海域高樁承臺(tái)鋼吊箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

趙 冉，陳森泉

（1.中交二航局第二工程有限公司，重慶 401121；2.中鐵建港航局第四工程分公司，重慶 401121）

鋼吊箱作為橋梁承臺(tái)施工的輔助措施目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用[1]。大尺寸鋼吊箱施工工藝較多，且在海域區(qū)受波浪力及水流流速的影響下，鋼吊箱施工風(fēng)險(xiǎn)較大。因此如何在復(fù)雜施工環(huán)境的影響下設(shè)計(jì)出安全合理的鋼吊箱存在較大困難。故以東雷高速通明海特大橋引橋32#墩為背景，對(duì)海域高樁承臺(tái)有底鋼吊箱各構(gòu)件及封底混凝土應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)的驗(yàn)算分析。

1 工程概況

通明海特大橋主橋橋跨布置為（146+338+146）m，橋型為鉆石型索塔斜拉橋。橋址位于深水區(qū)，且常年受風(fēng)浪影響。引橋32#墩承臺(tái)尺寸較大，基礎(chǔ)采用承臺(tái)+群樁基礎(chǔ)。承臺(tái)為圓端形承臺(tái)，承臺(tái)尺寸為30.75 m（長(zhǎng)）×9 m（寬）×3 m（高）。承臺(tái)基礎(chǔ)采用12根直徑為2.0 m的鉆孔灌注樁。承臺(tái)分層澆筑，第一層澆筑高度為1 m，第二層澆筑高度為2 m。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件，承臺(tái)采用單壁鋼吊箱施工工藝。

2 設(shè)計(jì)條件

鋼吊箱頂標(biāo)高+6.7 m；承臺(tái)頂標(biāo)高+3.0 m；承臺(tái)底標(biāo)高+0.0 m；封底砼底標(biāo)高-1.0 m；封底砼厚度1.0 m；設(shè)計(jì)高潮位+4.5 m，設(shè)計(jì)低潮位-1.0 m；常水位+1.5 m；水流速度V=0.44 m/s；下放期波浪H=0.7 m，T=4.1 s；施工期波浪H=1.1 m，T=4.1 s；臺(tái)風(fēng)期波浪H=4 m,T=4.1 s；護(hù)筒外徑2.2 m；封底砼握裹力120 kPa；封底砼浮容重14 kN/m3，封底砼干容重24 kN/m3；承臺(tái)砼干容重25 kN/m3；鋼材容重78.5 kN/m3；封底砼強(qiáng)度等級(jí)C25。

3 設(shè)計(jì)概況

鋼吊箱不僅作為承臺(tái)施工時(shí)的擋水結(jié)構(gòu)，還作為澆筑承臺(tái)混凝土?xí)r的模板結(jié)構(gòu)[2]。鋼吊箱結(jié)構(gòu)主要有壁板、底板、內(nèi)支撐、下放系統(tǒng)組成。鋼吊箱內(nèi)輪廓尺寸為承臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸，吊箱壁體總高度為7.7 m，豎向不分節(jié)，壁體共分12塊。壁體各單元塊間通過(guò)螺栓連接，底板不分塊，焊接連接。鋼吊箱內(nèi)部豎向設(shè)置二道鋼管支撐。為下放鋼吊箱及防止鋼護(hù)筒偏位，底板需在鋼護(hù)筒位置處預(yù)留孔洞，開(kāi)孔尺寸比護(hù)筒半徑大15 cm[3]。沿鋼護(hù)筒周長(zhǎng)設(shè)置2[14拉壓桿。鋼吊箱采用穿心千斤頂下放施工工藝。鋼吊箱施工流程：鋼吊箱制作、拼裝→下放、定位鋼吊箱→安裝拉壓桿→澆筑封底混凝土→抽水→澆筑第一層承臺(tái)→澆筑第二層承臺(tái)→拆除壁體。

鋼吊箱壁體結(jié)構(gòu)：壁板8 mm鋼板，壁體次梁HN150×75，壁體主梁 HN300×150，圍檁 HM588×300，內(nèi)撐Φ800×12；底板結(jié)構(gòu)：底板6 mm鋼板，底板次梁HN175×90，壁體主梁HN350×175，拼接槽鋼輕型[36，拉壓桿2[14。壁體內(nèi)周長(zhǎng)76.92 m，鋼吊箱內(nèi)面積274.82 m2，鋼護(hù)筒總面積：75.36 m2封底混凝土總面積237.14 m2。鋼吊箱構(gòu)件均采用Q235B材料。

鋼吊箱平面及立面布置圖見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 鋼吊箱平面布置圖（尺寸單位：mm）

圖2 鋼吊箱立面布置圖（尺寸單位：mm）

4 荷載及工況分析

4.1 荷載計(jì)算

結(jié)合施工工藝及現(xiàn)場(chǎng)施工條件，為確保結(jié)構(gòu)具有較高的可靠性，鋼吊箱在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)主要考慮以下幾種荷載：吊箱自重、混凝土荷載、靜水壓力、水流力、波浪力。靜水壓力垂于吊箱壁體，呈三角形分布[4]；水流力垂直于吊箱壁體，近似取均布荷載考慮；波浪力垂直于吊箱壁體，近似取梯形荷載考慮。

靜水壓力為p=γwh。根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》[5]計(jì)算，查得Cw=1.1，作用于鋼吊箱上的水流力荷載標(biāo)準(zhǔn)值

根據(jù)《港口與航道水位規(guī)范》[6]計(jì)算作用于鋼吊箱上的波浪力如下：下放期潮位+2.8 m，波浪H=0.7 m，T=4.1 s時(shí)，水深6.3 m，吊箱吃水深度3.8 m，水面處的波浪力強(qiáng)度為7.00 kPa，靜水面以上0.75 m處波浪力為0；施工期低潮位-1.0 m，波浪H=1.1 m，T=4.1 s時(shí)，水深2.5 m，吊箱吃水深度0 m，水面處的波浪力強(qiáng)度為9.63 kPa，吊箱底波浪力強(qiáng)度為9.63 kPa，靜水面以上1.1 m處波浪力為0；施工期高潮位+4.5 m，波浪H=1.1 m，T=4.1 s時(shí)，水深8.0 m，吊箱吃水深度5.5 m，水面處的波浪力強(qiáng)度為11.19 kPa，吊箱底波浪力強(qiáng)度為5.52 kPa，靜水面以上1.2 m處波浪力為0；渡臺(tái)期低潮位-1.0 m，波浪H=4.0 m，T=4.1 s時(shí)，水深2.5 m，吊箱吃水深度0 m，水面處的波浪力強(qiáng)度為39.98 kPa，吊箱底波浪力強(qiáng)度為39.98 kPa，靜水面以上7.6 m處波浪力為0；渡臺(tái)期高潮位+4.5 m，波浪H=4.0 m，T=4.1 s時(shí)，水深8.0 m，吊箱吃水深度5.5 m，水面處的波浪力強(qiáng)度為39.12 kPa，吊箱底波浪力強(qiáng)度為19.6 kPa，吊箱頂波浪力強(qiáng)度為25.03 kPa。

吊箱底板的波托力或波吸力取吊箱壁體側(cè)面波壓力在吊箱底部處的波浪力值。

4.2 工況分析

根據(jù)鋼吊施工工藝考慮以下7個(gè)工況：鋼吊箱下放工況、下放到位工況、澆筑封底混凝土工況、抽水工況、第一層承臺(tái)澆筑工況、第二層承臺(tái)澆筑工況、臺(tái)風(fēng)工況。

1）工況1：鋼吊箱下放工況。鋼吊箱壁體及底板在墩位處整體拼裝，采用穿心千斤頂與鋼絞線配合整體同步下放，下放千斤頂擬采用8個(gè)吊點(diǎn)。下放前在鋼護(hù)筒頂部布置下放承重架，在壁體上焊接下放掛腿。本工況計(jì)算吊箱下放至水面+2.8 m時(shí)，在自重和波吸力作用下底板結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

2）工況2：鋼吊箱下放到位工況。鋼吊箱下放到位后，在未安裝拉壓桿之前，結(jié)構(gòu)受力最不利。本工況計(jì)算吊箱下放到位后，在施工期高潮位+4.5 m，H=1.1 m最不利情況下壁體各構(gòu)件的應(yīng)力。

3）工況3：澆筑封底混凝土工況。全部拉桿安裝后，低潮位割除下放掛腿，拆除下放系統(tǒng)，安裝鋼吊箱底板與鋼護(hù)筒間的抱箍，防止混凝土淌漏。抱箍安裝完成后，選擇低潮位焊接剪力牛腿，準(zhǔn)備澆筑1 m厚封底混凝土。本工況計(jì)算在施工期低潮位-1.0 m，H=1.1 m最不利情況下，澆筑封底混凝土?xí)r，鋼吊箱底板結(jié)構(gòu)各構(gòu)件和拉壓桿的安全性。

4）工況4：抽水工況。封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，鋼吊箱內(nèi)抽水，割除封底外部的拉壓桿、鋼護(hù)筒，清理樁頭，在吊箱內(nèi)部形成干施工工作環(huán)境。本工況計(jì)算在施工期高潮位+4.5 m，H=1.1 m最不利情況下抽水，壁體各構(gòu)件的應(yīng)力。

5）工況5：澆筑第一層承臺(tái)工況。封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，澆筑第一層承臺(tái)（1.0 m）。本工況在施工期低潮位-1.0 m，H=1.1 m最不利，主要驗(yàn)算封底混凝土的應(yīng)力及封底與鋼護(hù)筒的握裹力。封底混凝土頂面由承臺(tái)混凝土產(chǎn)生的豎向壓力及側(cè)向壓力荷載25 kN/m2。

6）工況6：澆筑第二層承臺(tái)。待第一層承臺(tái)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，綁扎第二層承臺(tái)鋼筋，澆筑第二層承臺(tái)混凝土（2.0 m）。本工況在施工期低潮位-1.0 m，H=1.1 m最不利，主要驗(yàn)算壁體各構(gòu)件應(yīng)力及第一層承臺(tái)的承載力。第一層承臺(tái)頂面由澆筑混凝土產(chǎn)生的豎向壓力荷載50 kN/m2。

7）工況7：臺(tái)風(fēng)工況。臺(tái)風(fēng)期H=4.0 m。本工況在鋼吊箱封底澆筑完成，拉壓桿割除后高潮位+4.5 m遭遇臺(tái)風(fēng)時(shí)最不利。主要驗(yàn)算壁體各構(gòu)件應(yīng)力和封底混凝土的應(yīng)力。

5 結(jié)構(gòu)計(jì)算

利用Midas Civil軟件整體建模計(jì)算，采用整體結(jié)構(gòu)加荷載的形式對(duì)鋼吊箱結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，整體模型見(jiàn)圖3。

圖3 鋼吊箱整體模型圖

模型中壁體面板及底板面板為板單元，壁體主次梁、底板主次梁、圍檁及拉壓桿均為梁?jiǎn)卧?，?nèi)撐為桁架單元，混凝土為實(shí)體單元。材料自重及各種荷載的荷載系數(shù)均由軟件計(jì)入，工況1及工況2約束吊點(diǎn)位移，工況3拉壓桿與鋼護(hù)筒焊接處固結(jié)，工況4、工況5及工況7封底混凝土與鋼護(hù)筒接觸面固結(jié)。工況6封底混凝土與鋼護(hù)筒接觸面固結(jié)、承臺(tái)與鋼護(hù)筒接觸面固結(jié)。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，鋼吊箱各構(gòu)件采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法計(jì)算[7]。

鋼吊箱各構(gòu)件最不利計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知：底板面板的組合應(yīng)力最大，其值為150.8 MPa，小于鋼材的組合強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=215 MPa；圍檁HM588的剪應(yīng)力最大，其值為35.8 MPa，小于鋼材的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fv=125 MPa；封底混凝土最大拉壓應(yīng)力1.0 MPa小于1.78 MPa，最大壓應(yīng)力0.9 MPa小于16.7 MPa，均在安全范圍內(nèi)；鋼護(hù)筒最大反力為1430 kN（壓力），最大握裹力為227.7 kPa大于120 kPa，故需設(shè)置剪力牛腿增大鋼護(hù)筒握裹力承載能力。單根鋼護(hù)筒上剪力牛腿需承擔(dān)剪力V=1430-2×1×120π=676.46 kN，共設(shè)置15塊肋板傳遞剪力，單個(gè)肋板焊縫剪應(yīng)力，小于角焊縫的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ffw= 160 MPa，故剪力牛腿滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表1 鋼吊箱各構(gòu)件計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

6 結(jié)語(yǔ)

為保證鋼吊箱結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足施工要求，設(shè)計(jì)和施工時(shí)還需注意以下事項(xiàng)：

1）鋼吊箱下放及澆筑封底混凝土?xí)r均應(yīng)選取在風(fēng)平浪靜、水流力較小的良好天氣條件下進(jìn)行，避開(kāi)最不利設(shè)計(jì)條件增加結(jié)構(gòu)安全性。

2）澆筑封底混凝土過(guò)程中須保持連通器打開(kāi)，以保證吊箱內(nèi)外水位保持一致，避免吊箱受拉。

3）澆筑封底混凝土前應(yīng)清除鋼護(hù)筒表面及底板上的淤泥和雜物，增強(qiáng)封底混凝土的握裹力。

目前32#承臺(tái)鋼吊箱已順利施工完成，整個(gè)過(guò)程基本可控，經(jīng)實(shí)際工程檢驗(yàn)，證明了該吊箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全可靠，可為今后類(lèi)似吊箱設(shè)計(jì)提供參考。