馬瀾錦，肖益新，陳 亮

(1.廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530200；2.廣西欣港交通投資有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

因結(jié)構(gòu)形式及施工原理簡(jiǎn)易有效，鋼吊箱圍堰廣泛應(yīng)用于水中高樁承臺(tái)施工。鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)主要為用于隔絕外部水流的向上開(kāi)口的箱式結(jié)構(gòu)，其可在目標(biāo)結(jié)構(gòu)物處形成無(wú)水環(huán)境，使常規(guī)設(shè)備、人員得以入內(nèi)施工，且無(wú)須開(kāi)展危險(xiǎn)性及成本偏高的水下作業(yè)[1]。鋼吊箱安裝到位后，其依靠箱底混凝土與樁基礎(chǔ)間的結(jié)合力支撐自身重量，并通過(guò)內(nèi)部搭設(shè)的圍檁及支撐抵抗外部的靜水壓力。合理地進(jìn)行鋼吊箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可有效地提高施工圍堰的安全系數(shù)，并有效地降低施工中非必要的材料消耗。

本文以廣西濱海公路龍門大橋東引橋承臺(tái)施工為例，采用Midas Civil有限元計(jì)算軟件對(duì)水中承臺(tái)施工過(guò)程中使用的鋼吊箱圍堰進(jìn)行建模，并復(fù)核其在高潮差潮汐環(huán)境下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性。所得結(jié)果符合行業(yè)規(guī)范要求，該鋼吊箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

1 工程概況

1.1 工程環(huán)境

龍門大橋是國(guó)道G228丹東至東興廣西濱海公路建設(shè)的控制性工程，是北欽防一體化基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工程之一。該大橋線路全長(zhǎng)7.637 28 km，由引橋+龍門大橋主橋構(gòu)成，東引橋自擦人墩島穿越七十二涇海域接至近岸處的揚(yáng)帆立交，工程場(chǎng)地總體上為海岸地貌，包括濱海剝蝕殘丘、孤島、海槽、灘涂及蝦塘等微地貌單元，海床及島上原地面地形高低起伏，高程在-20～30 m呈不規(guī)律分布。東引橋路線第一區(qū)段為擦人墩島到旱涇長(zhǎng)嶺之間的海域，擦人墩島東側(cè)海槽水深最大達(dá)22 m。100年一遇高水位為3.98 m，最低水位為-1.87 m。具體水深分布如圖1所示。

圖1 龍門大橋東引橋水深分布圖

1.2 鋼吊箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況

鋼吊箱設(shè)計(jì)共分為4部分：承重底板、隔水側(cè)板、內(nèi)部支撐、下放及懸掛系統(tǒng)。

圖2 鋼吊箱底板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖(mm)

圖3 鋼吊箱側(cè)板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖(mm)

圖4 鋼吊箱內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)側(cè)視簡(jiǎn)圖(mm)

圖5 鋼吊箱內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)俯視簡(jiǎn)圖(mm)

圖6 鋼吊箱內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)正視簡(jiǎn)圖(mm)

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.1 結(jié)構(gòu)建模

計(jì)算模型中采用梁?jiǎn)卧M各類桿件，側(cè)壁鋼板使用板單元進(jìn)行模擬，封底混凝土采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。封底混凝土與樁基礎(chǔ)相交的節(jié)點(diǎn)采用一般支承固結(jié)，各連接桿件間采用剛性連接的主從約束進(jìn)行連接，僅釋放單元下?lián)霞捌鸸胺较蛏系淖冃危M焊接結(jié)構(gòu)受力，懸掛系統(tǒng)中的吊桿單元兩端釋放轉(zhuǎn)動(dòng)方向上的約束，模擬鉸接。已建模型見(jiàn)圖7。

圖7 鋼吊箱模型圖

2.2 荷載工況

恒載：結(jié)構(gòu)自重，鋼材基本容重取78.5 kN/m3；干、濕混凝土容重取25 kN/m3，封底混凝土厚度為1 m，取濕封底混凝土澆筑荷載為25 kN/m2；水下承臺(tái)厚度為3 m，取承臺(tái)混凝土澆筑荷載為75 kN/m2。

活荷載：靜水壓力荷載，由物理公式P=γ×g×h計(jì)算得出，最大壓強(qiáng)為80.16 kN/m2；潮流荷載，根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》(JTS 144-1-2010)推薦港工結(jié)構(gòu)水流力的計(jì)算公式Fw=0.5Cw·ρ·A·v2確定[3]，Cw一般為0.73，ρ取1.03，速度取1.5 m/s。

2.3 施工工況及荷載組合

鋼吊箱的使用包含組裝后下放至水下承臺(tái)位置、澆筑封底混凝土、安裝內(nèi)部支撐并抽除箱內(nèi)水、施工承臺(tái)4個(gè)工況。為盡可能真實(shí)地模擬鋼吊箱施工的步驟，模型中各施工階段對(duì)應(yīng)的荷載組合及模型內(nèi)激活結(jié)構(gòu)如表1所示。

其中，工況1為吊箱安裝工況，鋼吊箱在水位以上拼裝完成后，通過(guò)8根精軋螺紋桿和穿心千斤頂下放至指定位置，鋼吊箱的支撐全部依賴于底板上的8個(gè)吊點(diǎn)。該工況主要驗(yàn)算吊箱底板的結(jié)構(gòu)受力情況。工況2為澆筑封底混凝土工況，將原8道精軋螺紋鋼的懸吊體系更換為16道雙拼C20b槽鋼焊接的拉壓桿后進(jìn)行封底混凝土澆筑。該工況主要驗(yàn)算吊箱底板的結(jié)構(gòu)受力情況。工況3為內(nèi)支撐安裝和抽水工況，完成封底混凝土澆筑且齡期達(dá)到7 d后，抽除箱內(nèi)水體2～3 m，隨后安裝內(nèi)支撐。該工況主要驗(yàn)算整個(gè)套箱的承載能力。工況4為承臺(tái)施工工況，全部?jī)?nèi)支撐完成安裝，抽除箱內(nèi)全部水體并進(jìn)行承臺(tái)施工。該工況主要驗(yàn)算整個(gè)套箱的承載能力。

表1 施工工況及對(duì)應(yīng)荷載組合及激活結(jié)構(gòu)分析表

3 結(jié)果分析

模型采用容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法進(jìn)行計(jì)算[4]，各工況下主體型材計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 各工況結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力及變形計(jì)算結(jié)果表

分析表2數(shù)據(jù)可知：吊箱底板最不利工況發(fā)生在吊箱下放階段，底板最大應(yīng)力為119.2 MPa，距強(qiáng)度設(shè)計(jì)值145 MPa仍有部分富余；吊箱側(cè)板最不利工況發(fā)生在承臺(tái)施工階段，側(cè)板最大應(yīng)力為140.1 MPa，十分接近強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；吊箱內(nèi)支撐最不利工況發(fā)生在承臺(tái)施工階段，最大應(yīng)力為52.3 MPa，有較大的安全富余空間。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)經(jīng)分析，鋼吊箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足施工需求。龍門大橋東引橋橋墩承臺(tái)采用該鋼吊箱進(jìn)行施工，未發(fā)生質(zhì)量、安全事故，驗(yàn)證了該鋼吊箱設(shè)計(jì)安全可靠，為其他類似水中承臺(tái)工程提供了設(shè)計(jì)參考。

(2)鋼吊箱整體最不利工況為承臺(tái)施工階段，主要影響荷載為靜水壓力。為確保鋼吊箱在承臺(tái)施工階段的安全性，實(shí)際施工中應(yīng)嚴(yán)格控制澆筑封底混凝土的厚度及內(nèi)支撐安裝的質(zhì)量，避免鋼吊箱受力與計(jì)算模型不符。

(3)鋼吊箱整體最大位移發(fā)生在下放階段，為12.9 mm，其主要受潮流荷載影響，箱體在未安裝內(nèi)支撐時(shí)整體剛度較小，側(cè)板抵御變形能力較差，但結(jié)構(gòu)應(yīng)力較小，如應(yīng)用于其他水流更快的環(huán)境，可在箱內(nèi)增設(shè)臨時(shí)內(nèi)支撐。