东海大桥套箱计算分析论文

1、第四次全国城市桥梁学术会议论文集2003.11上海东海大桥70m 跨非通航孔桥梁 混凝土承台套箱施工期安全模拟分析黄向平 莫景逸（交通部第三航务工程勘察设计院，上海200032）摘要：东海大桥采用套箱法施工桥梁承台，因海上施工条件恶劣，施工中的承台套箱除受自身荷载作用下还将受到波浪和水流的共同作用。本文重点介绍对桥梁承台的混凝土套箱施工过程中的安全性分析和设计思路。关键词：承台套箱 施工安全性分析 波浪1前言东海大桥是举世瞩目的上海国际航运中心洋山深水港区最主要的工程之一，大桥从芦潮港开始至洋山深水港区，总长度达31.053km ，工程规模巨大。大桥所处海区海况恶劣，一年中海上安装工程有效作业

2、天数为180天, 可供混凝土浇筑的天数也仅为240天。整座大桥从2002年8月开始施工，需在2005年底竣工完成。大桥施工工期紧，跨海段桥梁共需海上施工非通航孔桥梁承台共584个，为了提高施工速度和保证施工安全，经论证研究决定除主副通航孔采用钢套箱施工承台外，非通航孔桥梁的584个承台均采用陆上工厂预制混凝土套箱，将其船运至现场后，利用大型浮吊吊装放在桩上，浇完封底混凝土形成整体后再浇筑承台混凝土的施工工艺。非通航孔桥梁跨径有50米、60米、70米三种，其中50米、60米、70米跨的低墩均为圆形承台，60米、70米跨的中高墩为长方形承台。60米、70米圆形承台有直径10米和11米两种，桩基又分

3、为钢桩和混凝土桩，因此套箱种类较多。图1 套箱有限元模型图2东海大桥完全位于外海区，受台风影响大，风浪和海流流速均较大，且受潮水涨落的影响。在这样的条件下进行如此大规模的桥梁承台施工，国内还没有先例，因此，需对各种形状的套箱在各施工阶段作模拟分析，以探索出海上套箱设计思路与施工方法，确保桥梁的迅速安全施工。2套箱构造以70米跨径的桥梁承台套箱为例，直径为11米，承台内布置8根钢桩，空间有限元模型见图1。套箱中间处设置钢扁担（见图2和图4），并支撑在桩上，套箱底部采用钢底梁（见图3）结合钢吊杆来承受浇筑混凝土的重量。套箱吊装时吊点设在钢扁担上。套箱搁到桩上时，钢扁担搁置在桩顶。在桩间的钢扁担与钢

4、底梁设吊杆以减小底梁跨径，每个套箱内设置17根32的钢吊杆。 3 套箱计算与分析 图2 钢扁担布置图图3 钢底梁布置图图4套箱A-A 剖面示意图33.1套箱计算原则与目的(1 采用弹性小变形理论，用有限元方法计算套箱空间结构。(2 混凝土套箱壁将作为混凝土承台的一部分，其抗裂和防腐要达到承台的要求。 (3 验证该受力体系是否合理，安全。(4 根据计算结果指导封底混凝土是否需要配筋，如何配筋。(5 求各施工阶段的受力特点，以便施工时避开不利阶段，寻求安全、合理、快速的施工组织方式。3.2套箱计算所采用的基础资料和主要荷载 3.2.1基础资料 施工期水位：1.86m 设计高水位：2.48m 设计低

5、水位：0.0m 泥面高程：-11m水流垂线平均流速：1.77m/ s以上水位、泥面高程均以国家85高程为基准面。 五年一遇波要素见右表：从开始安装套箱到施工完承台只需经历几十天时间，取过大的波浪可能造成套箱设计上的浪费，过小的波浪则无法满足施工安全，因此采用五年一遇的波浪较为合适。波流力按照海港水文规范有关计算方法进行计算。 3.2.2主要单项荷载见表2。3.3施工条件与计算工况的荷载组合套箱吊装、安放需选择较好的天气，在波浪不大，低潮位的时候进行。因此吊装、安放两阶段仅考虑套箱自重。考虑到海上自然条件较差，受风浪、流、潮水影响大，不一定都能及时当天浇完封底混凝土，这样未浇封底混凝土的套箱就要

6、经受风浪荷载的考验。浇完封底混凝土到封底混凝土达到设计强度这段时间，封底混凝土作为荷载，暴露在海上有一定的时间段。此时结构是否能承受得了大浪，是否会影响封底混凝土的凝结质量，是计算的关键。 4封底混凝土达到设计强度，拆除钢扁担和吊杆，封底混凝土作为结构的一部分计算。封底完成后需抽水，因此这两个阶段的计算都需考虑静水浮力。静水浮力和波浪浮托力的叠加可能控制底板的配筋。表是各计算工况的荷载组合表。 3.4结构计算结果及分析对于套箱的每一部件，其最不利荷载是不同的；对于每一部件的不同内力，比如封底混凝土的Mx 、My ，其最不利荷载是不同的。因此对于可能出现的各种工况都要计算，以获得每部件最不利受力

7、阶段的最不利荷载下的受力。 3.4.1 套箱壁计算结果 由表4可知，套箱壁的受力最不利状态发生在计算工况五，波浪水平力作用时，套箱壁成为偏心受拉构件或偏心受压构件，环向轴力和竖向轴力都较大，须配足够的环向筋和竖向筋满足其强度和刚度要求。弯矩相对于轴力较小，表现为迎浪侧外壁受压，内壁受拉；5相反的一侧则外壁受拉，内壁受压。套箱壁的弯矩最大值发生在钢扁担支撑部位，因此该部分的套箱壁加厚以承受较大的弯矩，使整个套箱壁受力为小偏心受拉或偏心受压。封底混凝土达到设计强度后，套箱的刚度大幅度提高，套箱的内力减少。 3.4.2钢扁担、钢底梁计算结果 由表5可知，工况五中钢扁担和钢底梁的受力最不利，此工况的受

8、力控制钢扁担钢底梁的截面设计。阶段五以后钢扁担已拆掉，钢底梁浇到混凝土中，不再作为独立的构件受力，因此表中不列出其受力结果。若封底混凝土达到设计强度后未拆钢扁担的工况也作过计算，整个套箱具有一定的刚度，钢扁担的变形较小，故在保证封底和桩的有效传力的前提下，可拆除钢扁担，加快施工进度。 3.4.3封底混凝土板计算结果由表6可知：计算工况六和计算工况八封底混凝土板中的My 值远大于计算工况七，这说明竖向荷载在底板引起的弯矩远小于水平荷载，这和套箱的特征有关。这种条件下，波浪荷载决定底板的受力，一次性浇筑承台混凝土对底板来讲是可能的。封底在承台混凝土荷载作用下，在应力图上表现为桩周顶部受拉，跨中底部

9、受拉；在波浪作用下，桩周一侧顶部受拉，另一侧底部受拉。实际上波浪可能来自各个方向，所以在加强混凝土配筋时，应着重考虑在桩周各向配筋，加强钢筋以圆环柱体状的钢筋笼为最佳，但施工难度较大。若采用钢筋网片的配筋形式，应尽量设置多向受力筋，以接近环向受力状态。 3.3.4桩基计算结果由表7可知：若未浇筑封底混凝就遇上大浪，桩顶弯矩和位移最大，此阶段对桩不利，若为混凝土桩，需验算桩的抗裂性。套箱与承台相比，承受同样的水平力，但竖向力承台小得多， 因此弯矩较大， 设计时应考虑这个施工阶段的桩的受力是否超过使用阶段的受力。 使用套箱法施工承台时，桩基设计需考虑因套箱吊放可能造成桩基变形而引起的永久内力 因素

10、。 表 7 各工况下桩基内力结果 计算工况 Nmax (KN 三 四 五 六 七 1438 140 1762 1069 606 Mmax (KN.m 1262 45 1241 548 64 max (m -0.028 0.122e-3 -0.028 -0.008 0.126e-3 max (m -0.002 0.121e-3 -0.002 -0.65e-3 0.129e-3 max (m -0.0036 -0.97e-3 -0.0036 -0.44e-3 -0.535e-3 八 1315 545 -0.008 -0.61e-3 -0.63e-3 4 套箱设计考虑事项 （1）桩与底板的连接 承台

11、的重量通过底板传递到桩上，计算中偏安全地假定桩与底板之间的连接为铰接。 施工要采取一定措施保证桩与底板力的有效传递。封底混凝土达到设计前，可采取钢底梁 与桩焊接或加抱箍等措施，封底混凝土达到设计后，可在封底混凝土中配筋保证桩与底板 的连接。可根据不同的桩型采取不同措施，直桩应采取更多的措施因为直桩桩周将承受很 大的剪力，必须通过配筋，既要保证力的有效传递又要保证桩周混凝土不被剪坏；对于斜 桩，这部分力除了剪力还有斜桩的弹力支承比直桩安全。 （）波浪 东海大桥之所以与其他在大江内的桥梁不同，因为它在海上。选用合适的设计波浪对 整个套箱结构起决定性的作用。波浪对套箱的作用分为作用在套箱壁的水平力和

12、作用在底 板的浮托力。浇筑混凝土之前，底板受到浮托力的作用，对底板不利，对套箱壁则因为有 钢扁担传递水平力，整个套箱壁共同受水平力。浇筑混凝土之后，浮托力与混凝土的重量 部分抵消，对底板反而有利，此时套箱的底板有一定刚度，基本上由迎浪面那部分套箱壁 承受水平力。水平力决定着套箱壁的受力，浮托力决定底板及底梁的设计。 （）刚度 套箱为混凝土薄壳结构，不能承受较大的变形，但其控制荷载为水平力，因此套箱结 构设计和施工组织的思路都应该从刚度出发。 东海大桥的圆套箱高度 4.5 米， 均在 3.0 米处 设钢扁担。钢扁担不仅承担传递竖向力的使命，同时是套箱在 3.0 米处的强大的支撑，传 递水平力，使

13、整个套箱在波浪水平力作用下受力均匀，避免套箱壁有过大的位移。作为薄 壳结构，在横向力作用下，壳内应力表现为膜应力和弯曲应力两种，内力表现为轴力和弯 矩两种。 6 5 套箱施工中注意事项 (1 套箱起吊并将桩套入后，应马上对所有的桩基进行临时固定，使其成为一个整体框架， 以保证结构的稳定性，以避免在套箱搁置时，桩内就产生过大的结构内力。当确认桩基已 固定后，方可将套箱安放在桩上，使桩受力。 (2 由于底板开孔原因，钢底板上的次梁均断开，为保证底板结构刚度，在套箱安放后， 应考虑在每个桩上设置抱箍，并与钢底板的次梁进行联结，抱箍应与桩夹紧，以改善这部 分钢底板上的受力，也可改善桩与钢底板之间力的可

14、靠传递。 (3 原则上在套箱安装就位后，应抓紧完成各种钢结构联结，塞缝，排水，并预埋底板钢 筋、吊筋与预埋件后，尽快浇筑封底砼，以使桥墩基础及早成为整体，以抵抗可能发生的 较大波浪荷载，并应避免空箱情况下承受较大波浪荷载的情况，确保工程安全。 (4 东海大桥在海洋中，钢桩经过防腐，因此不能在钢桩上焊接型钢，以免成为锈蚀通道。 封底混凝土与钢桩的连接必须采取其他措施，可通过在桩顶设置小扁担，通过角钢将作用 在封底混凝土的部分力传至桩上，增加结构施工过程的安全度。 (5 承台混凝土小则二百多立方，大则一千多立方。大体积混凝土的水化不仅对承台混凝 土自身的质量有影响，同时可能会造成套箱内外壁受热不均，产生较大的温度应力。因此 有条件的情况，