李臣光 譚海濤 李永霞
【摘要:】某特大橋主橋?yàn)?70 m的波形鋼腹板連續(xù)鋼構(gòu)橋,主墩承臺(tái)采用堰模一體化免圍檁雙壁鋼圍堰輔助承臺(tái)施工。文章結(jié)合該工程實(shí)例,介紹了雙壁鋼圍堰施工流程,設(shè)計(jì)出貝雷片門式吊架吊放系統(tǒng)和牛腿支架吊放系統(tǒng)兩種方案結(jié)構(gòu),并進(jìn)行了Midas有限元建模驗(yàn)算分析。結(jié)果表明:采用牛腿支架吊放系統(tǒng)受力合理,操作簡易,與門式吊放系統(tǒng)相比,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)可減少工期,安全性能較好。
【關(guān)鍵詞:】雙壁鋼圍堰;有限元;吊放系統(tǒng)設(shè)計(jì);牛腿吊放系統(tǒng);門式吊放系統(tǒng)
U445.55+6A421404
0 引言
隨著橋梁建設(shè)的發(fā)展,越來越多跨越江河湖海的大型橋梁相繼修建。為滿足承載力要求,水下施工是大型橋梁建設(shè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。鋼圍堰作為輔助水下承臺(tái)施工的臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu),其作用是防止水和土進(jìn)入建筑物的修建位置,為修筑建筑物提供一個(gè)干燥安全的施工環(huán)境。圍堰質(zhì)量的好壞直接影響承臺(tái)施工的質(zhì)量與安全。隨著承臺(tái)形式不同,鋼圍堰的設(shè)計(jì)形式也不同,其施工方法也有所差異。
本文通過對(duì)傳統(tǒng)雙壁鋼圍堰進(jìn)行優(yōu)化,設(shè)計(jì)出一種免圍檁、堰模一體的雙壁鋼圍堰,其既可以作為圍堰結(jié)構(gòu),同時(shí)也是承臺(tái)施工的模板。此圍堰不僅可以減少圍檁、模板等材料的使用,符合綠色施工理念,同時(shí)可以大大縮短工期,保證承臺(tái)施工質(zhì)量,提升企業(yè)形象。為滿足雙壁鋼圍堰拼裝精度,同時(shí)保證下放過程中的質(zhì)量與安全,鋼圍堰施工過程中圍堰吊放拼裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化與應(yīng)用研究對(duì)深水承臺(tái)施工具有十分重要的意義。
1 工程概況
廣西南寧市橫州市某特大橋?yàn)橐蛔ㄐ武摳拱暹B續(xù)剛構(gòu)橋(如圖1所示),主橋采用(100+185+185+100)m跨徑布置,橋面全寬13 m。其中下構(gòu)6#、7#、8#主墩采用C50雙肢薄壁橋墩,基礎(chǔ)采用承臺(tái)樁基礎(chǔ)(如圖2所示)。承臺(tái)長16.8 m、寬10.8 m、高4.5 m。承臺(tái)底標(biāo)高為54 m,郁江平均水位為61 m。
為輔助承臺(tái)施工,采用堰模一體化雙壁鋼圍堰。圍堰外邊尺寸為19 m×13 m,高17 m,總重381 t。共分為5節(jié),每節(jié)分為12個(gè)節(jié)塊。第一節(jié)到第五節(jié)圍堰高度分別為4.5 m、3 m、3 m、3 m、3.5 m。鋼圍堰采用分節(jié)拼裝,第五節(jié)拼裝完成后進(jìn)行下放清淤,待平面位置及高程符合要求后進(jìn)行封底混凝土澆筑,然后進(jìn)行承臺(tái)施工。詳見圖3~4。
2 雙壁鋼圍堰施工流程(圖5)
2.1 圍堰制作加工
雙壁鋼圍堰在鋼結(jié)構(gòu)工場加工可加快工期,保證質(zhì)量。每一節(jié)圍堰由12塊(4個(gè)L形角塊,和8個(gè)I形塊)拼裝而成。鋼圍堰分塊制作加工完成后,對(duì)其進(jìn)行試拼,檢查其塊與塊之間吻合情況以及滲漏情況,合格之后運(yùn)輸至施工現(xiàn)場,再由現(xiàn)場進(jìn)行節(jié)段拼裝。
2.2 拼裝平臺(tái)搭設(shè)
待鉆孔樁施工平臺(tái)拆除后,先對(duì)圍堰范圍內(nèi)的河床進(jìn)行清淤和找平。為保證施工平臺(tái)的承載能力與安全性,利用現(xiàn)有的鉆孔樁鋼護(hù)筒、鋼棧橋、鋼平臺(tái)的鋼管樁作持力構(gòu)件,通過在鋼管樁、鋼護(hù)筒上焊接牛腿,架設(shè)雙拼工字鋼搭設(shè)鋼圍堰拼裝平臺(tái)。
2.3 首節(jié)圍堰拼裝
在搭設(shè)的臨時(shí)平臺(tái)上精確放樣,畫出圍堰刃腳周線,同時(shí)在頂端拉線放樣,控制鋼圍堰拼裝時(shí)的平順度和垂直度,然后采用對(duì)角拼裝、對(duì)角合龍的方式進(jìn)行拼裝。焊接時(shí)先焊圍堰節(jié)段連接面板間的豎向焊縫,再焊環(huán)向焊縫,焊接完畢后在內(nèi)側(cè)焊縫上涂煤油和外側(cè)涂抹石灰作滲透性試驗(yàn),當(dāng)石灰位置出現(xiàn)變色時(shí)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)焊。
2.4 吊放系統(tǒng)安裝
首節(jié)圍堰拼裝完成后,安裝吊放系統(tǒng),將鋼圍堰起吊至一定高度,然后拆除拼裝平臺(tái)。待下放準(zhǔn)備工作完成后,利用吊放系統(tǒng)進(jìn)行圍堰下放。當(dāng)首節(jié)圍堰箱刃腳入水后,靜置2~3 h,檢查圍堰是否漏水,如有則對(duì)漏水部位進(jìn)行封堵后將雙壁鋼圍堰下放至一定水位進(jìn)行臨時(shí)固定,之后再依次進(jìn)行其他節(jié)段鋼圍堰拼裝。
2.5 圍堰接高下放
首節(jié)圍堰下放至指定位置后,進(jìn)行第二節(jié)圍堰拼裝,拼裝順序按照對(duì)角安裝、對(duì)角合龍的方式,確保拼裝過程圍堰處于平衡狀態(tài)。在拼裝完成后對(duì)圍堰內(nèi)注入一定高度的水,并下沉圍堰,待下放至指定高程后,進(jìn)行第三節(jié)拼裝,重復(fù)以上步驟依次拼裝至第五節(jié)。
2.6 圍堰清淤下沉
待雙壁鋼圍堰拼裝完成后,對(duì)鋼圍堰進(jìn)行配重下沉,采用吸泥設(shè)備對(duì)稱清淤,確保圍堰不發(fā)生較大偏位與傾斜。圍堰拼裝完成后通過懸吊下放系統(tǒng)繼續(xù)沉放,沉放過程中應(yīng)注意向鋼圍堰的隔水倉內(nèi)對(duì)稱地加水配重,保證圍堰不發(fā)生較大偏轉(zhuǎn),直至鋼圍堰著床并下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高。
2.7 圍堰封底施工
圍堰下沉到設(shè)計(jì)高程后,進(jìn)行封底混凝土施工。對(duì)圍堰內(nèi)拋填約50 cm的片石,然后讓潛水工對(duì)刃腳內(nèi)外側(cè)鋼圍堰底與河床底間的接觸情況進(jìn)行檢查,根據(jù)檢查結(jié)果對(duì)鋼圍堰外緣拋填砂袋以封堵圍堰底部的空隙,防止封底時(shí)混凝土泄漏。拋填砂袋的高度約為1 m,待圍堰底封堵完成后,潛水工用高壓水槍對(duì)圍堰刃腳內(nèi)側(cè)、鋼護(hù)筒周邊進(jìn)行沖洗,使鋼圍堰內(nèi)側(cè)、鋼護(hù)筒與封底混凝土有良好的握裹,避免出現(xiàn)滲水情況。
3 圍堰吊放系統(tǒng)設(shè)計(jì)
根據(jù)雙壁鋼圍堰的安裝及下放流程可知,為滿足鋼圍堰節(jié)塊拼裝,首節(jié)鋼圍堰在拼裝平臺(tái)完成拼裝后拆除拼裝平臺(tái)并對(duì)其進(jìn)行起吊,下放至一定高度后進(jìn)行剩余節(jié)段拼裝,以此步驟直至五節(jié)拼裝完成。針對(duì)圍堰節(jié)塊拼裝的施工需要,設(shè)計(jì)出貝雷片門式吊架吊放系統(tǒng)和牛腿支架吊放系統(tǒng)兩種方案,并進(jìn)行有限元計(jì)算分析。
3.1 牛腿支架吊放系統(tǒng)
3.1.1 牛腿支架吊放系統(tǒng)設(shè)計(jì)
利用牛腿懸吊系統(tǒng)(如圖6所示)吊裝首節(jié)鋼圍堰。首節(jié)雙壁鋼圍堰的總重量為123.64 t,懸吊系統(tǒng)共設(shè)置6個(gè)吊點(diǎn)。吊點(diǎn)設(shè)置于底節(jié)雙壁鋼圍堰中上部,采用雙拼25a工字鋼牛腿以及加強(qiáng)面板、25a工字鋼與32 mm精軋螺紋鋼、精軋螺紋鋼套筒組成。吊點(diǎn)豎向采用兩個(gè)反向牛腿的形式,大橫梁采用通長雙拼40a工字鋼,架設(shè)在鋼護(hù)筒上。
鋼圍堰下放時(shí),調(diào)節(jié)精軋螺紋鋼螺帽到20 cm(根據(jù)千斤頂頂升量程確定),頂升千斤頂,待千斤頂全部頂升到位后,松掉千斤頂下端的精軋螺紋鋼螺帽(調(diào)節(jié)20 cm),千斤頂開始泄壓,此時(shí)鋼圍堰開始在重力荷載作用下吊放,待千斤頂泄壓完后,重復(fù)以上操作步驟直至吊放到設(shè)計(jì)位置。
3.1.2 牛腿支架吊放系統(tǒng)計(jì)算
3.1.2.1 有限元建模
采用Midas軟件建立有限元模型(如圖7所示)。圍堰結(jié)構(gòu)型鋼采用梁單元模擬,鋼板采用板單元模擬。
荷載組合:荷載取值=1.2×吊裝荷載。
3.1.2.2 計(jì)算結(jié)果
牛腿吊放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算如圖8所示。各吊裝構(gòu)件在吊裝首節(jié)鋼圍堰時(shí)的強(qiáng)度、剛度等驗(yàn)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。
結(jié)合Midas Civil軟件驗(yàn)算結(jié)果,在此工況下,32 mm精軋螺紋鋼各吊點(diǎn)的反力均為211.6 kN左右,受力均勻。精軋螺紋鋼最大應(yīng)力為386.3 MPa,小于精軋螺紋鋼設(shè)計(jì)強(qiáng)度930 MPa。
對(duì)于除去精軋螺紋鋼之外的其他構(gòu)件,最大組合應(yīng)力為吊點(diǎn)牛腿225a工字鋼的55.9 MPa,均小于強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215 MPa。各構(gòu)件相對(duì)變形均小于構(gòu)件對(duì)應(yīng)長度方向的l/400,因此,各構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度均能滿足門架吊裝首節(jié)鋼圍堰的工況要求。
3.2 門式支架吊放系統(tǒng)
3.2.1 門式支架吊放系統(tǒng)設(shè)計(jì)
貝雷片門式吊裝系統(tǒng)(見圖9)共設(shè)置6個(gè)吊點(diǎn)。吊點(diǎn)設(shè)置于底節(jié)雙壁鋼圍堰頂部,采用雙拼25a工字鋼、貝雷梁、40a工字鋼、32 mm精軋螺紋鋼、精軋螺紋鋼套筒組成。吊點(diǎn)豎向采用將兩個(gè)雙拼25a工字鋼焊接在首節(jié)鋼圍堰頂部,大橫梁采用通長雙拼40a工字鋼,架設(shè)在鋼護(hù)筒與鋼平臺(tái)搭設(shè)的貝雷梁上。下放時(shí)與牛腿吊放系統(tǒng)原理相同。
3.2.2 門式支架吊放系統(tǒng)計(jì)算
3.2.2.1 有限元建模
采用Midas軟件建立有限元模型(如圖10所示)。圍堰結(jié)構(gòu)型鋼采用梁單元模擬,鋼板采用板單元模擬。
荷載組合:荷載取值=1.2×吊裝荷載。
3.2.2.2 計(jì)算結(jié)果
門式吊放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖11所示。各吊裝構(gòu)件在吊裝首節(jié)鋼圍堰時(shí)的強(qiáng)度、剛度驗(yàn)算匯總結(jié)果如表2所示。
結(jié)合Midas Civil軟件驗(yàn)算結(jié)果,在此工況下,圍堰中部32 mm精軋螺紋鋼各吊點(diǎn)的反力為245.6 kN,其余吊點(diǎn)反為181.1 kN左右,受力較為均勻。精軋螺紋鋼最大應(yīng)力為234.5 MPa,小于精軋螺紋鋼設(shè)計(jì)強(qiáng)度930 MPa。
對(duì)于除去精軋螺紋鋼之外的其他構(gòu)件,最大組合應(yīng)力為橫向雙拼40a工字鋼的114.5 MPa,均小于強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215 MPa;各構(gòu)件相對(duì)變形均小于構(gòu)件對(duì)應(yīng)長度方向的l/400,因此,各構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度均能滿足門架吊裝首節(jié)鋼圍堰的工況要求。
4 工程應(yīng)用
經(jīng)過該特大橋鋼圍堰下放過程實(shí)際工程應(yīng)用,對(duì)兩種吊放系統(tǒng)方案進(jìn)行對(duì)比分析,兩者受力情況均滿足設(shè)計(jì)要求。門式吊放系統(tǒng)會(huì)影響第二節(jié)鋼圍堰的拼裝,需在第二節(jié)拼裝后進(jìn)行拆除,后續(xù)節(jié)段依靠圍堰浮力來完成拼裝,水流船只等對(duì)鋼圍堰拼裝有較大影響,特別是拼裝精度與安全。采用牛腿支架吊放系統(tǒng)可減少拼裝第二節(jié)圍堰時(shí)支架拆除所需時(shí)間,同時(shí)可以保證第二節(jié)圍堰拼裝時(shí)第一節(jié)不會(huì)產(chǎn)生較大位移,保證拼裝過程中的安全,也能避免圍堰拼裝過程中因不平衡發(fā)生鋼圍堰傾斜下沉的風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)提高了拼裝精度。在經(jīng)濟(jì)方面,一個(gè)鋼圍堰下放過程中,牛腿吊放系統(tǒng)較門式吊放系統(tǒng)能節(jié)省所需人工、材料、機(jī)械費(fèi)用約5.35萬元,縮短工期8 d。相較而言,牛腿吊放系統(tǒng)具有更好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
5 結(jié)語
本文依托南寧市橫州市某特大橋主墩承臺(tái)施工工程,根據(jù)所采用的堰模一體雙壁鋼圍堰,設(shè)計(jì)出兩種吊放系統(tǒng)方案,對(duì)兩種方案結(jié)構(gòu)進(jìn)行了Midas有限元建模驗(yàn)算,
并通過實(shí)際工程應(yīng)用,對(duì)比分析表明:兩種吊放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在首節(jié)鋼圍堰荷載作用下結(jié)構(gòu)的受力與變形驗(yàn)算結(jié)果均能滿足要求。在實(shí)際工程應(yīng)用中,牛腿吊放系統(tǒng)與門式吊放系統(tǒng)相比可節(jié)省材料費(fèi)、人工費(fèi)、機(jī)械費(fèi)的投入,同時(shí)可以大大節(jié)省工期,為后續(xù)鋼圍堰吸泥下沉、封底混凝土施工以及承臺(tái)施工節(jié)省了大量時(shí)間,體現(xiàn)了當(dāng)代橋梁建設(shè)綠色、環(huán)保的水上施工理念,為同類型深水圍堰施工提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。
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