浅谈有底钢套箱的设计和施工.doc

浅 谈 有 底 钢 套 箱 的 设 计 和 施 工浅谈有底钢套箱的设计和施工路桥华南工程有限公司 王洪亮摘要：描述佛山市龙湾大桥及引道工程（第LWS-2合同段）主桥主墩承台水文、地理环境，介绍该钢套箱围堰设计情况和有底套箱封底施工的过程，以及处理类似工程实际问题的基本程序和思路；通过简述有底钢套箱施工工艺及施工控制，以及施工过程中所遇到的问题，从而总结该有底钢套箱的设计经验和施工控制的建议。关键词：栈桥 设计 施工一、工程概况1主塔基础结构形式佛山市龙湾大桥及引道工程位于广东省佛山市禅城区南庄镇及南海区西樵镇，路线起于西樵镇的樵金路崇民东路交叉口，路线朝东北方向延伸，跨越顺德水道之后继续向东北方向前进与罗南路（南庄大道西沿线）交叉，之后沿罗南大道延伸至紫洞路交叉口，全线长约4.3km。主墩承台尺寸为47.6m（横桥向）17.6m（纵桥向）5.5m（高度），顶标高为+2.0m，底标高为-3.5m。桩基采用20根2.8m钻孔灌注桩（钢护筒直径3.1m），梅花形布置。承台采用C30混凝土，封底混凝土采用水下C25混凝土，钻孔桩采用C30水下砼。结构尺寸图2承台及河床高程P18#主墩承台处河床标高为-8.39-10.88m，P19#主墩承台处河床标高为-5.5-11.3m，承台底面设计高程为-3. 5m，拟采用单壁有底套箱进行承台施工；考虑水下砼封底，封底厚度为150cm，计算时套箱底标高按承台底标高向下1.5m，套箱底标高为-5.0m。 3水文条件 根据广东省水文局佛山分局提供的龙湾大桥及引道工程标项目施工期水文分析成果报告中的主要水文计算数据如下表：龙湾大桥及引道工程标项目水文分析计算成果表序号项目成果120年一遇水位对应流速平均1.51m3/s最大2.46m3/s250年一遇水位对应流速平均1.63m3/s最大2.61m3/s3100年一遇水位对应流速平均1.77m3/s最大2.68m3/s4历史最高水位值7.10m发生时间1994年6月5历史最低水位值-0.90m发生时间1991年12月6历史平均水位0.85m 龙湾大桥及引道工程标项目水文分析计算成果表年份一月二月三月四月五月六月七月八月九月十月十一月十二月2005最高水位1.18 1.01 1.36 1.33 2.32 6.83 2.97 1.48 1.41 1.24 1.25 1.23 最低水位-0.74 -0.63 -0.69 -0.54 -0.31 0.38 0.06 -0.09 -0.29 -0.54 -0.53 -0.71 平均水位0.05 0.10 0.08 0.27 0.83 2.79 0.97 0.51 0.47 0.35 0.25 0.14 2006最高水位1.20 1.55 1.28 1.52 2.24 3.71 5.00 3.44 1.43 1.27 1.39 1.43 最低水位-0.56 -0.61 -0.57 -0.40 -0.12 0.48 0.10 0.20 -0.14 -0.30 -0.53 -0.53 平均水位0.12 0.16 0.23 0.36 0.71 1.73 1.86 1.61 0.52 0.41 0.33 0.29 2007最高水位1.15 1.09 1.32 1.23 1.63 3.66 1.99 1.86 1.67 1.65 1.38 1.34 最低水位-0.55 -0.69 -0.43 -0.46 -0.35 0.03 -0.12 -0.02 -0.05 -0.33 -0.38 -0.61 平均水位0.14 0.09 0.31 0.31 0.41 1.27 0.62 0.67 0.78 0.45 0.41 0.23 2008最高水位1.17 1.31 1.09 1.38 1.70 6.17 3.22 2.01 2.51 1.75 2.16 1.40 最低水位-0.50 -0.62 -0.63 -0.19 -0.26 0.43 0.52 0.24 -0.11 -0.22 -0.21 -0.50 平均水位0.17 0.21 0.19 0.48 0.66 2.81 1.47 0.94 0.73 0.65 0.85 0.29 2009最高水位1.30 1.14 1.29 1.74 2.37 1.99 3.70 1.86 2.17 1.40 1.34 1.20 最低水位-0.62 -0.55 -0.61 -0.32 -0.31 0.18 0.13 -0.33 -0.22 -0.43 -0.55 -0.65 平均水位0.16 0.18 0.25 0.47 0.72 0.93 1.28 0.56 0.52 0.40 0.20 0.16 根据施工计划，承台施工在124月份，施工处于低水位期间，根据水文资料，施工期间近年来最高水位为+1.74m、最低水位为-0.74m等数据，套箱设计时取最高设计水位取+1.8m，最低设计水位-0.8m进行控制。二、有底套箱设计1结构设计龙湾桥主墩围堰为单壁的有底钢套箱，总平面尺寸为48.68m18.68m，根据承台结构形式设计，总高度7.1m（另加0.2m高的防浪板）；套箱底面标高为-5.0m，顶面标高为2.1m，套箱下沉到设计标高后进行封底，封底砼（C25水下砼）厚度1.5m。套箱结构主要由壁板系统、围囹及内支撑系统、底板系统和底板提吊系统四部分组成。壁板系统壁板系统包括面板、加劲肋和龙骨，面板与加劲肋和龙骨之间通过焊接连接。面板采用6mm厚钢板，加劲肋采用L80506mm不等边角钢，上下两层水平肋除外（最上层水平肋采用L80508mm，最下层水平肋采用228a），横、竖向间距均为40cm；竖向龙骨采用25a，间距为80cm，与加劲肋位置相对应布置。为保证套箱在抽水前内外水头一致，在套箱侧板设置连通孔，连通孔中心标高为+0.5m，共设置4个，具体位置见结构图，连通孔在抽水前保持贯通，准备抽水时采用盖板焊接封堵。围囹及内支撑系统本套箱共设置3层外围囹、1层内围囹及内支撑，外围囹均采用228a、内围囹采用232a、内支撑采用5296mm钢管+4根228a立柱，在套箱组拼成整体下放之前焊接。顶层外围囹中心标高为+1.3m，中间外围囹中心标高为-0.7m，底层外围囹中心标高为-2.9m；内围囹及内支撑中心标高为-0.2m，钢管支撑在内围囹上，支撑与围囹间加垫钢板防止应力集中，内支撑与底板之间焊接228a立柱。各构件间均为满焊，焊缝厚度按薄板母材厚度控制（母材厚度低于8mm的按8mm控制）。底板系统套箱底板面板采用5mm厚钢板，承台外最下层主龙骨为2I28a工钢，其上层次龙骨为2I12.6和I12.6工钢。每层内龙骨之间连续满焊，焊缝厚度不得小于较薄母材厚度；龙骨与面板、分层龙骨之间钢丝绑扎以连接固定。底板提吊系统在组拼提吊下放和封底砼浇筑阶段，底板系统通过提吊系统改善受力。底板提吊系统分为提升架和提升吊杆，提升架为2I45a工钢、提升立杆为JL32mm精轧螺纹钢。在由16个吊点处临时提吊未下放之前，提升立杆与套箱底板主龙骨连接，提升架与钢护筒焊接；下放到位后由提吊系统固定，解除临时提吊（16个吊点分别由一台60t穿心千斤顶和吊杆组成，位置布置如设计图所示）。套箱整体布置图2设计处理承台钢套箱工况分析根据施工流程分析，套箱和内支撑受力不利工况分别为：套箱分块组拼提吊下放状态，套箱和内支撑及围囹的受力和变形。封底砼浇筑阶段，套箱和内支撑及外围囹的受力和变形。封底砼强度达到设计要求后，套箱内完成抽水时，套箱和内支撑的受力和变形。第一层承台砼浇筑阶段，套箱和内支撑及外围囹的受力和变形。第一层承台砼强度达到设计要求后，拆除内支撑时，套箱和外围囹的受力和变形。第二层承台砼浇筑阶段，套箱和外围囹的受力和变形。封底砼厚度计算高水位+1.8m情况下套箱内抽水完毕封底砼的应力和变形如下：封底砼应力图封底砼变形图由以上模型可知，1.5m厚C25封底砼最大拉应力为0.87MPa；轴心抗拉设计值为1.23MPa，封底砼强度满足要求。 低水位-0.8m情况下浇筑第一层承台砼封底砼的应力和变形如下：封底砼应力图封底砼变形图由以上模型可知，1.5m厚C25封底砼最大拉应力为1.20Mpa；轴心抗拉设计值为1.23MPa，封底砼局部应力集中安全储备较小，考虑在封底砼底面以上10cm处，以部分护筒中心为中心，设置一层25环向钢筋进行加强，取单位宽度1m钢筋砼板悬臂板进行计算。设单位宽度1m内设置5根25钢筋，钢筋中心离受拉区顶面10cm，。受压区高度抗弯承载能力，封底砼强度满足要求。 抗浮稳定性验算根据计算的封底砼厚度，对封底砼进行整体的抗浮稳定性验算。高水位+1.8m情况下套箱内抽水完毕套箱轮廓线面积，封底砼厚度1.5m，套箱内外水头差6.8m，与封底砼的接触高度偏安全设为1.2m，封底砼与钢护筒的粘结强度设为；侧摩阻可能向上也可能向下，如果浮力大于自重侧摩阻是向下的，如果浮力小于自重则侧摩阻是向上的，这里直接按最不利的条件取摩阻向下。向上的荷载：（除去桩基部分）向下的荷载:套箱自重：封底砼自重：封底砼与护筒之间的摩阻力：向下的荷载:整体抗浮稳定安全系数整体抗浮稳定性满足要求。低水位-0.8m情况下浇筑第一层承台砼套箱轮廓线面积，封底砼厚度1.5m，套箱内外水头差4.2m，与封底砼的接触高度偏安全设为1.2m，封底砼与钢护筒的粘结强度设为；每根护筒有4个吊点与钢护筒锚固连接形成新的提吊系统，按最不利的条件取摩阻向上。向下的荷载:套箱自重：封底砼自重：第一层承台砼自重：向下的荷载:整体抗浮稳定安全系数则向上的荷载：向上的荷载：套箱整体浮力：封底砼与护筒之间的摩阻力：则底板提吊拉力：一共80个吊点，每个吊点应满足可以承受23.6t。钢套箱及支撑系统计算采用midas civil有限元分析程序，对结构整体进行建模分析；面板采用板单元，板厚以mm为单位，型钢均采用梁单元，并对其赋予相应材料特性值；以下选取1、2、3、4、5、6不利工况进行详细计算。工况1：套箱分块组拼提吊下放；施工荷载：套箱自重、风压。工况2：套箱内外侧水头一致，浇筑封底砼；施工荷载：套箱自重、封底砼自重、套箱外静水压力、套箱内静水压力、封底砼侧压力、水浮力、套箱内水自重、流水压力。工况3：封底砼强度达到设计要求，套箱内抽水完毕；施工荷载：套箱自重、封底砼自重、套箱外静水压力、水浮力、流水压力。工况4：第一层承台砼浇筑阶段；施工荷载：套箱自重、封底砼自重、第一层承台砼自重、第一层承台砼侧压力、套箱外静水压力、水浮力、流水压力。工况5：第一层承台砼强度达到设计要求，拆除内支撑；施工荷载：套箱自重、封底砼自重、第一层承台砼自重、套箱外静水压力、水浮力、流水压力。工况6：第二层承台砼浇筑阶段；施工荷载：套箱自重、封底砼自重、第一层承台砼自重、第二层承台砼自重、第二层承台砼侧压力、套箱外静水压力、水浮力、流水压力。将各种工况作用下，钢套箱各构件的计算结果汇总如下表：钢套箱各构件的计算结果汇总表构件名称规格型号最大组合应力备注侧龙骨25a137.4MPa工况二，背流水压力面中加劲肋80506、228a136.2MPa工况六，最上层外围囹相接处（横桥向直线与曲线相接处）套箱侧面板6mm厚钢板89.4MPa工况二，侧板与底板相接处（背流水压力面中）底板面板5mm厚钢板125.0MPa工况二，与钢护筒相近处的各吊点底板主龙骨2I28a125.6MPa工况二，与钢护筒相近处的各吊点底板次龙骨I12.6、2I12.6134.3MPa工况二，与钢护筒相近处的各吊点外围囹228a116.2MPa工况三，横桥向面中内围囹232a119.7MPa工况三，与内支撑相接点（横桥向面中）内支撑5296、228a84.1MPa工况三，中间两个支撑的相交点提升架2I45a117.0MPa工况二，桥中线向上两根吊杆连接处；相交处型钢设置竖向劲板加强。吊杆JL32mm343.6KN工况二，桥中线附近几根吊杆；JL785级可承受631.1KN。对拉杆8124.2MPa工况六，拉杆两端与侧板相接处压杆稳定5296mm46.55MPa工况三，封底后抽空水时内支撑焊缝10mm85.42MPa工况三，封底后抽空水时外围囹连接螺栓24mm117.43MPa工况六，浇筑第二层砼时外围囹构件名称构件变形备注侧龙骨24.8mm工况二，侧板上边缘（流水压力面中）加劲肋24.8mm工况二，侧板上边缘（流水压力面中）套箱侧面板24.8mm工况二，侧板上边缘（流水压力面中）底板面板28.0mm工况二，底板中间桩基空位底板主龙骨27.2mm工况二，底板中间桩基空位底板次龙骨28.0mm工况二，底板中间桩基空位外围囹24.7mm工况二，流水压力面相接处内围囹24.2mm工况二，流水压力面相接处内支撑29.4mm工况三，与两短边面相接处提升架20.4mm工况二，桩基空位两根吊杆吊杆27.1mm工况二，桩基空位两根吊杆相接处对拉杆5.2mm工况六，两侧最边上的拉杆三、有底钢套箱封底施工1封堵板安装施工封堵板是在浇筑封底混凝土前，把底板开孔口与护筒之间缝隙封堵上，防止封底混凝土漏出套箱以外的板结构，封堵板一般采用8mm的钢板制作，为环形板单元结构，内半径与钢护筒相同，板宽一般大于20cm，每个护筒周围用3片封堵板进行封堵。封堵板构造见下图所示： 封堵板一般构造图当套箱下放到位后，安排潜水人员潜入水中将每个孔位的封堵板逐一安放好，并用铁丝绑扎牢固，然后检查封堵板与护筒的贴合情况，利用麻布进行初步塞缝后，再用长条形砂袋装入干砂，连接成一圈后下放到封堵板上，贴近护筒，潜水人员在水下把砂袋理顺，使砂袋完全封住空隙，砂袋接头用铁丝连接绑扎，避免水下混凝土从空隙流走。砂袋样图砂袋填压封堵板安装示意图2连通管的设置为防止封底混凝土施工完毕后，在封底混凝土等强的过程中浮力对未具强度的封底混凝土的影响，在底板上设置连通管，使钢套箱内外连通，保持内外水头一致。连通管一般采用1945钢管，每2030m2设一根连通管，其底部穿过底板并低于底板10cm，根据实际的水文资料，设定连通管顶面标高，在实际施工时根据现场的实测的水面标高再进行连通管长度的调整，要确保连通管顶面标高高于低水位1520cm，以防止进行封底混凝土时受堵，并有利于封底后密封连通管。进行连通管封堵时，在连通管内设置密封挡板限位设施，并利用速凝环氧砂浆将连通管密封，然后割除超出承