杜怡萱

（中鐵二十局集團(tuán)第一工程有限公司，江蘇蘇州 215151）

1 工程概況

京滬高速公路淮安至江都段改擴(kuò)建工程蘇北灌溉總渠特大橋位于淮安市區(qū)，其中跨越蘇北灌溉總渠時采用1～95m 下承式鋼桁梁，橋面寬度20.5m。鋼桁梁主桁結(jié)構(gòu)為三角形結(jié)構(gòu)。兩片主桁中心間距22.1m，大節(jié)點(diǎn)間距15.6m，主桁中心高度11m。

主桁弦桿為內(nèi)寬700mm 箱形截面，其中上弦桿高940mm，下弦桿高900mm。主桁斜桿跨中6 根采用工字形截面，端部3 根采用箱形截面，豎桿均采用工字型截面。主桁均為整體式節(jié)點(diǎn)，主桁桿件與節(jié)點(diǎn)之間采用M27 高強(qiáng)螺栓連接。

橋梁橫向設(shè)11 片小縱梁，邊縱梁與中縱梁間距1.5m，中縱梁間距為2.0m，縱梁腹板、下翼緣與橫梁采用高強(qiáng)螺栓連接。縱橫梁上鋪設(shè)厚20cm 鋼筋混凝土預(yù)制橋面板，橋面板與縱橫梁間用剪力釘連接，通過后澆帶形成整體，其上鋪設(shè)厚9cm 瀝青混凝土面層。鋼桁梁總重量14973kN。墩高13.31m，水位+3.96～8.65m。

2 浮動支墩的設(shè)計

根據(jù)鋼桁梁頂推工況，當(dāng)鋼桁梁在拼裝支架上縱向頂推至前端第3 個滑塊到達(dá)主墩頂部時，若要完成剩余縱向頂推任務(wù)，必須用浮箱將鋼桁梁托起。

2.1 荷載的計算

當(dāng)浮箱和鋼桁梁尾部支點(diǎn)共同支承鋼桁梁時，浮箱及其支架承受最大豎向力，根據(jù)該集中荷載設(shè)計支架，按照支架荷載及支架重量驗(yàn)算浮箱強(qiáng)度[1]。

依據(jù)鋼桁梁設(shè)計圖紙，建立模型，在處于如下支承狀態(tài)下，支架荷載為鋼桁梁前支點(diǎn)反力F=2×4494=8988kN。鋼桁梁頂推中浮墩最大受力工況示意圖，如圖1 所示。

圖1 鋼桁梁頂推中浮墩最大受力工況示意圖（單位：kN）

2.2 浮動平臺及支架結(jié)構(gòu)

浮動支墩由中-60 型浮箱拼成的浮平臺和鋼管支架系統(tǒng)組成。

2.2.1 浮動平臺

因新建橋梁距離既有老橋較近，無法用普通大噸位船體作為浮動平臺，現(xiàn)場只能用浮箱拼成浮動平臺。經(jīng)比選，浮箱選擇中-60 型浮箱，其結(jié)構(gòu)尺寸為6m×3m×2m。浮動平臺橫橋向長30m，由5 節(jié)組成（浮箱長邊方向與橫橋向方向一致）。順橋向長24m，由8 節(jié)組成。共需40 個中-60 型浮箱[2]。

2.2.2 支架系統(tǒng)

支架的立柱采用φ800×10mm 鋼管柱，共布置2組，橫向中心間距與鋼桁梁下弦桿中心距相同，均為22.1m。每組支架順橋向布置3 排立柱，橫橋向布置2排立柱，排間距均為2m。

每組立柱間設(shè)有20#槽鋼連接件，與鋼管柱雙面焊接，焊縫高度≥6mm。鋼管柱頂部順橋方向設(shè)1 組3I56a 分配梁，長度5m。分配梁上在橫橋向設(shè)3 組2I56a 短橫梁，長度3m，用于支撐鋼桁梁第2 個大節(jié)點(diǎn)。分配梁、鋼管柱及橫梁之間均采用焊接方式固定，并在相互接觸部位設(shè)20mm 厚加勁板，防止桿件局部失穩(wěn)[3]。

為將支架立柱荷載分配到浮箱，并控制浮箱局部彎矩，在鋼管柱下方設(shè)置2 層分配梁和斜撐桿。分配梁為HM500mm×300mm，材質(zhì)Q235。另外，斜撐桿為φ273×6mm 鋼管，通過焊接形成整體桁架。

最底層分配梁共10 根，長度30m，通過焊接形成一整根，橫橋向?qū)ΨQ浮箱布置。其中，中間2 組浮箱每個對稱布設(shè)2 根，其余每組浮箱在中心線處布設(shè)1根。上層分配梁共設(shè)置9 根，長度24m，也要沿浮箱對稱布置，在鋼管柱處各增設(shè)2 根長度6m。浮動支墩結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 浮動支墩結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 支架高度

浮箱頂面支架的高度主要由梁底標(biāo)高、施工水位、托起鋼桁梁后浮箱的吃水深度決定。支架高度H=水面到梁底的距離D－浮箱高度h1＋浮箱滿載吃水深度h2。計算鋼管柱長度為10m。在實(shí)施浮托頂推作業(yè)時，現(xiàn)場通過鋼板進(jìn)行標(biāo)高的調(diào)整。

2.4 浮平臺吃水計算

2.4.1 空載吃水深度h0

浮箱空載吃水深度，指浮箱未托起鋼桁梁時的吃水深度，它由浮箱自重吃水深度和其上支架、機(jī)具等重量產(chǎn)生的吃水深度組成。根據(jù)中-60 型浮箱參數(shù)可知，浮箱自重下的吃水深度為0.3m。浮箱頂面支架重量合計105.4t，卷揚(yáng)機(jī)、水泵等重量合計4t。根據(jù)浮力計算公式，支架、機(jī)具產(chǎn)生的吃水深度h=（105.4+4）/（24×30）=0.152m。故空載吃水深度h0=0.3+0.152=0.452m。

2.4.2 滿載吃水深度h2

根據(jù)浮箱托起鋼桁梁的支撐力為8988kN，它能產(chǎn)生的吃水深度h=8988÷（1×9.8×24×30）=1.274m。故浮箱滿載吃水深度h2=0.452+1.274≈1.73m。

2.4.3 干弦高度h3

因浮箱注水后方可進(jìn)入鋼桁梁下，通過浮箱的排水實(shí)現(xiàn)梁體的浮托。在排水時，水泵有時不能將艙內(nèi)的水全部排出，暫估存有5cm 高度的壓艙水。因此，干弦高度h3=2m-1.73m-0.05m=0.22m。滿足施工要求。

2.5 強(qiáng)度驗(yàn)算

2.5.1 支架

采用有限元分析軟件Midas/Civil2019 建立模型，分項(xiàng)系數(shù)取1.25，對支架進(jìn)行分析驗(yàn)算。計算結(jié)果如下。

鋼管柱軸力Fmax=124.5kN，組合應(yīng)力σmax=193.7MPa＜215MPa。

鋼管柱連接系槽鋼軸力Fmax=168.7kN，組合應(yīng)力σmax=87.5MPa＜215MPa。

斜撐鋼管軸力Fmax=161.2kN，組合應(yīng)力σmax=76.2MPa＜215MPa。

鋼管立柱最頂部分配梁剪力1347.5kN，彎矩1220kN·m，應(yīng)力σmax=166.2MPa＜205MPa，剪應(yīng)力τ=112.5MPa＜120MPa。

下墊梁剪力445kN，彎矩96.2kN·m，應(yīng)力σmax=47.4MPa＜215MPa，剪應(yīng)力τ=51.5MPa＜125MPa。

2.5.2 浮箱連接部位

浮動支墩托起鋼桁梁后，浮箱的縱向和橫連接處是浮平臺受力的薄弱部位。因此，需計算浮箱縱向和橫向最不利連接斷面處的剪力和彎矩，從而驗(yàn)算連接件的強(qiáng)度。

考慮最不利情況，不通過斜撐分散荷載，連接處的剪力全部由鉤頭連接螺栓承擔(dān)，彎矩形成的拉力由3#連接板（300×300×8mm）和φ27 鉤頭連接螺栓共同承擔(dān)。驗(yàn)算時假設(shè)3#連接板先達(dá)到其允許最大拉力，剩余的拉力再由鉤頭連接螺栓承擔(dān)。這樣，簡化為通過驗(yàn)算連接處鉤頭連接螺栓在剪力和拉力共同作用下的組合應(yīng)力，來判定浮箱連接處強(qiáng)度是否滿足受力要求。

因支架對稱于浮箱平臺布置，驗(yàn)算浮箱連接處的強(qiáng)度選擇3 個斷面。斷面1 是將第四、第五列浮箱作為一個整體單元，分析驗(yàn)算第三列浮箱右側(cè)連接面（順橋向）上80 個φ27 鉤頭連接螺栓受力情況。斷面2 是將第五列浮箱作為一個整體單元，分析驗(yàn)算第四列浮箱右側(cè)連接面（順橋向）上80 個φ27 鉤頭連接螺栓受力情況。斷面3 是將第六、七、八排浮箱作為一個整體單元，分析驗(yàn)算第六排浮箱右側(cè)連接面（橫橋向）上75 個φ27 鉤頭連接螺栓受力情況。

每個工況下整體單元斷面處的總剪力V 為鋼桁梁、支架（含機(jī)具）、浮箱和壓艙水的自重所分配的豎向荷載與其所受浮力之差。根據(jù)總剪力及鉤頭螺栓數(shù)量，計算單個鉤頭螺栓的剪應(yīng)力。

斷面處的總彎矩M 為鋼桁梁、支架、浮箱和壓艙水自重共同產(chǎn)生的彎矩與其浮力所產(chǎn)生的彎矩之差。該彎矩在浮箱面產(chǎn)生的總拉力T=M/H（浮箱高度）。鉤頭連接螺栓所要承擔(dān)的軸向拉力N=T-F。由N值計算出鉤頭連接螺栓的正應(yīng)力，最后計算出組合應(yīng)力。

3#連接板的承載力F取鋼板的承載力和4 個M27普通螺栓（C 級）承載力中的較小者。其中，每個螺栓的承載力設(shè)計值應(yīng)取受剪和承壓承載力設(shè)計值中的較小者。

鋼板拉力設(shè)計值取毛截面屈服和凈截面斷裂兩種情況下的較小者。其中毛截面屈服時拉力的設(shè)計值N ≤Af=300×8×215=516kN。

凈截面斷裂時N≤0.7Anfu=0.7×(300×8 -4×27)×370=593.63kN。連接鋼板拉力設(shè)計值取516kN。故3#連接板的承載力設(shè)計值為263.52kN。浮箱連接處強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果見表1。

表1 浮箱連接處鉤頭連接螺栓強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果匯總表

3 浮動支墩的制作

3.1 浮箱的拼裝

浮箱在岸邊搭設(shè)的簡易支架上用吊機(jī)配合人工拼裝，浮箱拼好后采用滑移的方法下水。拼裝時要按以下要求連接：一是浮箱上下面連接板的數(shù)量、位置須完全一致。螺栓安裝齊全，且須擰緊。二是在兩節(jié)浮箱短邊的弦箱角鋼上下面須各安裝3 塊3#連接板和10 個連接螺栓（φ27 鉤頭螺栓）。三是在兩節(jié)浮箱長邊的弦箱角鋼上下面須各安裝4 塊3#連接板和15個專用螺栓。四是在兩節(jié)浮箱縱、橫向端部弦箱角鋼上須各安裝1 塊1#連接板，側(cè)面須安裝1 塊2#連接板。

3.2 支架拼裝要求

一是支架系統(tǒng)要對稱浮箱布置，位置偏差控制在±2cm 以內(nèi)。二是底層分配梁沿浮箱長邊方向布置，并與浮箱點(diǎn)焊固定。三是所有桿件的連接均采用滿焊連接，若存在空隙須用鋼板調(diào)平，保證其間密貼。四是在斜撐鋼管與立柱鋼管連接處，增設(shè)500mm×500mm×10mm 加強(qiáng)鋼板，防止立柱鋼管壁變形。五是分配梁、墊梁及鋼管柱局部應(yīng)增設(shè)加勁板，確保構(gòu)件局部傳力可靠。六是槽鋼與鋼管柱之間采用雙面焊縫，焊縫高＞6mm。

4 使用要求

第一，浮動支墩使用前，須注滿水后用地錨卷揚(yáng)機(jī)牽引進(jìn)行模擬試驗(yàn)。第二，每個浮箱均須配備能力相同的水泵，浮箱注水或抽水時須同步。浮箱的總注水量控制在浮箱干弦高度10cm，即浮箱滿載吃水深度1.9m。在抽水托起鋼桁梁時，浮箱內(nèi)部的剩余水量不得超過10cm，力爭控制在5cm 以內(nèi)。此時，鋼桁梁中間部位的滑板均脫空，鋼桁梁處于由浮箱和后端滑塊簡支狀態(tài)，在此狀態(tài)下繼續(xù)浮托頂推工作。第三，嚴(yán)格控制浮動支架支承鋼桁梁時的橫橋向位置偏差在±20mm 以內(nèi)。其縱向位置盡量往鋼梁前進(jìn)方向移動。第四，浮動支墩托起鋼桁梁后，將其與鋼梁下弦桿進(jìn)行固結(jié)連接。第五，因干弦高度偏小，浮托頂推期間水面不得出現(xiàn)波浪。第六，上游的控制牽引卷揚(yáng)機(jī)組要配置2 套。第七，建議對不利部位的浮箱連接板進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測，一旦接近警戒值時，可在浮箱中部設(shè)置豎向支撐桿，支撐在鋼桁梁的中橫梁或小縱梁上。

5 結(jié)論

一是在浮箱未托起鋼桁梁前預(yù)先進(jìn)行頂推作業(yè)時，其前部支架將要經(jīng)受最大豎向反力的考驗(yàn)，需重點(diǎn)監(jiān)測支架的安全性。在后續(xù)的浮托頂推中，需重點(diǎn)監(jiān)測浮箱的安全性，一旦浮箱出現(xiàn)散體，后果不堪設(shè)想。因此，浮箱的安全可靠是浮托頂推施工安全的關(guān)鍵。二是底梁和斜撐鋼管的主要作用是控制不利位置浮箱出現(xiàn)向上的變形，從而減小浮箱連接部位的彎矩。對于四車道的鋼桁梁橋，可以在浮箱中部增設(shè)1組輔助支墩，也能更好地控制橫橋向第二、第三、第四節(jié)浮箱的受力狀態(tài)。三是浮箱的不利部位是縱向第三排浮箱的橫向連接處。