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深水承台单壁钢吊箱围堰设计

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  介绍杭千高速公路第四合同富春江特大桥主桥深水承台单壁钢吊箱围堰的设计、结构。

  关键词:深水承台 单壁钢吊箱 围堰 设计

  1概况

  杭州至千岛湖高速公路是浙江省公路水路交通建设规划(2003~2020)公路网主骨架“两纵两横十八连三绕三通道”之一连“杭新景高速公路”的组成部分,也是杭州市“交通西进”公路建设规划“一绕、三线、三连、四大接口”公路网主框架的“一线”。富春江特大桥是杭千高速公路杭州至桐庐段第四合同项目中的一座特大桥,位于富阳市东洲街道的张家村以南至灵桥镇北侧,全桥长1679.5m,全宽33.5m,分上下行两幅。其中主桥长367m,为68+2×120+68m预应力混凝土刚构-连续组合梁桥。主桥下部基础为群桩基础,高桩承台。主桥61#、62#、63#墩每个墩单幅桩基为9根Φ2.0m钻孔灌注桩,横桥向3排,每排3根,承台顶面设计标高为+4.00m,底面设计标高为0.00m,承台平面尺寸为14.20×14.20m.主桥墩位于富春江深水区,最深高程在-10.0m至-12.5m之间。经综合比较分析,主桥墩61#、62#、63#承台围堰采用单壁钢吊箱施工。

  2 单壁钢吊箱的设计

  围堰是用于水下施工的临时性挡水设施。 钢吊箱围堰的作用是通过吊箱围堰侧板和底板上的封底混凝土围水,为承台施工提供无水的干处施工环境。根据钢吊箱使用功能,将其分为底板、侧板、内支撑、吊挂系统四大部分。其中,侧板、底板是钢吊箱围堰的主要阻水结构并兼作承台模板。钢吊箱围堰是为承台施工而设计的临时阻水结构,其作用是通过吊箱围堰侧板和底板上的封底混凝土围水,为承台施工提供无水的干处施工环境;封底混凝土作为承台施工的底模板,吊箱侧板作为承台施工的侧模板。1 构造形式的选择国内深水承台施工,多采用沉井、钢围堰或钢吊箱法。由于沉井和钢围堰施工工序繁锁,工期长,材料用量大,而钢吊箱工艺操作简单,节约工期,材料用量合理并能回收再利用,技术上可行。所以我们确定采用钢吊箱施工方案,并对吊箱侧板的单壁、双壁两种方案进行了比较(如表1所示),结合本工程工期、结构特点及施工经验等,本项目钢吊箱侧板采用单壁结构。

  形式材料用量优点缺点双壁结构侧板材料用量125.21吨,底板材料用量35.14吨,内支撑材料用量25.00吨,合计185.35吨。(1)吊箱拼装及下沉充分利用水的浮力,下沉不用大型起吊设备;(2)侧板刚度大,内支撑材料用量少。(1)材料用量多,加工难度大;(2)在钻孔平台下拼装侧板,难度大,焊接工作量大;(3)下沉工艺复杂,工期长。

  单壁结构侧板材料用量83.71吨,底板材料用量30.35吨,内支撑材料用量28.76吨,合计142.82吨。(1)节省材料,加工方便,加工质量易控制;(2)装、拆方便,可兼做承台施工模板;(3)承台施工完毕,拆除侧板又可作为施工模板;(4)下沉工艺简单、节省时间;(5)在钻孔平台上拼装侧板,焊接工作量小,拼装容易。(1)侧板刚度小,内支撑材料用量多;(2)下沉时需用大型起吊设备。

  表1 2.2  设计条件2.2.1工况条件根据钢吊箱围堰施工工作时段及设计受力状态,可按以下几个工况进行分析:①  拼装下沉阶段;②  封底混凝土施工阶段;③  抽水后承台施工阶段。2.2水位条件根据富阳市水利局提供的近年的水位资料,2002年的最高水位为7.411m根据杭州市气象水文预报2004年仍为偏旱年,与2002年的降雨量相当,参照2002年的水位和我部3月、4月自己测量的水位情况,再结合吊箱施工进度安排(6~7月),确定钢吊箱的顶标高为7.50m(当施工水位接近或高于7.5m时,增设防浪板,保证正常的施工和安全),设计抽水水位为7.50m(可根据施工时的水位随时调整)。水流速取为1.50m/s. 2.2.3结构设计条件综合各工况条件、水位条件和施工时间,确定钢吊箱结构设计条件(61#~63#墩):围堰平面内净尺寸:14.20m×14.20m (与承台平面尺寸相同,考虑吊箱围堰侧板兼做承台模板);侧板顶面设计标高:7.50m(保证承台施工在干燥无水的条件下进行,根据施工时间安排,此时预计施工水位最低在4.00m左右,最高为7.50m);底板顶面设计标高:-2.50m(封底混凝土厚度为2.50m,承台的底标高为0.00m);内支承标高:4.50m和7.00m(最不利工况处);设计抽水水位:7.50m;根据自然水位变化及钢吊箱施工作业时段,设计施工受力结构主要按照最高水位时,吊箱内抽干水后侧板所受水压力为设计依据,最低水位时,现浇承台砼侧压力进行校核,考虑最高水位时,钢吊箱抗浮措施。3荷载取值依据由《铁路桥涵设计规范》 (JTJ021-98)荷载组合V考虑钢吊箱围堰设计荷载组合。

  水平荷载:∑Hj=静水压力+流水压力+风力+其他;竖直荷载:∑Gj=吊箱自重+封底混凝土重+浮力+其他;其中:单位面积上的静水压力按10kN/㎡计,水压随高度按线性分布;风速很小,在此可忽略;封底混凝土容重;γ=24.0kN/m3;水的浮力:γ=10kN/m3;封底混凝土与护筒之间的摩阻力取经验值150KN/m2 2.4计算综合工况条件分析和计算内容,对钢吊箱各部分取最不利受力工况进行计算。

  ① 底板主要承受封底混凝土重量和吊箱自重。荷载组合为混凝土自重+吊箱自重+浮力,此外,还要对吊箱入水时底板受力情况进行复算。吊箱吊挂系统与底板一起进行验算。

  ② 侧板以承受水平荷载为主,最不利受力工况为抽水阶段,侧板计算包括竖肋、水平加劲肋、面板、竖肋拼接处及焊接的内力、变形及应力计算。另外,还要对吊箱逐层入水及承台施工等阶段侧板受力情况进行复算。内支撑系统与侧板计算,在侧板验算的同时完成验算。

  ③ 吊箱拼装下沉阶段主要与吊箱自重有关,以两层拼装完成下沉时为最不利进行计算控制,并据此计算结果设计吊点、吊带。

  ④ 抗浮计算分两个阶段:一个阶段是吊箱内抽完水后灌筑承台混凝土前,另一个阶段是浇筑完承台且混凝土初凝前。

  吊箱自重+封底混凝土重+粘结力(方向向下)>浮力吊箱自重+承台混凝土重+封底混凝土重<粘结力+浮力(方向向上)

  ⑤ 封底混凝土强度验算:要验算封底混凝土周边悬臂时的拉应力和剪应力,以及中间封底混凝土的拉应力和剪应力。

  ⑥ 封底混凝土厚度计算。5钢吊箱结构简介

  ① 底板底板的作用一是与侧板共同组成阻水结构,变承台及部分墩身水上施工为陆上施工,二是作为吊箱、承台的承重结构。吊箱底板分成四块,具体分块图见图3, 吊箱底板由底模托梁和底模组成。底板平面净尺寸为14.2 m×14.2m,底板高0.408m,重量为30.35吨。底模托梁为井字梁结构,纵横边梁各设2道,每道由通长2 [40a组成,纵横中梁各设4道,每道由通长单根I40a组成。纵、横梁之间的斜撑(除吊杆梁处)为2 [22a,吊杆梁处为2[40a.纵梁之间和横梁之间分别设置∠100×80×8角钢加劲肋。顶板为δ=8mm钢板。横梁与纵梁用焊接连接,底板与侧板、侧板之间均用Ф20螺栓连接,焊缝连接及螺栓连接强度计算按路桥施工计算手册设计。吊杆设在纵梁上,吊杆采用Ф32的930级高强度精轧螺纹钢,共36根。

  ② 侧板侧板采用单壁结构,由Ⅰ25a做纵肋、∠75×50×5做横肋和8mm钢板做面板焊接而成。侧板高度方向分为上、下两层,分别为2.50m、7.50m.每层分为8块,其中长边和短边各4块。上层长边壁板单块重为2.348吨,上层短边壁板单块重为2.279吨,下层长边壁板单块重为8.452吨,下层短边壁板单块重为7.848吨,侧板总重83.71吨。

  分块的原则主要是为了便于加工和运输,避免产生超标变形,所以分块较小。吊箱下层侧板与底板及上、下层侧板之间的水平缝和竖缝均采用螺栓连接,缝间设置10mm(压缩后为3~4 mm)泡沫橡胶垫以防漏水。侧板的面板为δ=8mm钢板,竖楞(接缝角钢除外)均为I25a工字钢,间距为660mm,水平加劲肋为 δ=8mm,h=250mm的钢板,间距为300mm、400mm、450mm和500mm.侧板的作用:是与底板(包括封底混凝土)共同组成阻水结构,变承台及部分墩身水上施工为陆上施工,另一作用是兼做承台施工的外模板。

  ③ 吊箱内支撑内支撑由内圈梁,水平斜撑杆二部分组成。总重为28.76吨。

  内圈梁:内圈梁设二层,设在吊箱侧板的内侧,高程为4.50m和7.00m处,由下层4I40c和上层2I32c结构组成的水平四边形,焊在侧板内壁钢板上。内圈梁的作用主要是承受侧板传递的荷载,并将其传给水平斜撑杆。

  水平斜撑杆:为菱形支撑结构,杆端与内圈梁焊接连接成一体,水平撑杆由2I32c组成。

  ④ 吊箱吊挂系统:吊挂系统由纵、横梁、吊杆及钢护筒组成,吊挂系统的作用是承担吊箱自重及封底混凝土的重量。

  横梁:横梁(顺桥向)共计3排,均设在钢护筒顶,每排由两片贝雷梁组成。贝雷梁支点设专用支座(牛腿)焊接于护筒内侧的专用支座(牛腿)上,贝雷梁的作用是支承纵梁,并将纵梁传递的荷载(通过护筒)传递至基桩。

  纵梁:纵梁(顺水方向)设置在贝雷梁上,共6排,由2I56工字钢(搭设工作平台用过的)组成。纵梁的作用是支承吊杆,并将吊杆荷载传递给横梁。

  吊杆: 吊杆是由 φ32 mm精扎螺纹粗钢筋及与之配吊的连接器、螺帽组成,共36根吊杆,重3.13吨, 吊杆下端固定到底板的托梁上,上端固定到吊挂系统的纵梁上。吊杆的作用是将吊箱自重及封底混凝土的重量传给纵梁。在使用前做试验,满足施工要求方能施工;在施工过程中,对吊杆要充分保护好,禁止碰撞,以免影响施工的安全。

  ⑤ 吊箱定位系统钢吊箱下沉入水后受流水压力的作用,吊箱围堰会向下游漂移,为便于调整吊箱位置,确保顺利下沉,在吊箱侧板内壁与钢护筒之间设上下两层导向系统,第一层设在距围堰底板2.00 m处,第二层设在距围堰底板6.00 m处,每层8个导向。定位系统由导向钢板、定位孔、定位器(短型钢)及调位千斤顶组成。导向板为厚度δ=16mm钢板,端部制成圆弧,分别焊于吊箱4个角部位的纵、横内圈梁上,导向板端部至钢护筒外壁之间留一定的空隙;定位孔是利用吊箱底板上靠上游的前排3个护筒孔洞作为定位孔,其位置必须和护筒-2.50m处位置保持一致;导向钢板及定位孔的作用是控制下沉吊箱的平面位置。调位时用调位千斤顶进行。定位是在吊箱下沉到位后,封底混凝土凝固前,为防止水流压力、波浪力及靠船力等动荷载对自由悬挂的钢吊箱发生挠动,影响封底混凝土质量而设置固定装置。定位主要利用钢护筒的稳定性将下沉到位的钢吊箱通过定位器与4个角的钢护筒连成整体达到钢吊箱的定位。根据设计施工水位,钢吊箱设计总高度为8.0m,共分两节,第一节高6.0m,第二节高2.0m.吊箱侧模共4块,模板之间采用M27双排螺栓连接,拼缝之间垫δ=8mm厚止水橡胶板;底模由四块模板相拼而成,各块之间相对独立,以便拆除,底模与侧模之间用16颗螺栓连接。吊箱顶部受力梁、底格梁和8根ф32精轧螺纹钢筋是吊箱的主要受力结构,吊箱及封底砼自重通过精轧螺纹钢传递给支承平台再通过钢护筒传递给桩基承受。钢吊箱设计布置见图4.1.钢吊箱总重约142t,采用在驳船上逐块散拼,80t浮吊分体吊装的方式进行施工。施工荷载及自重主要由吊带和支承架传递与桩基承受。

  6结束语

  富春江特大桥主桥承台围堰施工方案的设计,无论从经济技术的可行性,还是从现场组织施工的结果都取得了成功,节约了工期,降低了成本,为后序施工打下了坚实的基础。

  参考文献

   JTJ041—2000 公路桥涵施工技术规范。北京:人民交通出版社,2000周水兴,何兆益,邹毅松。路桥施工计算手册。北京:人民交通出版社,2001

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