某大桥墩承台钢吊箱设计与施工

xx坝大桥3号墩承台钢吊箱设计与施工一、工程概况1、结构形式及工程数量xx坝大桥是跨越沱江的一座城市桥梁，是连接市中心与开发区及规划中的遂内高速路的主要交通要道。主桥全长310米，由三跨（70m+126m+70m）预应力箱梁连续刚构和两跨连续现浇梁（20m+24m）组成，共设5墩1台，分为左右双幅。主桥3号墩位于沱江水深最深的倒湾口位置处，常水位水深为18m，洪讯期水深达25m，基础为钻孔灌注桩高桩承台结构，单幅桥共有9根直径Ф2m，长35m的钻孔灌注桩，承台顶面处于常水位水面以下2m左右。单个承台结构尺寸为14mx13.2mx4m，混凝土方量740m3，总重量1924吨，混凝土标号为C40，钢筋重量90吨。3号墩基础结构见图1。2、钢吊箱的作用、几何尺寸钢吊箱的作用钢吊箱顾名思义既是吊在水中的大型钢构件箱体，其作用是为了实现水中承台的干施工，底板是封底混凝土的控制面，侧板（箱壁）的作用是隔离河中的水，同时作为浇注封底混凝土及承台混凝土的侧模。钢吊箱的几何尺寸根据承台的结构尺寸和施工时段水文特征及施工工艺要求，拟定钢吊箱高度为8.6m，露出水面至少保证50cm，承台尺寸为14mx13.2m，桩基施工的钢围笼平台净空尺寸为16mx14.2m，由于受钢围笼平台净空的制约，考虑到钢吊箱加工及安装误差等因素，内侧面两端各加大5cm作为富裕量，外边缘预留15cm的空间（钢吊箱与钢围笼间）富裕量，由于受原有条件的影响，钢吊箱设计为单壁式，几何尺寸为：14.7mx13.9mx8.6m（外围）。图13号墩基础结构图二、钢吊箱设计1、钢吊箱设计思路钢吊想的设计原则为：保证在各种施工工况荷载作用下，各构件的承受能力达到要求，既确保安全、实用的前提条件下，尽量满足在现场现有的施工条件下实现操作；尽量利用现有的机具及设备；尽量简化施工工序及工艺，做到便于施工操作；尽量减少工程施工成本的投入。2、钢吊箱设计工况拼装下沉阶段钢吊箱分为两节拼装下沉，各承重构件仅受吊箱自重，荷载相对较小，侧板承受的水头压力内外平衡，此阶段可不作验证，单需对下沉的吊具进行计算验证。封底混凝土施工阶段封底混凝土的厚度应根据各时间段水位的变化情况，计算抽水容量，浮力大小，按抗浮要求对厚度作实际的确定，避免造成浪费及加大钢吊箱的荷载。根据施工进度计划，经过估算及计算，在承台施工时期封底混凝土厚度需要1.8m~2.3m。故在封底混凝土施工时，钢吊箱底板承受混凝土浮重按2.3m厚度计算，封底后侧壁承受水与混凝土容重差所产生的侧压力（箱内外水头保持平衡）亦较小，因此，此阶段仅进行吊箱承重体系的受力验算。抽水阶段此时钢吊箱以下沉到设计标高并就位，封底混凝土灌注完成且达到抽水强度要求，箱体内的水已抽干，并准备进行下一道工序施工，此时工况下箱壁承受的水头压力和封底混凝土承受的上浮力均为最大，所以此工况作为箱壁结构（按6m高度水头差压力）及钢吊箱抗浮稳定的控制状态进行计算。承台施工阶段单个承台高4m，钢筋混凝土方量为740m3，重量为1924t，根据自身施工条件及能力和大体积混凝土施工工艺，承台分为两层施工（每层厚度为2m）。在承台施工阶段，封底混凝土的重量基本与浮力相抵消，故钢吊箱可以按照大于2m厚度钢筋混凝土荷载重量（第二层施工时考虑第一层混凝土仅承受自身的自重，不参加钢吊箱共同作用，施工、振动荷载按钢筋混凝土荷载的15%~20%另外考虑）进行计算验算，实际按照2.5m厚度进行计算。3、施工要求钢吊箱结构设计时需根据施工现场实际情况出发进行各方面综合考虑，运输方式、浮吊起重能力、施做可行性、操作简单化、下沉工艺、封底工艺等因素均应满足施工要求。4、钢吊箱结构按照实际施工条件，通过设计和结构计算，确定钢吊箱采用单壁式，采取零件加工制作，分解吊装组拼。钢吊箱主要结构由7部分组成。见图2、图3。上承重系：纵大梁（2I45a工字钢并排连成）、横大梁（4I40c工字钢并排叠放组成），并在伸臂较长部位采用斜撑杆件支撑在承重柱上，上承重系承受吊杆传递的荷栽（第一层钢筋混凝土重量及吊箱自重）。支承系：由9根Φ630钢管组成，钢管在孔桩施工时进行预埋（埋入深度2m），为了加大构件截面回转半径，确保安全，在管内灌满C30混凝土，承受上承重系传递的荷栽。吊杆系：由48根吊杆组成，吊杆采用Φ32精轧高强螺纹钢筋通过联结器、配套螺母连接组成，把上承重系与下承重系联成一体，承受下承重系传递的荷栽。箱壁（侧模）系：由40块大型钢模板（面板δ=6mm；竖肋[14b，@=45cm；横肋[8，@=45cm，满焊焊接）拼装构成，分为两层（每层高4.2m）拼装，每块模板采用M22螺栓连接，倒角部采用特制H型构件连接，与底板的连接采用90型角钢连接，各块模板缝中间贴8mm厚遇水膨胀止水橡胶带（静水膨胀率200%~300%），另外在箱壁外侧加设通长的加强肋（[16槽钢，@=90cm）作为箱壁受压骨架。箱壁主要作用在于封水及承受侧向水头压力，并作为封底及承台混凝土侧模所用。内撑系：由腰梁（I36a工字钢并做加强处理）及支撑桁架（75x75x6mm型角钢加工）和支撑井架（Φ168加厚钢管）组成，共设两道，每道间隔2.5m左右，另外顶部采用型钢（[14槽钢）与支承柱和围笼钢管柱焊接，作为顶部支撑及顶拉重的用途，其中支撑井架仅作为临时支撑，在钢吊箱排水，把桩基的钢护筒及桩头处理掉，转换成支撑桁架支撑在支撑柱上后，再把支撑井架钢管取出，以增加箱体内的作业空间，方便承台钢筋及混凝土施工。内撑系主要作用为抵抗水压力，防止箱壁产生变形而漏水，甚至破坏。下承重系：由底板（δ=12mm，A3钢板）、分配梁（[20a槽钢,用50型角钢进行整体连接]及底大梁（6根预制钢筋混凝土梁，C30，截面22cmx60cm，单根重量控制在5吨内，按8跨连续梁形式，受弯结构计算配筋，并加角钢架加强）组成，主要承受钢吊箱自重和封底混凝土重量或第一层钢筋混凝土重量荷载。底板采取分块拼装，并对拼缝进行焊接，与钢护筒间的缝隙采用钢盖板盖封，并由潜入员下水用泥土袋进行封堵。分配梁按间距50cm布置在底大梁上，并和大梁上预埋的钢板焊接，用小型钢进行整体连接。封底混凝土：主要作用为封闭吊箱及抵抗水浮力，防止钢吊箱往上浮。封底厚度可按如下公式计算：Q+T（rcA+nπd[T]）≥KrhA，其中Q：吊箱自重（取125吨）；T：封底厚度；rc：混凝土容重（24KN/m3）；A：吊箱底净面积（扣除桩截面，m2）；n：承台中桩的数量（9根）；d：桩的直径（取钢护筒外径Φ=2.2m）；[T]：钢护筒与混凝土间容许摩擦力（经验取值4.5t/m2）；r：水的容重（10KN/m3）；h：抽水高度；K：系数（取1.1）。封底厚度应根据不同季节，不同水位（抽水高度）水浮力的作用效应进行计算。图4钢吊箱安装施工场景（右幅桥承台）三、钢吊箱施工概述钢吊箱施工自身工艺繁杂，技术难度大，且属于首次施工，经验空缺，加上关键设备（浮吊、运输船）受河道的条件限制（常水位时段，上下游河道窄、河水较浅），大型浮吊设备无法进场，只有根据具体情况，利用本地的驳船（60t）自己改装成水上吊车作业平台，结合吊车构成简单的小型浮吊（5~7m作业半径范围内，最大吊装5t左右），吊装能力严重制约了钢吊箱的安装及下沉；封底混凝土灌注设备（导管、搅拌站）落后、数量少；左右两幅工作面相距小，同时作业时相互干扰大，水上平台工作面小，材料繁多；工期紧，需抢在洪水到来之前完成两幅水中承台的施工等因素的影响，更是增加了钢吊箱施工的难度，主要突出表现在以下几方面：①钢吊箱的安装；②钢吊箱的下水；③封底混凝土的灌注；④钢吊箱的抗渗水。施工工艺流程（见图5）主要工艺与施工过程（1）、钢吊箱施工前的准备工作①、钢护筒周边情况的探测由于钢围笼与钢护筒之间的间距小，为了保证钢吊箱能顺利下放就位，须对钢护筒外围的情况进行探测。探测方法：用钢板加工一个与钢护筒外围直径一致的钢圈，水平套入钢护筒徐徐下放，检查是否可以下滑到底，采用线球量测水下钢护筒与钢围笼间的间距是否存在富余量，另外安排潜水员下水进行水中情况探摸。②、钢围笼平台拆除钻孔桩灌注完成并检测合格及支承柱灌注后，须将钻孔操作平台的型钢件拆除，并把钢护筒顶面割除部分，保持露出水面50cm。支承柱预埋及灌注、封口钢吊箱设计分块加工制作钢围笼顶平台拆除搭设简易安装平台测量放样设置下放导向轨道支承柱预埋及灌注、封口钢吊箱设计分块加工制作钢围笼顶平台拆除搭设简易安装平台测量放样设置下放导向轨道安装下承重系分配梁安装上承重系横纵梁安装吊杆、吊具及底板底层箱壁及钢管支撑钢吊箱一次下沉上层箱壁及钢管支撑钢吊箱二次下沉就位预留孔封堵、封底准备调整加固、顶层支撑架灌注封底混凝土、养护运输到场就位布置下沉吊具抽水、内支撑系转换、封底找平、钢护筒割除、桩头凿除测量放样测量控制测量复核图5施工工艺流程图（2）、钢吊箱构件的加工制作钢吊箱的构件制作采取零件加工，箱壁钢模板委托专业加工厂进行制作，验收时必须保证模板的外围尺寸误差控制在3mm内，周边轮廓平整度控制在1mm内，面板与肋板的焊缝应符合设计要求及《钢结构焊接规范》。腰梁、底大梁、支撑桁架、支撑井架、底板的加工应注意及严格控制三点：a、结构尺寸准确；b、焊接质量保证；c、预留孔位置准确。（3）、支承柱预埋、灌浆、封口支承柱预埋在每根钻孔桩灌注完毕后立即进行，预埋操作时动作应迅速，且必须保证其位置准确和垂直，埋好后需通过型钢焊接固定在钢护筒顶口上，以防在其自重或旁边钻孔作业震动的作用下，出现下沉的现象。支承柱内灌浆采用同承台混凝土标号（C30），在灌注前需对钢管部分的桩头进行处理。处理办法：首前采用小型卷扬机带动小型钻锤（自制，150Kg）冲钻，把桩顶混凝土和泥浆混合物层击碎，再用吸泥管或高压水把碎渣排除，最后抽干管内的积水、灌注混凝土。封口采用δ=16mm钢板（75x75cm）封焊在支承柱顶面，作为上承重系横梁的支点面。（4）、钢吊箱拼装与下沉①、简易平台及导向轨道设置钢吊箱的拼装在钢围笼内水面上进行组拼，直接把底大梁吊放在钢护筒顶面上，利用悬挂在钢围笼上的下沉吊具（10t手拉倒链葫芦）把大梁吊起作为水上操作平台，并随着钢吊箱其它构件的陆续拼装，增加中间部分的下沉吊具吊托，减小底大梁的承载跨度，以防破坏。钢吊箱下放入水后，在受水流力作用下，会使吊箱底板与钢护筒紧密贴合，影响钢吊箱的下沉及导致下沉就位位置的偏离。为此在外围的钢护筒的外边缘设置圆形钢管导向轨道进行限制和导向，并在吊箱的上下四角位置设置纠正拉缆与钢围笼连结，利用4个5t手拉倒链葫芦及开口滑车进行调整。见图6。②、钢吊箱拼装钢吊箱分为两节拼装，采取解体单件组合的办法进行拼装，拼装与下沉交叉进行。各构件拼装顺序为：位置测量—安装分配梁—安装上横向大梁—安装上纵向大梁—安装吊杆及下沉吊具—安装底板—安装第一层箱壁—安装腰梁—安装钢管支撑井架—检查、调整加固—一次下沉—接高拼装—二次下沉。拼装是应着重注意以下几方面的问题的处理：a、底大梁较长、较重（5t），单侧的吊车无法一次吊装到位，须利用两侧的两辆吊车共同协助操作，并且须有专人指挥作业。b、在拼装前需把吊箱的四角位置放样在简易平台上，各构件拼装时应对称操作，以免出现过大偏载。c、吊杆安装前须在其身上端2m~3m范围内，按每10cm格作好标记，用于检查和控制下沉操作的同步性及所有吊杆受力的均衡性。吊杆露出螺母端需保证不少于6cm，并且下端螺母与底大梁的预埋板焊连在一起，为了防止在施工过程中，吊杆被电弧焊触焊而丧失其作用能力，吊杆采用Φ40塑料胶管套住。吊杆安装须保证直顺，严禁弯折或斜吊。d、底板首前在岸上把大块钢板进行预拼，在平面上把钢护筒、吊杆、下沉吊具吊耳的位置关系放样出来，根据放样位置进行割孔，并按吊装能力的要求，组拼操作的方便性，把整个底板分解为小块件，再到现场拼装。组拼好后，需对各块钢板的接缝进行焊接，顺分配梁方向的接缝须满焊，其它接缝可采取间断方式焊接。e、箱壁安装前应进行测量放样，拼装顺序：先边角，后中间。为了防止模板接缝间的遇水膨胀止水带在拧紧螺栓时产生皱褶，而影响箱壁的密水性，止水带须用强力胶水与模板的连接肋表面进行紧密粘贴，模板接逢的连接螺栓须全部上满，并对称拧紧。③、钢吊箱下沉钢吊箱下沉分为两步进行：第一次下沉行程约3.5m左右；第二次下沉行程约4.5m左右。下沉前需对整个钢吊箱各部位的连接情况做全面的检查，确保均达到要求后方可进行。钢吊箱下沉采用30个10吨手拉倒链葫芦作为下沉吊具，按受力平均分配并考虑1.8倍的不平衡系数，既单个手拉倒链葫芦承受的力为：F=125/30x1.8=7.5t。吊具沿每根底大梁布置5个吊点，间距3.5m左右，吊具所用钢丝绳直径为Φ23（6x19（a）类，纤维芯），图7钢吊箱下沉作业场景吊环夹采用绳卡轧头（M20螺栓），每端设置4个，按120mm间距布置。钢吊箱的下沉通过下放倒链葫芦来实现，下沉操作须本着“安全、平稳”的原则进行，作业时间设置在白天进行。下沉时，每人负责一个倒链葫芦，并由专员负责统一指挥操作，要求口号统一，动作一致。每步下沉量控制在10cm左右，每5步暂停进行调整，检查每个吊点的倒链葫芦的松紧度是否一致（通过手摇感觉），并及时做调整，同时测量整个钢吊箱的四边下沉量是否同步（通过设在钢围笼上的控制点量测），否则需通过调整各边的倒链葫芦的每步下放量来纠正下沉差值，在下沉过程中随时测量钢吊箱的四个角边位置，以便出现偏位时能及早进行较正。钢吊箱下沉就位完成后，经测量复核合格，带紧调整拉缆，并用[14槽钢在箱壁顶口与钢围笼和支承柱三者间进行焊连，每侧箱壁设置6道，既可作为定为加，又可作为顶部内支撑架。（5）、钢吊箱封底混凝土封底混凝土是钢吊箱的一个重要部分，封底混凝土的好与坏关系到钢吊箱的稳定性及密水性，故须保证封底混凝土一次性浇注成功。封封底混凝土土土方量约约310mm3，按搅拌拌站的供应应能力（20mm3/h），估计计需灌注16~220个小时，根根据混凝土土供应能力力，以及6天抽水要要求，对混混凝土性能能要求如下下：a、6天强度应达到220Mpaa；b、混凝土坍落度度保持在19~222cm水平；c、混凝土初凝时时间不小于于22个小时。根据一般经验及及规范，导导管作用半半径按3.5m计算，吊吊箱平面内内设置8个灌注点点（见图8所示），由由于搅拌站站供应能力力小，加上上导管数量量不足（只只有4根），姑姑封底混凝凝土灌注工工艺采取分分区域，由由中间向四四周逐渐摧摧进的方法法，即在箱箱体中间部部位1~4灌注点各各布置一根根导管，导导管下口离离底板面高高度30cm，采取拔拔球法，首首先在此4个灌注点点逐根筑堆堆，轮流补补料（根据据筑堆快慢慢及扩散程程度情况，一一般间隔2个小时左左右，以免免时间导致致堵管），中中间部位灌灌注基本到到位后就移移动导管，导导管移动方方法为：用用吊车提起起导管，用用塑料薄膜膜叠制3层把导管管口包住，并并用胶带粘粘布缠绕粘粘贴和铁丝丝线困绑，吊吊车把导管管吊移至灌灌注点（此此时灌注点点的混凝土土覆盖厚度至少保证证有50cm以上），接接着往下放放，下放时时应安排两两人在水面面出扶持住住导管，防防止在水浮浮力作用下下而倾斜，当当将要进入入混凝土面面时下放动动作须迅速速、利索，插插埋进混凝凝土里面后后，须用小小石子或探探照灯探测测管中是否否漏水，如如出现漏水水情况，应应提起重新新下放，此此工序一般般需进行2~3道方能取取得成功。（6）、抽水、内支支撑转换、封封底找平处处理封封底混凝土土灌注完毕毕6天后开始始抽水，抽抽水作业尽尽量安排在在白天，每每抽出1m高度后就就暂停，然然后对整个个钢吊箱进进行观察、检检查，在确确定没有异异常现象后后方可继续续抽水。当抽水水位底于于钢管支撑撑井架后，应应及时把支支撑桁架位位置以上的的钢护筒及及桩头割取取和凿除，接接着安装上上支撑桁架架，进行支支撑体系转转换，然后后钢管支撑撑井架取出出箱外。把箱体内的水抽抽干后，就就进行封底底混凝土的的表面找平平处理，并并设置排水水暗沟及集集水槽，用用以抽排箱箱壁或封底底渗透进来来的积水。在在第一个钢钢吊箱施工工时，渗水水量较大，超超出了我们们的想象，最最后采取设设置两个集集水槽及纵纵横向暗沟沟在箱内抽抽排的办法法基本上控控制住了积积水量，但但整个排水水处理中花花费大量的的宝贵时间间及投入了了大量的劳劳力和设备备，并且冒冒了一定的的风险（暗暗沟和集水水槽设置多多，对封底底混凝土的的抗浮作用用起到了削削弱影响），对对承台的钢钢筋作业也也带来了诸诸多的不便便，经吸取取教训和经经验，在第第二个吊箱箱施工中，设设置了体外外排水管筒筒进行箱外外排水的办办法（见图图9），完全全有效地控控制了箱内内积水问题题。四、结束语语经过5个月的艰苦施工工，终于抢抢在洪水近近临之前完完成了左右右两幅深水水承台的施施工，为顺顺利实施墩墩身及梁段段施工奠定定了基础。通通过本工程程钢吊箱施施工，有如如下几点认认识及体会会。（1）、因受钢围笼笼空间和水水上吊装能能力的限制制，钢吊箱箱采取单壁壁形式，分分解制作，组组合拼装的的办法联结结成为整体体。为在今今后类似结结构因加工工场地和起起重能力有有限的情况况下提供了了一种新的的解决办法法。（2）、钢吊箱下沉沉采用30个10吨手拉倒倒链葫芦来来实现，通通过两个钢钢吊箱的施施工证实此此法可行