渝怀铁路嘉陵江特大桥13#墩承台单壁钢吊.doc

渝怀铁路嘉陵江特大桥13#墩承台单壁钢吊箱围堰设计与施工 作者：张爱花渝怀铁路嘉陵江特大桥13#墩承台单壁钢吊箱围堰设计与施工张爱花贾卫中(中铁大桥局集团一公司)摘要井口嘉陵江特大桥13#主桥墩为深水高桩大体积混凝土承台基础,位于嘉陵江主河槽,采用单壁钢吊箱围堰施工承台,速度快,质量优,效益好.关键词井口嘉陵江大桥主桥墩基础承台钢吊箱设计施工1工程概况井口嘉陵江大桥为级铁路双线桥,其主桥为84+144+84m预应力混凝土连续刚构。13#主桥墩基础采用16根2.5m的钻孔灌注桩，横桥向共6排，中间四排每排3根，横向间距除距桥轴线一排为5.6m外，其余为5.2m，纵向间距为6.8m，两边各一排，每排2根，与中间桩呈梅花布置，横向间距为3.94m，与纵向间距为6.8m，桩长42.0m。承台为台阶式，下台阶厚4.0m，上台阶厚3.0m，承台横截面为园端形，下台阶顺桥向宽17.7m，横桥向总长29.0m，上台阶顺桥向宽13.2m，横桥向总长22.23m，下台阶承台顶面标高+165.27m，底面标高+161.27m，上台阶承台顶面标高+168.27m。13#墩位于嘉陵江主河槽，墩位处河床标高142.63148.38m，按施工水位+173.5m计，墩位处水深达30多米，设计流速V1/300=3.62m/s.为此，采用钢吊箱围堰的施工方法进行承台施工。2 钢吊箱设计条件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。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：拼装下沉阶段；封底混凝土施工阶段；抽水后承台施工阶段。2.2水位条件根据嘉陵江井口大桥水文资料分析成果报告及吊箱施工时间安排，确定钢吊箱设计抽水水位为168.0m。 2.3结构设计条件综合各工况条件、水位条件确定钢吊箱结构设计条件：围堰平面内净尺寸：29.0m17.7m,圆端形,半径为14.5m(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：168.5m；底板顶面设计标高：159.57m；内支承标高：165.72m；设计抽水水位：168.0m；钻孔平台下弦系统线标高:172.0m。2.4工期要求：该桥为渝怀线十大重点控制工程之一，工期十分紧张，主墩必须在一个枯水期内施工出水面。只有在二00二年三月底将承台灌筑完毕，才能保证墩身在四月底施工到+186m这一洪水期水位之上。3 设计依据：3.1井口嘉陵江特大桥设计图3.2铁路桥涵设计手册（TBJ96）3.3钢结构设计手册（GBJ1788版）4 钢吊箱的构造简介：4.1构造形式选择根据钢吊箱使用功能，将其分为侧板、底板、内支撑、吊挂系统四大部分。其中，侧板、底板是吊箱围堰的主要阻水结构，根据钢吊箱设计条件，我们对吊箱侧板结构的单壁、双壁两种方案进行了比较，比较结果见表。吊箱侧板单、双壁方案比较表内容方案 优点 缺点 选择方案单壁结构 、 节省材料，加工方便，加工质量易控制；、 装、拆方便，可兼做承台施工模板；、 承台施工完毕，拆除侧板又可作为梁部#块的施工模板；、 下沉工艺简单、节省时间；、 在钻孔平台下拼装侧板，焊接工作量小，拼装容易。、 侧板材料用量135吨，底板材料用量66.6吨，内支撑材料用量40吨，合计241.6吨 侧板刚度小，内支撑材料用量多 双壁结构 、 吊箱拼装及下沉充分利用水的浮力；、 侧板刚度大，内支撑材料用量少；、 下沉不用大型起吊设备；、 侧板材料用量200吨，底板材料用量80吨，内支撑材料用量20吨，合计：300吨 材料用量多，加工难度大，在钻孔平台下拼装侧板难度大；焊接工作量大；下沉工艺复杂，工期长 由表可以看出，侧板单壁节省材料，加工方便，拼装简单，质量容易控制，投入少，工期短，故侧板选用单壁结构。4.2结构构造简介（见图）底板吊箱底板由底模托梁和底模组成，底板平面尺寸为18.4m29.7m，底板高0.361m，重量为66.6吨。底模托梁为井字梁结构，桩间设置纵、横梁。纵梁（顺桥向）为主梁，共设10道，每道由通长228a组成，横梁(顺水方向)为次梁,间距为0.77m1.15m，由I22b组成，横梁与纵梁用螺栓连接，水封吊杆设在纵梁上。底模为肋板式焊接结构，底板为6mm,肋为6mm板条，分12种型号共75块置于底模托梁上并与其焊接。侧板侧板采用单壁结构，为肋板式焊接结构，由型钢和8mm钢板焊接而成。侧板高度方向分为上、中、下三层，分别为3.35m、3.0m、2.58m。每层分为26块，其中圆端形方向分6块，直线段方向分7块，共计78块。单块最重为1.8吨，侧板总重135吨。分块的原则主要是为了缩短基础施工周期，在钻孔桩施工的同时侧板拼装要在钻孔平台以下与水面以上净空为4m范围内进行，加上无法使用大的起吊设备，所以分块较小。吊箱下层侧板。与底板及上、中、下层侧板之间的水平缝和竖缝均采用坡口焊缝焊接，以防漏水。侧板的面板为8mm钢板，竖楞均为I25a工字钢，间距为640mm或655mm，水平加劲肋为L6340角钢或10mm钢板组焊成“T”字型加劲，间距为500mm700mm，随水深而变化。为了保证竖楞I25a外翼缘不失稳及全截面受力，且避免在运输过程中侧板产生超标变形，在上、中、下侧板适当位置，每层设了由10mm钢板组焊成“T”字型水平加劲两道，“T”字型的外边与I25a外翼缘平齐。吊箱内支撑内支撑由内圈梁，水平撑杆及竖向支架三部分组成。内圈梁：内圈梁设一层，设在吊箱侧板的内侧，高程为165.72m，由2I45b或箱形板结构组成的水平环，安装在侧板内壁牛腿上。内圈梁的作用主要是承受侧板传递的荷载，并将其传给水平撑杆。水平撑杆为井字结构，杆端用螺栓与内圈梁连接成一体，纵向水平撑杆由222b组成，横向水平撑杆由273mm钢管组成,各杆间均通过法兰盘用螺栓连接,竖向支架为格构式结构,立杆为75758角钢,缀板为8mm钢板,竖向支架的作用主要是支撑水平撑杆。竖向支架的底端焊接到底板上,上端与水平撑杆焊接。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6排，均设在钢护筒顶，由大榭岛斜拉挂篮的主梁、横梁组拼而成。横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）设置在横梁上，共8排，由大榭岛斜拉挂篮的主梁、横梁组拼而成，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l32mm精扎螺纹粗钢筋及与之配套的连接器、螺帽组成,共80根吊杆，重11.2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。下沉起吊系统起吊系统由吊点、吊带、千斤顶组成，吊点分上吊点、下吊点，上吊点设在钻孔平台顶面上。下吊点设在吊箱下层直边侧板外侧，共4个下吊点，吊点中心相距11.52m，吊带为40mm320mm的钢带（16Mn钢）。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1.93m处，第二层设在距围堰底板4.73m处，每层8个导向。5 设计计算根据钢吊箱围堰施工时段分析进行结构设计验算，利用设计计算程序SAP93进行空间模拟计算，仅就计算思路简单介绍，具体计算过程从略。5.1荷载取值依据由铁路桥涵设计规范（TBJ-96）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；流水压力按桥址处实测流速：V=2.0m/s；风速很小，在此可忽略；封底混凝土容重;=23KN/m3；水的浮力:=10KN/m3；5.2计算内容吊箱拼装（上、中、下三层逐层入水）下沉计算；吊箱结构设计计算；封底混凝土施工阶段计算；抽水后吊箱计算。5.3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。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。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。吊箱拼装下沉阶段主要与吊箱自重有关，以三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。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+水封混凝土自重+粘结力浮力吊箱自重+承台混凝土重+水封混凝土自重粘结力+浮力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钢吊箱施工13号主墩控制全桥施工工期，不仅施工难度大，而且施工工期十分紧张。若采用在钻孔桩施工完毕后拆除平台，在平台上拼装下放钢吊箱的施工方法，需要大型起吊设备，且投入多，工期长，很有可能在一个枯水期内不能把基础施工出水面。因此，采取非常规的施工方法：在钻孔桩施工的同时交叉作业拼装下沉钢吊箱，不仅减少了施工投入，而且缩短了施工周期，取得了显著成效。6.1吊箱拼装及下沉吊箱拼装及下沉分三步。第一步，拼装底板及第一节围堰侧板。在钻孔平台下弦设滑道，用来运送侧板至拼装位置。水面以上钢护筒外侧焊临时支承，拼底板托梁，焊接底模，并在其上拼装内支撑竖向支架，然后拼装下层侧板、上下吊点、吊带，第一节围堰入水。第二步，拼装中层侧板及竖向支架，围堰下沉。第三步，拼装上层侧板、竖向支架及内支撑。围堰下沉至设计标高，安装吊杆进行体系转换，围堰全部由吊杆吊挂，将吊带拆除。每块侧板焊缝均进行煤油渗透试验。围堰下放主要设施包括四个主吊具及其升降系统和八个辅助吊具。主吊具由主吊点和吊带组成，吊具升降系统由锚箱、油压千斤顶、升降梁和稳定架组成。辅助吊具采用精轧螺纹钢吊杆。当提升围堰时先提升主吊点，后提升辅助吊点；当下放围堰时先松放辅助吊点，后松放主吊点。主辅吊点交替进行，每次升降高度严格控制在50mm以内，主辅吊点升降幅度应一致，避免围堰扭曲变形。6.2吊箱定位与堵漏由于在围堰侧板设有导向定位装置（该装置是根据护筒的实际偏位设计的），因此，吊箱下沉到位后其平面位置偏差均在施工规范允许误差范围以内。用钢楔将导向与护筒之间的间隙抄死，用角钢把围堰顶口与钢护筒焊牢，确保吊箱围堰在后续的水封施工中不得有平面位移。然后用两台千斤顶从上下游两端对称地逐一对80根吊杆进行调整，使其受力均匀，调整吊杆时油表读数达到10MPa即可。全部吊杆调整完毕后，潜水员下水用蛇形袋堵塞钢护筒与底板之间的空隙。6.3灌注封底混凝土封底混凝土的作用一是作平衡重的主体；二是防水渗漏；三是抵抗水浮力在吊箱底部形成的弯曲应力；四是作为承台的承重底模。封底混凝土灌注是吊箱围堰施工成败的一大关键。主要难点是水下混凝土灌注面积大，而且水位不稳定，为了保证混凝土质量，在施工中采取了以下几点措施：吊箱定位后至水封前，每天测量其平面位置，观察吊箱是否稳定。水封前潜水员逐一对16根护筒四周进行认真检查，以确保封底时围堰底板不漏混凝土。将吊箱围堰分为三个仓，进行两次水封，先封中仓，布置12根水封导管。再封上下游两个仓，各布置10根水封导管。制做两个10.0m3储灰总槽，以确保每根导管砍球后埋深不少于0.5m，并在水封过程中始终有约5.0m3的混凝土储存量，在混凝土供应中断时备用。围堰封底混凝土厚度1.7m，封底净面积381m2，采用C30混凝土共计648m3。6.4灌注承台混凝土封底完毕七天后，抽干吊箱内积水，没有漏水现象，说明水封很成功。拆除上挂梁、吊杆，割除钢护筒，清除高出承台面的封底混凝土，用超声波法和小应变法检测桩基质量，然后按传统的方法安设承台钢筋，灌注承台混凝土。7结束语井口嘉陵江大桥13#墩基础承台为深水高桩大体积圆端形承台，施工难度大，结合实际情况，施工采用单壁钢吊箱围堰进行设计施工