杭州湾跨海大桥南航道桥主墩钢吊箱设计与施工

1、杭州湾跨海大桥南航道桥主墩钢吊箱设计与施工【摘要】杭州湾大桥南航道桥主墩承台为哑铃型整体结构，承台尺寸巨大，采用有底钢吊箱工艺进行承台的施工，因海况条件恶劣，大型钢吊箱吊装难度极大，本文介绍海上特殊条件下的钢吊箱施工的一种新方法：把大型钢吊箱分成三个独立小钢吊箱各自进行吊装并连成整体，以降低施工难度。【关键词】杭州湾跨海大桥 大型钢吊箱 设计与施工1 工程概况杭州湾跨海大桥是国道主干线同三线跨越杭州湾的便捷通道，大桥北起嘉兴海盐，跨越宽阔的杭州湾海域后止于宁波慈溪，全长36，杭州湾跨海大桥是目前世界上已建或在建最长的跨海大桥。大桥设南、北两个航道，南航道桥为主跨318的A型单塔双索面钢箱梁斜拉

2、桥。D13墩为主塔墩，基础为38根直径2.8m的钻孔灌注桩，哑铃型高桩承台，承台平面尺寸为81.4×23.7m，厚度6.0m， D13承台是杭州湾大桥最大的承台结构，最大施工难点是钢吊箱的安装。杭州湾为世界三大强潮海湾之一，在自然条件方面，受风、流、潮的影响比较大。尤其是南航道桥D13墩桥位在海中间，实测最大流速5.16 ms，潮流紊乱，最大潮差达7m。正常施工作业风速为5-6级，全年的有效工作日不足200天，施工条件极端恶劣。D13承台若采取哑铃型钢吊箱整体吊装，风险及难度极大，根据哑铃形结构特点把大型承台沿中间系梁分为三小部分独立施工，即中间系梁和哑铃两头三个部分，各部

3、分各自进行钢吊箱制作安装以及承台的施工。2 钢套箱的设计21 设计思路钢吊箱是为承台施工而设计的临时阻水结构，其作用是通过吊箱侧板壁体和底板封底混凝土共同围水，为承台施工提供无水的干施工环境。针对杭州湾海况和高桩承台的特点，设计时考虑如下几个因素：（1）、从经济角度出发并结合钢吊箱作为摸板功能可回收利用的原则，选用单壁可拆装式有底钢吊箱的结构形式，加工速度快，拼装容易、拆除方便。侧壁部分可重复制作成其他承台吊箱，底板不拆除。（2）、按承台分区独立施工原则，钢吊箱也分为了上、下游区和系梁区三个部分。先进行上、下游区吊箱安装和封底，最后进行系梁区吊箱安装封底与上、下游吊箱形成一个完整形状的钢吊箱。

4、（3）、在封底砼中配置了抗弯钢筋，通过减小封底砼厚度来抬升钢吊箱底部标高，为钢吊箱安装、封底干施工创造更有利条件。22 设计工况条件钢吊箱及钢护筒在各种工况条件下主要承受风荷载、水流力、波浪力以及结构重量荷载作用，根据钢吊箱施工过程中出现的工况，将钢吊箱的设计工况分成以下7种进行计算。1、上（下）游与系梁位置处钢吊箱起吊下放时；2、低水位时上（下）游区钢吊箱下放到搁置牛腿上时结构强度及牛腿反力计算；3、上（下）游钢吊箱下放到位后只固定十个钢护筒上反压牛腿高潮位时；4、低水位时钢吊箱内浇筑封底砼时；5、上（下）游钢吊箱高水位时钢吊箱内浇筑封底砼后；（打开减压阀，封底砼没有强度）。6、高水位时上、

5、（下）游钢吊箱内抽水完成时；7、低水位钢吊箱内浇筑第一层2.5m厚承台砼时；17工况条件下计算结果见下表 表-1工况 名 称1234567底板主梁轴向应力（Mpa）Max168197147173144/Min-129-108-150-102-157/次梁轴向应力（Mpa）Max17276.698.2172111/Min-72.6-45.6-178-124-124/壁体水平次梁轴向应力（Mpa）Max14726.582.628.416816527.9Min-177-45.6-56.1-45.3-132-92.3-38.1水平主梁轴向应力（Mpa）Max6545.669.246.015713230

6、.3Min-75.6-46.2-58.8-45.9-111-95.2-26.5底板水平加强梁轴向应力（Mpa）Max15367.934.613.369.4176/Min-129-47.1-31.2-13.2-51.6-96.3/竖向次梁轴向应力（Mpa）Max15250.877.653.2146/46.0Min-126-54.2-54.6-36.3-93.0/-31.8底板应力（Mpa）Max17260.1150170223/壁板应力（Mpa）Max12710918210220115739.3支撑钢管轴向应力（Mpa）Max36.826.552.328.413194.225.5Min-41.1

7、-27.2-62.1-28.1-152-120-23.4封底砼主应力(Mpa)Maxl/ Maxy/10.4/-3.331.69/-1.53Maxl/ Maxy/2.68/1.870.38/-7.17杭州湾海域每年台风威力极强，应避开台风期进行钢吊箱安装，所以不考虑台风工况，钢吊箱设计在以上7种工况条件下需满足结构受力、稳定要求。23、主要设计条件 1、承台底标高： -0.8 m2、吊箱底标高： -1.8 m3、封底砼厚度及强度： 1.0 m，C304、封底砼握裹力： 300 kN/m25、设计低水位： -3.0 m6、设计高水位： 4.91 m6、波高： 2 m（沿桥轴线方向） 0.6m（低

8、水位浇封底砼时波高）7、风速： 28.4m/s（沿桥轴线方向） 13.8m/s（下放吊箱时最大风速）8、水流速度： 3.24m/s（与墩轴线夹角小于50）9、首层承台浇筑厚度： 2.5 m24钢吊箱结构形式综合各工况条件、设计条件和设计思路，D13墩钢吊箱设计为纺锤形结构，外形尺寸：总长度83.216m，总宽度25.516m，高度8m。钢吊箱从结构上来讲为单层板架结构，所有施工荷载均通过面板传给与其连接的主、次梁，最后通过牛腿、封底混凝土传给支撑钻孔桩。钢吊箱按照所在的部位分成三个部分，即：上游钢吊箱、下游钢吊箱、中间系梁钢吊箱；三个钢吊箱相互独立，上、下游钢吊箱通过系梁处钢吊箱将三部分连接成

9、整体。 图-1 D13承台钢吊箱总平面图 图-2 D13承台钢吊箱总剖面图1、上游钢吊箱上游钢吊箱总长度34.858m，总宽度25.516m，壁体结构段高度8.0m。上游钢吊箱是由整体式底板、10块通过螺栓连接的壁体以及加强支撑钢管构成。（1）、底板钢吊箱底板对称布置横向连续主梁，横向连续主梁布置在钢护筒墩轴向方向的二侧。在二根横向连续主梁之间，钢护筒二边桥轴线方向设置纵向主梁，纵向主梁与横向连续主梁之间采取双面焊接连接，钢护筒周边的纵向主梁和横向连续主梁通过加强梁进行加强。钢吊箱底板面板采用Q235×8mm的钢板，面板置于钢吊箱梁系下面，并与梁系通长焊接连接。在钢吊箱的底板上还设置

10、了16个减压连通孔，底板四周立面设置40封边槽钢，封边槽钢开孔与壁体搭接用螺栓连接。（2）、壁体上游钢吊箱的壁体分成上、下游弧形段以及南、北二侧直线段二部分；上游由3块弧形段壁体构成，下游由2块弧形段和2块直线段构成；为了方便运输将南、北直线段也各分为2块。壁体最外侧为二道环向主梁，在壁体底部以上10cm位置布置一道环向底梁，环向主梁、环向底梁均与钢吊箱壁体面板之间焊接连接，面板采用Q235×8mm的钢板。壁体的纵向次梁采用HN500×200mm型钢，纵向次梁按1500mm间距布置并在环向主梁位置断开；纵向次梁与壁体面板、环向主梁焊接连接。壁体至上而下共布置10道HN125

11、×60mm环向次梁，环向次梁与壁体面板、纵向次梁之间焊接连接（壁体结构见右图-3示）。图-3 钢吊箱壁体单元制作（3）、加强支撑钢管以及吊耳在钢吊箱顶端设置加强支撑，采用800×10mm钢管，纵向设置3道，纵、横向支撑钢管在同一个平面上，横向支撑在纵向支撑的位置处断开并与纵向支撑焊接，支撑与钢吊箱壁体之间设置支撑板和加强板，增加连接部位的刚度和受力面积。上游钢吊箱共布置四个吊耳，每个吊耳按100T设计。2、下游钢吊箱下游钢吊箱结构形式与上游钢吊箱结构形式一样,只是安装时方向相反。3、中间系梁位置处钢吊箱中间系梁位置处钢吊箱长13.500m，宽13.816m，壁体结构段高度8

12、.0m，因尺寸相对较小，壁体、底板均采用整体式结构，结构形式与上游钢吊箱一致。在上下游吊箱安装后，根据两边吊箱偏位情况调整系梁底板及壁体的尺寸，以便系梁段钢吊箱与两侧连接完好。3 钢吊箱制作上下游区钢吊箱结构尺寸大、重量大、加工精度要求高，结合现场起重能力和场地情况，采用在工厂分块制作、码头拼装成整体的制作方法。上下游吊箱各分成43个加工单元片，共重350T；系梁区钢吊箱分成3个加工单元片，共重75T。31 壁体分块制作钢吊箱壁体制作高度为8m，不设水平拼缝，设竖向连接拼逢，壁体分块的原则是保证结构连续，方便制造，满足现场的起重能力和陆上运输的能力。制作方法是将壁体面板、纵向次梁、环向次梁、环

13、向主梁等构件在胎架上拼装成立体分块，这样可以多点平行作业，加快进度，将大量的仰焊、立焊变为平焊，改善作业条件，保证焊接质量。32 底板加工底板同壁体一样在工厂分片加工制作，在码头拼装成吊箱底板整体，根据钢护筒实测偏位情况，对底板放样开孔，为方便钢吊箱的安装，底板开孔圆半径比钢护筒半径大15。 图-4 钢吊箱底板拼装及开孔33 整体拼装钢吊箱底板先拼装完成后，利用吊车进行壁体的分块拼装，并安装支撑钢管、起吊吊耳，对钢吊箱进行防腐油漆的涂刷。壁体立直后靠紧底板封边槽钢，封边槽钢与壁体重叠部位压橡胶止水条并用螺栓连接固定；壁体之间螺栓连接，同样设置橡胶止水条，以便壁体拆除和达到止水的目的。钢吊箱整体

14、拼装如右图示。 图-5 钢吊箱整体拼装4 钢吊箱吊装钢吊箱在码头拼装好后，利用浮吊起吊钢吊箱并吊运至安装现场利用低潮位浮吊横流进行安装，下面以上游侧钢吊箱安装为例进行介绍。41起吊设备及吊点计算选择海升号550t固定式扒杆起重船进行钢吊箱吊装，根据起吊时所受的荷载以及吊索的空间位置和角度、吊高，计算钢吊箱起吊时各吊点、吊索的受力情况，见下图-6。图-6 钢吊箱起吊吊索平面布置及电算结果图根据电算结果可知：吊索最大受力为877.866KN,最小受力为788.739KN，计算吊索时取其最大值877.866KN，四点吊考虑三点受力，根据四点吊吊索计算公式:SSb/KS：1根吊索所承受内力Sb:钢丝绳

15、破断拉力K：安全系数取610877.866KN×4/3Sb/6Sb7022.928KN 选用4×67钢丝绳，四点吊，150t弓形卸扣。单根钢丝绳长度为30m,每个吊点采取二根双成形式。42 钢吊箱吊装首先浮吊在码头试起吊钢箱；海况条件较好的条件下，浮吊吊着钢吊箱用拖轮拖带至安装墩位处抛锚定位；退潮流速较小时浮吊横流；调整锚位进行钢吊箱的初定位；沿护筒上的导向下放钢吊箱（图-7 示）；当潮水退至搁置牛腿漏出水面时，继续下放钢吊箱至搁置牛腿上进行精确定位；在涨潮至搁置牛腿前完成一定数量的反压牛腿焊接，进行钢吊箱的临时固定；浮吊解钩，离开现场；在后续的4-5个低潮位时间段内依次完

16、成剩余反压牛腿的焊接、封底钢筋砼的施工。 图-7 钢吊箱安装定位（1）、搁置牛腿搁置牛腿焊接在钢护筒上，钢吊箱底板主纵梁压在搁置牛腿上，其主要作用是：在钢吊箱安装时作为钢吊箱安装支撑点，承受钢吊箱的重量，钢吊箱搁置牛腿共40个，其中上、下游钢吊箱各布置16个，中间系梁处布置4个。（2）、反压牛腿反压牛腿（见图-8示）是在钢吊箱安装定位好后，放在吊箱底板主纵梁上并紧贴钢护筒，反压牛腿与底板主纵梁和钢护筒均焊接，其主要作用是：通过反压牛腿和搁置牛腿共同作用固定钢吊箱，反压牛腿主要承受钢吊箱向上的浮托力以及水平力。反压牛腿数量较多，每个钢护筒上布置6个，需利用2-3个低潮位才能焊接完。但必须确保在钢

17、吊箱安装定位时首个低潮位时间段内完成设计“工况三”规定数量反压牛腿的焊接。（3）、钢吊箱安装注意事项、必须确保浮吊在横流状态下船舶的稳定性，这直接关系到钢吊箱是否能进行定位安装，因此必须对船舶锚缆系统进行计算。 、为确保钢吊箱的精确定位，在护筒顶口和搁置牛腿上设置了导向定位装置。、需确保在安装时首个低潮位时间段内完成规定数量的反压牛腿的焊接固定，确保钢吊箱的安全。本工程钢吊箱反压牛腿临时固定组织了30台焊机同时进行反压牛腿的焊接。、海上钢吊箱安装施工因要抢潮水施工，因此必须组织严密紧跟潮水的涨落时间来安排施工。 43 封底钢筋砼施工反压牛腿、堵缝板全部安装焊接完毕后，在低潮位时进行封底钢筋绑扎

18、及封底砼浇注。砼采取水上搅拌船搅拌，布料杆输送布料，分层浇筑、振捣的施工工艺。为延长干施工的时间，设计封底砼厚度仅为1m，在砼内配置抗弯钢筋，见图-8。上游吊箱封底方量750m3，低潮位可干施工时间只有2.5小时左右，利用两艘大功率搅 图-8 封底砼配钢筋网片拌船（单船砼实际供应能力不少于90m3/h）同时进行封底也满足不了要求，将上游钢吊箱分成两个隔舱利用两个低潮位进行封底施工，即一个潮水封底一个仓。44 下游、系梁钢吊箱安装 下游钢吊箱施工和上游钢吊箱方法一样只是方向相反，系梁侧钢吊箱安装在上下游安装好后进行安装，因尺寸较小利用全回转的150T起重船安装更简便。 因每月只有两个大潮汛时间段可进行钢吊箱的安装施工，因此D13主墩吊箱分三次安装需一个半月时间。5 结束语杭州湾跨海大桥D13#墩基础承台为深水高桩大体积哑铃形承台，形状特异，受力复杂，主要是海况条件制约，施工难度和风险大，结合实际情况，承台施工时首次采用划整为零的方法把钢吊箱分成三个独立部分进行设计施工，取得了显著成效。（1）、速度快，节省工