陈村涌特大桥3#墩承台单壁钢吊箱围堰设计与施工

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  摘要:陈村涌特大桥3#主桥墩为深水高桩大体积混凝土承台基础,位于碧江主河槽,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:陈村涌特大桥 主桥墩基础承台 钢吊箱 设计 施工
  1 工程概况
  广州至珠海(西线)高速公路广州南海至顺德碧江段项目,路线全长14.659公里,路线起点接广州市南环高速公路,终点与碧桂一级公路起点相接。全线有互通式立交桥3座,特大桥6座,包括珠江特大桥、石洲特大桥、橹尾撬高架桥、冬瓜隆特大桥、勒竹高架桥、陈村涌特大桥,桥梁总长8494.2m。其中陈村涌特大桥全长1033m,为深水桩基础。3#主桥墩基础采用4根φ2.5m的钻孔灌注桩,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。3#墩位于陈村涌槽,墩位处河床标高142.63~148.38m,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:
  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《陈村涌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:29.0m×17.7m,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:
  该桥为广州至珠海(西线)高速公路广州南海至顺德碧江段重点控制工程之一,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2003年3月底将承台灌筑完毕,才能保证墩身在4月底施工到+186m这一洪水期水位之上。
  3 设计依据:
  3.1 《陈村涌大桥设计图》
  3.2 《公路桥涵设计手册》
  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1。
  
  由表1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
  ① 底板
  吊箱底板由底模托梁和底模组成,底板平面尺寸为18.4 m×29.7m,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2 [28a组成,横梁 (顺水方向)为次梁,间距为0.77m ~1.15m,由I22b組成,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δ=6mm ,肋为δ=6mm 板条,分12种型号共75块置于底模托梁上并与其焊接。
  ②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4 m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δ=8mm钢板,竖楞均为I25a工字钢,间距为640mm或655 mm,水平加劲肋为 L63×40角钢或δ=10mm钢板组焊成“T”字型加劲,间距为500mm~700mm,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δ=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。
  ③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2[22b组成,横向水平撑杆由φ273 mm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∠75×75×8角钢,缀板为δ=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。
  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 l32 mm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。
  ⑤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11.52 m,吊带为40 mm×320 mm的钢带(16Mn钢)。
  ⑥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1.93 m处,第二层设在距围堰底板4.73 m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《公路桥涵设计规范》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=2.0 m/s;
  风速很小,在此可忽略;
  封底混凝土容重;γ=23KN/m3;
  水的浮力:γ=10KN/m3;
  5.2计算内容
  ①吊箱拼装(上、中、下三层逐层入水)下沉计算;
  ②吊箱结构设计计算;
  ③封底混凝土施工阶段计算;
  ④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。
  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。
  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+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
  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 钢吊箱施工
  3#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體;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:
  ①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。
  ②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。
  ③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。
  ④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
  陈村涌大桥3#墩基础承台为深水高桩大体积承台,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,取得了显著成效。
  ①速度快,节省工期:边钻孔边拼装围堰,2003年2月6日钻孔桩水封完毕,至2003年2月25日下沉到位并封底成功,仅用19天时间。
  ②质量优:因吊箱围堰结构设计合理,定位准确,无渗漏现象。
  ③效益好:因单壁钢吊箱结构设计合理,节约了数十吨钢材,加之吊箱侧板又兼作承台施工模板,节省了模板费用,合计节约资金近20万元。
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