某长江公路大桥北索塔双壁钢吊箱设计与施工

xx长江公路大桥北索塔双壁钢吊箱设计与施工PAGE21xx长江公路大桥北索塔双壁钢吊箱设计与施工xxxx局xx大桥项目部2002年6月xx长江公路大桥北索塔双壁钢吊箱设计与施工摘要：在特大型桥梁深水高桩承台施工中，一般采用钢吊箱围堰作为基础施工的围水设施，钢吊箱采用分块制作，拼装船上整体拼装，大型浮吊整体吊装，是加快施工进度，提高工程质量，保证施工安全的好方法。1．工程概况xx长江公路大桥是连接历史名城镇江与扬州的过江通道，北接328国道，南与312国道相连，由北接线、北汊桥、世业洲高架桥，南汊桥及南接线等五个部分组成。其中南汊桥为单孔双铰钢箱梁悬索桥，桥址距长江出海口约348km。主桥跨度为1490m，目前居中国第一、世界第三。北索塔高达207.28m，索塔两肢用三道横梁联成整体，两肢基础采用2×16根φ2.8m嵌岩桩，正方形行列布置。索塔承台为高桩承台结构，平面呈哑铃型布置，单肢承台设计平面尺寸为21.6m×21.6m两个承台之间用19.837m×12m的系梁联成整体，承台与系梁等厚均为6m，承台顶面标高为+5.3m(黄海高程，下同)，底面标高为-0.7m，采用双壁钢吊箱进行承台施工。本桥承台在枯水季节露出水面，因此外观质量十分重要。另外北索塔是全桥控制性工程，加快工程进展尤为重要。采用整体吊装钢吊箱的施工方案，是加快施工进度，保证承台外观质量的重要措施。在专家们的指导下，通过对钢吊箱设计、施工技术方案进行优化、完善，1000t重大型钢吊箱安装仅用两个多小时就顺利完成，工期提前两个月。2．钢吊箱设计钢吊箱是为承台施工而设计的临时挡水结构，其作用是通过吊箱四周的围壁板及底板上的封底砼将江水隔开，为承台和系梁施工提供无水的干施工环境。2.1设计条件2.1.1水位根据镇江谏壁水文站历年水位统计资料显示，常年最高水位为9月份+6.0m，极端最高水位+6.93m(1945年7月9日)，10月份平均水位为+5m，另外桥址处属长江感潮河段，水流既受迳流的控制又受潮汐的影响，潮差1.5m左右，汛期潮汐影响较小。根据钢吊箱施工进度安排，钢吊箱在9月份下沉，10月份进行箱体内抽水，因此确定下沉水位为+6.0m，抽水水位为+5.5m，流速为1.5m/s，作为钢吊箱结构设计水文条件。2.1.2工况根据钢吊箱吊装工艺及使用条件，按下述几种工况进行钢吊箱受力分析：整体吊装工况；封底砼浇筑工况；抽水工况；承台浇筑工况。2.2几何尺寸的选择钢吊箱设计根据承台、系梁施工时的水文特征，制作、运输、吊装方式，结合下沉工艺及承台结构尺寸等因素综合考虑。钢吊箱设计成哑铃型，其内腔净尺寸与承台系梁尺寸相同（即21.6×21.6+19.873×12+21.6×21.6m），在浇筑承台系梁砼时可起外模板作用。考虑钢吊箱自浮能力以及满足整体吊装和使用状态时的强度和刚度要求，钢吊箱设计为双壁，内外壁板间距1m。为了满足施工期水位及承台施工的要求，钢吊箱设计顶标高为+6.2m，底标高为-2.7m，总高度为8.9m，钢吊箱外形尺寸为65.037m×23.6m×8.9m(长×宽×高)。2.3结构构造简介（图1）钢吊箱由内外壁板、底板、内外支撑、吊装吊耳及拉杆等五大部分组成，其中内、外壁板、底板是围水结构。内外壁板间用水平环板、隔舱板、箱梁等构件连成整体，组成双层板架结构。竖向的隔舱板、箱梁为一级支撑结构，水平方向的环板为二级支撑结构，竖向次梁为三级支撑结构。底板为单层板架结构，由强构架形成主框架，强构架之间设置次梁将板格尺寸减小。内外支撑系统设置于钢吊箱壁体上部，由φ800×10钢管组成，除了满足整体吊装时钢吊箱的整体强度和刚度要求外，内支撑还可防止钢吊箱在使用过程中产生过大的变形。钢吊箱与钻孔桩钢护筒之间用拉杆连接，将钢吊箱的荷载传递到基础桩上，拉杆分上、下两节，采用销轴连接，改善拉杆的受力，从而保证力的有效传递。2.4结构计算一般钢吊箱为矩形或圆形，而本钢吊箱平面为哑铃形，结构受力复杂，为了保证结构计算的准确性，根据钢吊箱的各种工况，用ANSYS软件进行结构验算。2.4.1有限元模型钢吊箱计算模型，由于结构、载荷及边界条件的对称性，有限元模型取整个结构的1/4进行建模。采用的单元有：板壳单元、梁单元和杆单元。位于对称部位的结点按对称取边界条件，其余根据各工况的实际情况取边界条件。在起吊模型中，沿钢吊箱长边取1/2建模，吊索及钓钩采用杆和梁单元，考虑吊索制造误差及起吊的不平衡，按三种状态进行计算。2.4.2计算内容钢吊箱整体吊装时结构受力计算;钢吊箱下沉到位时结构受力计算;钢吊箱浇筑封底砼时结构受力计算;钢吊箱内抽水后结构受力计算;钢吊箱浇筑承台砼时结构受力计算;整体吊装吊耳局部强度计算。2.4..3载荷取值水平载荷：最大静水压力为31.9KN/m2，水压力随水深成线性分布。砼侧压力24KN/m2。水流压力按设计流速V=1.5m/s计算为1.46KN/m2垂直荷载钢吊箱自重：9800KN砼重：24KN/m3水的浮力：10KN/m3施工荷载：23.6KN/m22.4.4计算结果通过对钢吊箱各种工况的结构受力计算，吊装阶段钢吊箱结构受力最大，变形也大，为结构受力控制工况。钢吊箱在吊装时的变形及受力状况验算见图2—6。图1钢吊箱结构布置图图2钢吊箱变形（垂向方向，图中单位为m）从图2中可见，底板中部变形为71.5mm，而底板边缘变形为46.2mm（由吊索伸长引起），因此底板相对变形为71.5-46.2=25.3mm。图3钢吊箱壁板和底板等效应力云图（单位：Pa）图4钢吊箱构架最大应力云图（单位：Pa）从图3可见，板最大等效（VonMises）应力发生在内拐角处，最大值为189Mpa。从图4可见，构架最大应力（弯曲应力+轴应力）发生在临时斜支撑作用的纵向次梁上，最大值为93.7MPa。图5钢吊箱构架最小应力云图（单位：Pa）从图5可见，构架最小应力（弯曲应力—轴应力）发生在临时斜支撑作用的纵向次梁上，最小值为-96.5MPa。图6钢吊箱水平撑及底板拉杆轴应力云图（单位：Pa）从图6可见：最大拉应力为40.2MPa，最大压应力为13MPa。从上述计算结果可知，除吊耳内拐角处应力偏大外（189Mpa），其余构件的应力均较小，因此在吊耳内拐角处进行了适当的结构补强，保证了吊装的安全。2.5结构构造处理在钢吊箱吊装阶段，为保证哑铃形钢吊箱结构力传递的连续性，在钢吊箱拐角处设置钢管桁架结构，以确保钢吊箱两侧吊装索力的有效传递。3．施工工艺流程施工工艺流程见图7：抽水浇筑封底砼灌水下沉整体吊装起重船定位拼装船定位钻孔平台拆除浇筑承台抽水浇筑封底砼灌水下沉整体吊装起重船定位拼装船定位钻孔平台拆除浇筑承台壁体分块加工底板拼装测量放线拼装船连接壁体拼装壁体分块加工底板拼装测量放线拼装船连接壁体拼装吊索制作导向装置设置吊索制作导向装置设置图7施工工艺流程图4．钢吊箱制作本钢吊箱结构尺寸大、重量大、加工难度大、精度要求高，针对“三大一高”的特点，结合现场的起重运输能力以及钢吊箱自身的结构特征，对钢吊箱采用壁体分块制作，底板散拼，拼装船上整体拼装的多种加工方法，质量、进度取得了显著的成效。4.1壁体分块制作由于钢吊箱尺寸特大，将钢吊箱沿竖直方向分成若干块，分块的原则是保证结构的连续，方便施工制造，满足工地的起重和运输能力的要求。分块制作的方法是将内壁、外壁、水平环板构架、隔舱板箱形梁等构件先在平台上组装成平面分段，然后将平面分段在组装胎架上拼装成立体分块，这样可以多点平行作业，加快施工进度，将大量的仰焊、立焊变为平焊，改善了作业条件，保证了焊接质量。分块制作见图8。图8.钢吊箱分块块制作图9.钢吊箱底板板骨架拼装装4.2底板加工工底板为单层板架架结构，主主要骨架为为大型工字字钢梁，为为了保证工工字钢梁的的连续性，采采用散拼底底板的拼装装方法，即即首先将两两艘长755m、宽11mm的甲板驳驳用型钢连连接成长775m、宽宽26m的拼拼装船，在在拼装船上上铺设支墩墩，支墩上上表面用水水平仪测平平，并在其其上组拼底底板骨架及及底板。底底板拼装见见图9。4.3钢吊箱整整体拼装底板加工完成后后在底板上上测量放线线，用浮吊吊吊装壁体体分块进行行钢吊箱整整体拼装。钢钢吊箱整体体拼装见图10。图10.钢吊箱整整体拼装由于承台在枯水水季节露出出水面，为为了保证承承台的外观观质量，钢钢吊箱制作作精度尤为为重要，为为此在钢吊吊箱拼装过过程中采取取了如下工工艺措施：：4.3.1在拼拼装好的底底板上放出出壁板安装装地样，为为了减少焊焊接收缩的的影响，在在长度和宽宽度方向均均加放1‰的焊接收收缩余量。4.3.2壁体体分块两边边从中间向向两头对称称吊装，以以避免因偏偏重造成拼拼装船倾斜斜而带来的的不利因素素。4.3.3内壁壁板按模板板要求加工工，在分块块对接处增增加马板和和水平撑，以以防止接口口处产生突突变。4.3.4壁体体与底板的的垂直度用用勾股定理理确定，两两边壁体安安装后测量量上口尺寸寸，符合要要求后即刻刻安装内支支撑加以固固定。4.3.5选择择合理的焊焊接工艺进进行焊接，减减少焊接变变形。钢吊箱拼装完成成后，经检检查外形尺尺寸误差均均小于0.5‰。拼装完成后的钢钢吊箱见图图11。图11.已拼装好好的钢吊箱箱5．钢吊箱整体吊吊装目前国内钢吊箱箱多为散拼拼或分节吊吊装水上接接高的方法法进行安装装施工，一一般分节重重量不超过过200t，但是在在发达国家家这样的围围水设施都都是一次吊吊装完成，有有的吊装重重量重达50000t。为了缩缩短与国际际造桥先进进水平的差差距，同时时为了加快快施工进度度，提高钢钢吊箱制造造质量，采采用一艘起起重能力为为130000kN的起重船船将近10000t重的钢钢吊箱一次次吊装的安安装方案。5.1吊装方案案钢吊箱长宽比为为2.7556：1，与同类类型围水结结构尺寸相相比属窄长长形，根据据钢吊箱的的形状，原原拟定用两两艘起重船船抬吊的吊吊装方案，但但考虑到两两艘起重船船吊装时无无法同步起起升，吊装装存在不安安全因素，为为此确定用用一艘大型型起重船（起起重能力为为130000kN）整体吊吊装。根据据13000t起重船两两个主钩起起升高度及及天轮可以以摆动等优优越性，确确定钢吊箱箱采用八点点吊装的施施工方案。为为了保证主主钩垂直起起升，每边边两个内吊吊耳交叉挂挂索，避免免了用吊具具吊装带来来的许多麻麻烦，使大大型结构件件的吊装与与普通吊装装一样简单单。5.2吊装前前的准备工工作5.2.1水下下清淤由于桥址处于长长江河漫滩滩地，淤积积严重。为为了保证钢钢吊箱顺利利下沉，必必须进行水水下清淤。具具体做法是是，用空气气吸泥机和和抓斗船清清除钢吊箱箱底板范围围内及起重重船作业区区域内的超超高淤泥，使使泥面标高高底于-4.5m。5.2.2钢吊吊箱底板开开孔钢吊箱吊装时需需穿过32根φ3.1m的钢护筒筒和15根φ1.0m辅助桩，底底板上开设设的这47个孔准确确与否，是是保证钢吊吊箱平稳下下沉、精确确定位的关关键，因此此必须准确确测量钢护护筒和系梁梁辅助桩的的坐标、倾倾斜度及倾倾斜方向，根根据测量结结果在钢吊吊箱底板上上开孔，其其具体方法法为：=1\*GB3①将各钢护筒、钢钢管桩理论论中心南汊汊桥桥轴坐坐标，换算算成钢吊箱箱底板平面面相对坐标标O1；将钢护护筒、钢管管桩解除约约束之后顶顶面中心坐坐标测定成成果，换算算成各钢护护筒、钢管管桩顶面中中心相对坐坐标O2；根据钢钢护筒、钢钢管桩解除除约束之后后倾斜度及及倾斜方向向测定成果果及沉桩记记录，综合合考虑，推推算标高--2.7mm处各钢护护筒、钢管管桩中心相相对坐标O3。=2\*GB3②利用全站仪在钢钢吊箱底板板上放样各各钢护筒、钢钢管桩中心心相对坐标标O1、O2、O3，并用油油漆标示于于钢吊箱底底板平面相相对坐标系系上。=3\*GB3③分别以点O1、O2、O3为圆心，按按比钢护筒筒、钢管桩桩外半径加加大15cm为半径径画圆，按按三圆形成成的最大包包络图切割割底板，并并加以“修饰”，即为钢钢吊箱底板板预留孔最最终成孔。钢钢吊箱底板板预留孔放放样示意图图见图12。5.2.3导向向装置设置置导向装置设置在在四角的钢钢护筒上，其其作用是在在吊装时底底板开孔能能顺利穿过过钢护筒。图12.钢吊箱箱底板预留留孔放样示示意图备注：：①图图中“R”为钢护筒筒、钢管桩桩外半径；；②图图中虚线为为钢护筒、钢钢管桩预留留孔最终成成孔“修饰”线；③图图中数值为为钢护筒、钢钢管桩预留留孔放样加加大尺寸；；④图图中钢护筒筒、钢管桩桩外半径R及数值单单位均为米米；⑤图图中“+”区域为钢钢吊箱底板板钢护筒、钢钢管桩预留留孔；5.2.4钢护护筒及系梁梁区钢管桩桩外围周边边情况探测测为保证钢吊箱能能顺利下放放就位，应应对钢护筒筒、钢管桩桩的外围情情况进行探探测，探测测方法是用用φ30mm的圆钢钢加工成内内径为D++50mmm的钢圈（DD为钢护筒筒或钢管桩桩外径），套套入钢护筒筒、钢管桩桩，保持水水平下放，检检查钢护筒筒、钢管桩桩周围有无无影响钢吊吊箱沉放的的障碍物。5.3吊索钢吊箱起吊重量量按10000t计，起重重船两个主主钩，则每每个主钩受受力50000KN，根据受受力计算：：长索受力P1==964KKN短索受力P2==18911KN吊索长度为长索索45.555m，短短索39..30mm。吊索的索扣采用用传统的穿穿插接头工工艺，只能能承受索力力的70%荷载，采采用挤压接接头工艺，能能够保证承承受索力的100%荷载，为为整体吊装装提供了安安全保障。5．4试吊为了保证安全吊吊装，在正正式吊装前前按正常起起吊程序进进行一次试试吊，试吊吊采用应力力-应变电测测法进行应应力测试，在在卸扣、吊吊耳以及其其它应力较较大的地方方贴上应力力检测片，起起重量达钢钢吊箱重量量的100%后（在钢钢吊箱内加加200t压载水，以以防止钢吊吊箱脱离平平台），通通过YJ-228静态电阻阻应变仪等等检测设备备监测各检检测点的应应力情况。其其目的一是是检查因吊吊索长度制制造误差而而重心偏移移造成的箱箱体倾斜，二二是检测重重点部位的的局部应力力。通过试试吊检测，吊吊索长度制制造误差很很小，各测测点的应力力与计算结结果相差无无几，钢吊吊箱处于平平衡状态，吊吊装是安全全的。表1是设计计计算值与实实测值对照照表。设计计算算值与实测测值对照表表表1吊索拉力（KNN）箱体最大应力值值（内拐角角处）（MPa）吊耳最大应力值值（MPa）备注长索短索设计值9641891189135实测值952*1868*148**122*说明：*———为平均值值；***——实测值比比设计值小小22%，是因为为采取局部部补强措施施所致。5.5吊装钢吊箱制作验收收合格后连连同拼装船船一同拖至至承台靠江江心一侧定定位，起重重船在拼装装船靠江心心一侧横江江抛锚定位位。钢吊箱吊装由专专人统一指指挥，吊索索拴好钩后后，解除钢钢吊箱临时时约束（割割除钢吊箱箱底部与拼拼装支墩的的临时连接接），徐徐徐起钩，当当吊绳崩紧紧后停止起起钩，逐根根检查吊索索的崩紧程程度是否一一致，根据据吊索受力力情况，调调整起重船船的船位及及臂架角度度，直至所所有吊索受受力均匀一一致为止，同同时检查吊吊耳、卸扣扣有无异常常情况，然然后缓缓起起吊直到钢钢吊箱的全全部重量由由起重船起起重能力承承担以后停停止起升（起起升高度约约10cm，静止15分钟），检检查吊索、吊吊耳、钢吊吊箱及起重重船有无异异常情况，有有无影响起起升的障碍碍物，一切切正常后继继续起吊，直直至钢吊箱箱底部高度度超过钢护护筒高度～～50cm后停止止起吊。拖拖轮拖走拼拼装船，然然后起重船船绞动前进进缆，使起起重船缓缓缓前移直到到安装位置置，缓慢落落钩，当钢钢吊箱底部部与导向架架顶相距110cm时停止止落钩，调调整船位及及仰角，使使导向装置置对准钢吊吊箱相应的的底板开孔孔，再缓缓缓落钩，直直至入水自自浮，然后后用钢索临临时系于护护筒上以防防止水流冲冲撞。钢吊吊箱整体吊吊装见图13。图13.钢吊箱箱整体吊装装5.6钢吊箱箱定位xx长江公路大大桥位于长长江感潮河河段，潮起起潮落，钢钢吊箱的状状态随之上上下浮动，对对钢吊箱的的定位十分分不利。为为此加强了了对潮水的的观测，通通过多日观观测统计，并并进行分析析，选择在在低潮位时时，钢吊箱箱灌水下沉沉，直至钢钢吊箱顶标标高低于设设计标高00.2m，在在钢护筒顶顶部顺桥向向架设贝雷雷桁架梁共共8榀，贝雷雷架与钢护护筒牢固连连接，限制制钢吊箱上上浮。同时时调整钢吊吊箱的平面面位置，在在定位完成成后，设置置限位桩、高高程控制桩桩，涨潮时时钢吊箱沿沿着限位桩桩上浮，直直至高程控控制桩顶住住贝雷桁架架梁，达到到精确定位位的目的，随随之安装拉拉杆，将钢钢吊箱与钢钢护筒连成成整体。经经测量钢吊吊箱定位平平面最大偏偏差仅200mm，为为承台施工工创造了良良好的条件件。图14为钢吊箱箱定位完成成后的状态态。图14.定位后后的钢吊箱箱结束语xx长江公路大大桥悬索桥桥北索塔钢钢吊箱具有有以下特点点：钢吊箱形状特异异，受力复复杂，=1\*GB3①承台露出水面，为为了保证外外观质量，钢钢吊箱制作作及安装精精度要求高高。=2\*GB3②钢