全模擬分析黃向平 莫景逸（交通部第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院，上海200032）摘要：東海大橋采用套箱法施工橋梁承臺，因海上施工條件惡劣，施工中的承臺套箱除受自身荷載作用下還將受到波浪和水流的共同作用。本文重點(diǎn)介紹對橋梁承臺的混凝土套箱施工過程中的安全性分析和設(shè)計(jì)思路。關(guān)鍵詞：承臺套箱 施工安全性分析 波浪1前言東海大橋是舉世矚目的上海國際航運(yùn)中心洋山深水港區(qū)最主要的工程之一，大橋從蘆潮港開始至洋山深水港區(qū)，總長度達(dá)31.053km ，工程規(guī)模巨大。大橋所處海區(qū)海況惡劣，一年中海上安裝工程有效作業(yè)

2、天數(shù)為180天, 可供混凝土澆筑的天數(shù)也僅為240天。整座大橋從2002年8月開始施工，需在2005年底竣工完成。大橋施工工期緊，跨海段橋梁共需海上施工非通航孔橋梁承臺共584個(gè)，為了提高施工速度和保證施工安全，經(jīng)論證研究決定除主副通航孔采用鋼套箱施工承臺外，非通航孔橋梁的584個(gè)承臺均采用陸上工廠預(yù)制混凝土套箱，將其船運(yùn)至現(xiàn)場后，利用大型浮吊吊裝放在樁上，澆完封底混凝土形成整體后再澆筑承臺混凝土的施工工藝。非通航孔橋梁跨徑有50米、60米、70米三種，其中50米、60米、70米跨的低墩均為圓形承臺，60米、70米跨的中高墩為長方形承臺。60米、70米圓形承臺有直徑10米和11米兩種，樁基又分

3、為鋼樁和混凝土樁，因此套箱種類較多。圖1 套箱有限元模型圖2東海大橋完全位于外海區(qū)，受臺風(fēng)影響大，風(fēng)浪和海流流速均較大，且受潮水漲落的影響。在這樣的條件下進(jìn)行如此大規(guī)模的橋梁承臺施工，國內(nèi)還沒有先例，因此，需對各種形狀的套箱在各施工階段作模擬分析，以探索出海上套箱設(shè)計(jì)思路與施工方法，確保橋梁的迅速安全施工。2套箱構(gòu)造以70米跨徑的橋梁承臺套箱為例，直徑為11米，承臺內(nèi)布置8根鋼樁，空間有限元模型見圖1。套箱中間處設(shè)置鋼扁擔(dān)（見圖2和圖4），并支撐在樁上，套箱底部采用鋼底梁（見圖3）結(jié)合鋼吊桿來承受澆筑混凝土的重量。套箱吊裝時(shí)吊點(diǎn)設(shè)在鋼扁擔(dān)上。套箱擱到樁上時(shí)，鋼扁擔(dān)擱置在樁頂。在樁間的鋼扁擔(dān)與鋼

4、底梁設(shè)吊桿以減小底梁跨徑，每個(gè)套箱內(nèi)設(shè)置17根32的鋼吊桿。 3 套箱計(jì)算與分析 圖2 鋼扁擔(dān)布置圖圖3 鋼底梁布置圖圖4套箱A-A 剖面示意圖33.1套箱計(jì)算原則與目的(1 采用彈性小變形理論，用有限元方法計(jì)算套箱空間結(jié)構(gòu)。(2 混凝土套箱壁將作為混凝土承臺的一部分，其抗裂和防腐要達(dá)到承臺的要求。 (3 驗(yàn)證該受力體系是否合理，安全。(4 根據(jù)計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)封底混凝土是否需要配筋，如何配筋。(5 求各施工階段的受力特點(diǎn)，以便施工時(shí)避開不利階段，尋求安全、合理、快速的施工組織方式。3.2套箱計(jì)算所采用的基礎(chǔ)資料和主要荷載 3.2.1基礎(chǔ)資料 施工期水位：1.86m 設(shè)計(jì)高水位：2.48m 設(shè)計(jì)低

5、水位：0.0m 泥面高程：-11m水流垂線平均流速：1.77m/ s以上水位、泥面高程均以國家85高程為基準(zhǔn)面。 五年一遇波要素見右表：從開始安裝套箱到施工完承臺只需經(jīng)歷幾十天時(shí)間，取過大的波浪可能造成套箱設(shè)計(jì)上的浪費(fèi)，過小的波浪則無法滿足施工安全，因此采用五年一遇的波浪較為合適。波流力按照海港水文規(guī)范有關(guān)計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。 3.2.2主要單項(xiàng)荷載見表2。3.3施工條件與計(jì)算工況的荷載組合套箱吊裝、安放需選擇較好的天氣，在波浪不大，低潮位的時(shí)候進(jìn)行。因此吊裝、安放兩階段僅考慮套箱自重。考慮到海上自然條件較差，受風(fēng)浪、流、潮水影響大，不一定都能及時(shí)當(dāng)天澆完封底混凝土，這樣未澆封底混凝土的套箱就要

6、經(jīng)受風(fēng)浪荷載的考驗(yàn)。澆完封底混凝土到封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度這段時(shí)間，封底混凝土作為荷載，暴露在海上有一定的時(shí)間段。此時(shí)結(jié)構(gòu)是否能承受得了大浪，是否會(huì)影響封底混凝土的凝結(jié)質(zhì)量，是計(jì)算的關(guān)鍵。 4封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，拆除鋼扁擔(dān)和吊桿，封底混凝土作為結(jié)構(gòu)的一部分計(jì)算。封底完成后需抽水，因此這兩個(gè)階段的計(jì)算都需考慮靜水浮力。靜水浮力和波浪浮托力的疊加可能控制底板的配筋。表是各計(jì)算工況的荷載組合表。 3.4結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果及分析對于套箱的每一部件，其最不利荷載是不同的；對于每一部件的不同內(nèi)力，比如封底混凝土的Mx 、My ，其最不利荷載是不同的。因此對于可能出現(xiàn)的各種工況都要計(jì)算，以獲得每部件最不利受力

7、階段的最不利荷載下的受力。 3.4.1 套箱壁計(jì)算結(jié)果 由表4可知，套箱壁的受力最不利狀態(tài)發(fā)生在計(jì)算工況五，波浪水平力作用時(shí)，套箱壁成為偏心受拉構(gòu)件或偏心受壓構(gòu)件，環(huán)向軸力和豎向軸力都較大，須配足夠的環(huán)向筋和豎向筋滿足其強(qiáng)度和剛度要求。彎矩相對于軸力較小，表現(xiàn)為迎浪側(cè)外壁受壓，內(nèi)壁受拉；5相反的一側(cè)則外壁受拉，內(nèi)壁受壓。套箱壁的彎矩最大值發(fā)生在鋼扁擔(dān)支撐部位，因此該部分的套箱壁加厚以承受較大的彎矩，使整個(gè)套箱壁受力為小偏心受拉或偏心受壓。封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，套箱的剛度大幅度提高，套箱的內(nèi)力減少。 3.4.2鋼扁擔(dān)、鋼底梁計(jì)算結(jié)果 由表5可知，工況五中鋼扁擔(dān)和鋼底梁的受力最不利，此工況的受

8、力控制鋼扁擔(dān)鋼底梁的截面設(shè)計(jì)。階段五以后鋼扁擔(dān)已拆掉，鋼底梁澆到混凝土中，不再作為獨(dú)立的構(gòu)件受力，因此表中不列出其受力結(jié)果。若封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后未拆鋼扁擔(dān)的工況也作過計(jì)算，整個(gè)套箱具有一定的剛度，鋼扁擔(dān)的變形較小，故在保證封底和樁的有效傳力的前提下，可拆除鋼扁擔(dān)，加快施工進(jìn)度。 3.4.3封底混凝土板計(jì)算結(jié)果由表6可知：計(jì)算工況六和計(jì)算工況八封底混凝土板中的My 值遠(yuǎn)大于計(jì)算工況七，這說明豎向荷載在底板引起的彎矩遠(yuǎn)小于水平荷載，這和套箱的特征有關(guān)。這種條件下，波浪荷載決定底板的受力，一次性澆筑承臺混凝土對底板來講是可能的。封底在承臺混凝土荷載作用下，在應(yīng)力圖上表現(xiàn)為樁周頂部受拉，跨中底部

9、受拉；在波浪作用下，樁周一側(cè)頂部受拉，另一側(cè)底部受拉。實(shí)際上波浪可能來自各個(gè)方向，所以在加強(qiáng)混凝土配筋時(shí)，應(yīng)著重考慮在樁周各向配筋，加強(qiáng)鋼筋以圓環(huán)柱體狀的鋼筋籠為最佳，但施工難度較大。若采用鋼筋網(wǎng)片的配筋形式，應(yīng)盡量設(shè)置多向受力筋，以接近環(huán)向受力狀態(tài)。 3.3.4樁基計(jì)算結(jié)果由表7可知：若未澆筑封底混凝就遇上大浪，樁頂彎矩和位移最大，此階段對樁不利，若為混凝土樁，需驗(yàn)算樁的抗裂性。套箱與承臺相比，承受同樣的水平力，但豎向力承臺小得多， 因此彎矩較大， 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮這個(gè)施工階段的樁的受力是否超過使用階段的受力。 使用套箱法施工承臺時(shí)，樁基設(shè)計(jì)需考慮因套箱吊放可能造成樁基變形而引起的永久內(nèi)力 因素

10、。 表 7 各工況下樁基內(nèi)力結(jié)果 計(jì)算工況 Nmax (KN 三 四 五 六 七 1438 140 1762 1069 606 Mmax (KN.m 1262 45 1241 548 64 max (m -0.028 0.122e-3 -0.028 -0.008 0.126e-3 max (m -0.002 0.121e-3 -0.002 -0.65e-3 0.129e-3 max (m -0.0036 -0.97e-3 -0.0036 -0.44e-3 -0.535e-3 八 1315 545 -0.008 -0.61e-3 -0.63e-3 4 套箱設(shè)計(jì)考慮事項(xiàng) （1）樁與底板的連接 承臺

11、的重量通過底板傳遞到樁上，計(jì)算中偏安全地假定樁與底板之間的連接為鉸接。 施工要采取一定措施保證樁與底板力的有效傳遞。封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)前，可采取鋼底梁 與樁焊接或加抱箍等措施，封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)后，可在封底混凝土中配筋保證樁與底板 的連接?？筛鶕?jù)不同的樁型采取不同措施，直樁應(yīng)采取更多的措施因?yàn)橹睒稑吨軐⒊惺芎?大的剪力，必須通過配筋，既要保證力的有效傳遞又要保證樁周混凝土不被剪壞；對于斜 樁，這部分力除了剪力還有斜樁的彈力支承比直樁安全。 （）波浪 東海大橋之所以與其他在大江內(nèi)的橋梁不同，因?yàn)樗诤Ｉ稀＿x用合適的設(shè)計(jì)波浪對 整個(gè)套箱結(jié)構(gòu)起決定性的作用。波浪對套箱的作用分為作用在套箱壁的水平力和

12、作用在底 板的浮托力。澆筑混凝土之前，底板受到浮托力的作用，對底板不利，對套箱壁則因?yàn)橛?鋼扁擔(dān)傳遞水平力，整個(gè)套箱壁共同受水平力。澆筑混凝土之后，浮托力與混凝土的重量 部分抵消，對底板反而有利，此時(shí)套箱的底板有一定剛度，基本上由迎浪面那部分套箱壁 承受水平力。水平力決定著套箱壁的受力，浮托力決定底板及底梁的設(shè)計(jì)。 （）剛度 套箱為混凝土薄殼結(jié)構(gòu)，不能承受較大的變形，但其控制荷載為水平力，因此套箱結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)和施工組織的思路都應(yīng)該從剛度出發(fā)。 東海大橋的圓套箱高度 4.5 米， 均在 3.0 米處 設(shè)鋼扁擔(dān)。鋼扁擔(dān)不僅承擔(dān)傳遞豎向力的使命，同時(shí)是套箱在 3.0 米處的強(qiáng)大的支撐，傳 遞水平力，使

13、整個(gè)套箱在波浪水平力作用下受力均勻，避免套箱壁有過大的位移。作為薄 殼結(jié)構(gòu)，在橫向力作用下，殼內(nèi)應(yīng)力表現(xiàn)為膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力兩種，內(nèi)力表現(xiàn)為軸力和彎 矩兩種。 6 5 套箱施工中注意事項(xiàng) (1 套箱起吊并將樁套入后，應(yīng)馬上對所有的樁基進(jìn)行臨時(shí)固定，使其成為一個(gè)整體框架， 以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以避免在套箱擱置時(shí)，樁內(nèi)就產(chǎn)生過大的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。當(dāng)確認(rèn)樁基已 固定后，方可將套箱安放在樁上，使樁受力。 (2 由于底板開孔原因，鋼底板上的次梁均斷開，為保證底板結(jié)構(gòu)剛度，在套箱安放后， 應(yīng)考慮在每個(gè)樁上設(shè)置抱箍，并與鋼底板的次梁進(jìn)行聯(lián)結(jié)，抱箍應(yīng)與樁夾緊，以改善這部 分鋼底板上的受力，也可改善樁與鋼底板之間力的可

14、靠傳遞。 (3 原則上在套箱安裝就位后，應(yīng)抓緊完成各種鋼結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)，塞縫，排水，并預(yù)埋底板鋼 筋、吊筋與預(yù)埋件后，盡快澆筑封底砼，以使橋墩基礎(chǔ)及早成為整體，以抵抗可能發(fā)生的 較大波浪荷載，并應(yīng)避免空箱情況下承受較大波浪荷載的情況，確保工程安全。 (4 東海大橋在海洋中，鋼樁經(jīng)過防腐，因此不能在鋼樁上焊接型鋼，以免成為銹蝕通道。 封底混凝土與鋼樁的連接必須采取其他措施，可通過在樁頂設(shè)置小扁擔(dān)，通過角鋼將作用 在封底混凝土的部分力傳至樁上，增加結(jié)構(gòu)施工過程的安全度。 (5 承臺混凝土小則二百多立方，大則一千多立方。大體積混凝土的水化不僅對承臺混凝 土自身的質(zhì)量有影響，同時(shí)可能會(huì)造成套箱內(nèi)外壁受熱不均，產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。因此 有條件的情況，