鄧興貴 謝支鋼 張家宇 李澐瓏 唐小兵

（1.宜昌通衢公路建設有限責任公司 宜昌 443100； 2.武漢理工大學交通學院 武漢 430063）

1 工程背景

百歲溪大橋全長368.0 m，設計橋型為95 m＋170 m＋95 m連續(xù)剛構，橋梁全寬10.0 m，1，2號下構主墩采用雙薄壁形式，墩高39 m，主墩承臺尺寸為順橋向12.4 m，橫橋向10.5 m，承臺高4 m，承臺底標高149.2，主墩設置4根直徑2.5 m的鉆孔樁，樁長37 m。三峽庫區(qū)水情特點為：每年的10月初至次年的3月底，庫區(qū)水位在175 m，4月初至9月底，庫區(qū)水位在（175～145～175）m漲落，年度水位變化±30 m，在汛期7月初至8月中旬，庫區(qū)水位在（145～163～145）m，漲落頻繁，日最大漲落3.21 m，月最大漲落約18 m。下構施工采用浮動鉆孔平臺，插打鋼護筒進行樁基施工，利用鋼護筒做鋼吊箱支撐平臺，配合自制的水上浮吊安裝鋼吊箱，采用鋼吊箱施工高樁承臺。

2 吊箱法結構設計

百歲溪鋼吊箱分為單壁和雙壁2種結構，由底板、壁板、內支撐、懸吊及定位等系統(tǒng)組成。

主要結構尺寸為：單壁鋼吊箱長×寬×高為12.5 m×12.5 m×12 m；雙壁鋼吊箱長×寬×高為12.5 m×12.5 m×16.8 m。

2.1 單壁鋼吊箱結構設計

單壁鋼吊箱四角均用L18×18加強角鋼，M22螺栓連接，螺栓連接間距為15 c m。

底板采用δ＝8 mm鋼板，主承重梁采用5組雙肢36 A工字鋼，次梁采用25 A工字鋼，間距100 c m，次梁間用L7.5×5×5角鋼作肋，間距25 c m。

側板采用δ＝8 mm鋼板，豎向采用I18工字鋼作梁，間距100 c m，中間布L7.5×5×5角鋼作肋，間距25 c m。

內撐和圈梁共分4層，均采用2I36 A工字鋼，其中內撐第2～4層設立柱，4層內撐和圈梁其高度分別距離底板4，6.7，9和12 m處。

上吊梁各由4片貝雷梁組成，支撐在護筒上，與護筒接觸處墊20 mm鋼板。

單壁鋼吊箱吊桿共15個吊點，每個吊點1根直徑32 mm精軋螺紋鋼。

2.2 雙壁鋼吊箱結構設計

雙壁鋼吊箱四角均用L18×18加強角鋼，M22螺栓連接，螺栓連接間距為15 c m。

底板采用δ＝8 mm鋼板，主承重梁采用5組雙肢36 A工字鋼，次梁采用25 A工字鋼，主次梁長度14.5 m。

鋼吊箱壁板高16.8 m，厚1 m，分為15 m高的雙壁結構和1.8 m高的單壁結構2部分，坐落于鋼吊箱底板之上。面板肋采用I16工字鋼，按間距1 m進行布置。

雙臂結構分13層，第1，2層高1.0 m，第3～7層高0.8 m，第8～13層均為1.5 m高。每層環(huán)形板均為8 mm鋼板制作。

內撐共分4層，采用2I36 A工字鋼，內撐平面布置與單壁鋼吊箱相同。在與內撐聯接位置的內側板設置3層2I28 A工字鋼的圈梁。

上吊梁各由4片貝雷梁組成，支撐在護筒上，與護筒接觸處墊20 mm鋼板。

單壁鋼吊箱吊桿共15個吊點，每個吊點1根直徑32 mm精軋螺紋鋼。

3 鋼吊箱材料規(guī)格型號參數取值及計算荷載考慮

3.1 鋼吊箱材料規(guī)格型號參數取值

鋼吊箱和混凝土材料規(guī)格型號參數取值分別見表1和表2。

表1 鋼吊箱材料規(guī)格型號參數取值表

表2 混凝土材料相關參數取值

3.2 鋼吊箱計算荷載

（1）鋼吊箱計算荷載［1］。①水平荷載。靜水壓力，流水壓力，封底混凝土側板側壓力；②豎直荷載。吊箱自重，封底混凝土重量，承臺混凝土重量，浮力，封底混凝土與護筒之間的粘結力。

（2）單壁鋼吊箱和雙壁鋼吊箱高分別為12 m和16.8 m，雙壁鋼吊箱外水位距離底板15 m，因此單位面積上的最大靜水壓力分別按12 k N／m2和15 k N／m2計，按線性分布。

（3）封底混凝土按2.0 m加0.5 m調平層計算，側板最大側壓力按29 k N／m2（有水）和49 k N／m2（無水）計算。

（4）封底混凝土容重γ1＝24.5 k N／m3。

（5）水的浮力或重力密度γ＝10 k N／m3。

（6）封底混凝土與護筒之間的粘結力取經驗值150 k N／m2［2］。

（7）單位迎水面積流水壓力。據《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTGD60－2004）式（4.3.8），有

式中：F流水為鋼吊箱所受的流水壓力標準值，k N；K為擋水形狀系數，方形采用1.5；γ為水的重力密度，10k N／m3；A為鋼吊箱入水部分在垂直于水流方向上的平面投影，取1 m2計算；v為水的流速，百歲溪大橋鋼吊箱取值v＝1.0 m／s；g為重力加速度，g＝9.81 m／s2。

4 計算模型及計算工況

為了簡化計算，鋼吊箱側板和底板的L7.5×5×5角鋼均按0.5 m間距作用，用等效的截面積和慣性矩的梁單元模擬；δ＝8和6 mm的側板和底板用薄殼單元模擬；單壁鋼吊箱流水壓力作用在12.5 m×12 m＝150 m2迎水面上；單壁和雙壁懸吊系統(tǒng)的吊桿長度取值分別為14和17 m，頂部固定；底板主梁和次梁、側板豎梁和橫梁（圈梁）及吊桿均用梁單元模擬；封底混凝土澆注時的混凝土重量及對側板壓力用面載荷作用，澆注完成后的封底混凝土用8節(jié)點三維實體單元模擬。底板主梁和次梁的兩端作鉸接處理，側板豎梁和橫梁（圈梁）與側板均為焊接成整體結構。

圖1給出了鋼吊箱底板主梁2I36 A、底板次梁I25 A及吊點布置。計算采用COSMOS軟件，單壁鋼吊箱有限元模型見圖2，雙壁鋼吊箱有限元模型見圖3，表3列出了鋼吊箱各種不利受力工況［3］。

表3 百歲溪大橋鋼吊箱施工計算工況

圖1 （單壁）鋼吊箱底板布置示意圖（單位：c m）

圖2 單壁鋼吊箱有限元模型圖

圖3 雙壁鋼吊箱有限元模型圖

5 計算結果分析（僅表示危險點）

（1）各工況下雙壁鋼吊箱吊桿拉力和應力計算結果見表4。

表4 雙壁鋼吊箱各工況下吊桿拉力和應力計算結果

由表4可見，水下澆注封底混凝土和干澆封底混凝土部分吊桿應力超過直徑32 mm精軋螺紋鋼的許用應力。

（2）各工況下單壁鋼吊箱底板主梁2I36 A最大彎矩和應力計算結果見表5。

表5 單壁鋼吊箱各工況下底板主梁2I36A最大彎矩和應力計算結果

由5可見，水下澆注封底混凝土所有主梁2I36 A應力在許用應力范圍內。但在干澆封底混凝土工況下部分主梁2I36 A應力超過許用應力。

（3）各工況下單壁鋼吊箱側板豎梁I18工字鋼最大應力計算結果見表6。

表6 單壁鋼吊箱各工況下側板豎梁I18工字鋼最大應力計算結果

由表6可見，在澆注封底混凝土過程中及鋼吊箱外水位下降3 m而箱內一次性抽水完畢情況下（工況3-1和工況3-3），側板豎梁的應力均不超過許用應力。但在鋼吊箱外水位沒有下降（水位在箱頂）而箱內一次性抽水完畢情況下（工況3-2），側板豎梁的應力將超過許用應力。

比較工況3-3與工況3-1可見，側板豎梁基本沒有受到側板流水壓力的影響。

（4）封底混凝土抗滑力驗算。

①工況3。封底混凝土抽水后外部水面達到設計高潮位，F1＝浮力＋封底混凝土自重＋鋼吊箱自重＋粘結力；

②工況4。4 m承臺混凝土澆筑后外部水面處在設計低潮位，F2＝承臺混凝土自重＋封底混凝土自重＋鋼吊箱自重＋粘結力。

（5）雙壁鋼吊箱封底混凝土抗滑力驗算。

①工況3。粘結力／（浮力＋2.5 m封底混凝土重力＋鋼吊箱重力）＝13 188／（31 538－8 062－2 747）＝0.63＜1，不滿足要求。

②工況4。粘結力／（2.5 m封底混凝土重力＋4 m承臺重力＋鋼吊箱重力）＝13 188／（8 062＋15 625＋2 747）＝0.50＜1，不滿足要求。

（6）鋼吊箱施工過程穩(wěn)定性分析。封底混凝土澆注完畢，強度達到設計要求，進行承臺混凝土澆注前，鋼吊箱外水位沒有下降（水位在箱頂）而箱內一次性抽水完畢，且一個側板增加760 Pa的流水動壓力［4］。經過對單壁鋼吊箱穩(wěn)定性的屈曲計算分析，其穩(wěn)定性安全系數為7.73，可以滿足施工要求。

6 計算結論及建議

6.1 單壁鋼吊箱結論

（1）在水下澆注封底混凝土工況下，鋼吊箱主要部件吊桿、底板主梁2I36 A、側板豎梁I18、內撐梁2I36 A、側板圈梁2I36 A及8 mm底板和側板均能滿足強度要求，但在鋼護筒附近底板的7號次梁和10號次梁I25A（與1號和5號主梁交叉的吊點位置）局部不滿足強度要求，進行局部補強后可以滿足要求。

（2）在干澆封底混凝土工況下，吊桿、底板主梁2I36A和次梁I25A不能滿足強度要求。

（3）封底混凝土澆注完畢后，在鋼吊箱外水位沒有下降（水位在箱頂）而箱內抽水完畢情況下，側板豎梁I18和側板圈梁2I36 A不能滿足強度要求。

（4）封底混凝土澆注完畢后，在鋼吊箱外水位下降3 m而箱內抽水完畢情況下，側板豎梁I18、內撐梁2I36 A、側板圈梁2I36 A及8 mm側板均能滿足強度要求。

（5）封底混凝土澆注完畢后，鋼吊箱外水位沒有下降（水位在箱頂）而箱內一次性抽水完畢，且一個側板增加760 Pa的流水壓力情況下，單壁鋼吊箱穩(wěn)定性安全系數為7.73，穩(wěn)定性滿足要求。

（6）單純靠封底混凝土與鋼護筒之間的粘結力不足以滿足最不利條件下的抗滑力施工要求，需要在一定水深條件下進行承臺混凝土的澆注施工。

（7）封底混凝土澆注完畢后，4 m承臺混凝土澆注前和一次性澆注過程中鋼吊箱外的理想水位與安全系數之間存在一定的關系，可以據此確定最佳的施工時間。

（8）封底混凝土澆注完畢后，一個側板增加760 Pa的流水動壓力對鋼吊箱的強度和穩(wěn)定性基本沒有影響。

6.2 雙壁鋼吊箱結論

（1）在水下澆注封底混凝土工況下，鋼吊箱主要部件底板主梁2I36 A、底板次梁I25 A、內外側板豎梁（面板肋）I16、內撐梁2I36A、側板圈梁2I28 A、8 mm底板和外側板及6 mm內側板均能滿足強度要求，但部分吊桿不能滿足強度要求。

（2）在干澆封底混凝土工況下，吊桿、底板次梁I25 A和內側板豎梁I16不能滿足強度要求。

（3）封底混凝土澆注完畢后，在鋼吊箱外水位沒有下降（水位距離底板15 m）而箱內一次性抽水完畢情況下，鋼吊箱主要部件均能滿足強度要求。

（4）單純靠封底混凝土與鋼護筒之間的粘結力不足以滿足最不利條件下的抗滑力施工要求，需要在一定水深條件下進行4 m承臺混凝土的澆注施工。

（5）封底混凝土澆注完畢后，4 m承臺混凝土澆注前和一次性澆注過程中鋼吊箱外的理想水位與安全系數之間存在一定的關系，可以據此確定最佳的施工時間，理想水位關系式與單壁的相同。

7 結語

單壁和雙壁的各種工況下的有限元計算結果說明：在動態(tài)水位變化的情況下，優(yōu)化后鋼吊箱的結構強度、剛度和穩(wěn)定性與施工水位有著極大的關系，且與完成該分項工程工序所需的必要時間有關。因此在該必要時間內，在所需的理想水位變化范圍內、完成承臺施工，其施工技術是安全的，違背這一原則，鋼吊箱施工將存在較大的安全風險，應重點考慮的有：

（1）懸吊系統(tǒng)強度不夠，須重新布置懸吊系統(tǒng)，增加吊桿數量和增強吊桿的強度。

（2）底部和側板變形，須增大底部和側板主梁和次梁的鋼材規(guī)格和型號。

（3）封底后的鋼吊箱上浮和下沉，表現在施工的非理想水位時，鋼吊箱的重力與浮力不能平衡，須在封底混凝土施工前水下焊接鋼護筒的牛腿，增強封底混凝土和鋼護筒之間的粘結力。

（4）若在干處施工，須增設第二次懸吊系統(tǒng)，再把第一次懸吊系統(tǒng)下移，承臺混凝土分2層澆筑，第二次懸吊系統(tǒng)也須埋置于承臺中。

（5）三峽庫區(qū)的水情變化是有規(guī)律可循的，合理有效的施工組織，在鋼吊箱的理想水位范圍內，采用先進的施工工藝及設備，如大型浮吊船和商混船配合施工，可控制性地把握工程進度。

［1］ 徐 偉，呂鳳梧.深水區(qū)域特大型施工平臺與鋼吊箱結構分析方法［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［2］ 方詩圣，丁仕洪.鋼圍堰封底混凝土與樁基鋼護筒間的粘結力研究［J］.合肥工業(yè)大學學報：自然科學版，2009，32（2）：241-244.

［3］ 徐 偉，高吉龍.特大型鋼吊箱圍堰施工過程中各工況的受力特性分析［J］.建筑施工，2008，30（6）：487-488.

［4］ 徐 偉，宋 燦，駱艷斌，等.深水高樁承臺鋼吊箱在風荷載作用下的動力性能分析［J］.工業(yè)建筑，2007，37（7）：82-84.