夷陵长江大桥防撞墩单壁钢套箱施工技术

夷陵长江大桥防撞墩单壁钢套箱施工技术摘要：宜昌夷陵长江大桥防撞墩属于防撞加固设施，以保障船舶航行和桥梁本身结构安全。承台施工采用下放单壁钢套箱的施工工艺，位于长江中心，施工环境复杂，现场施工难度较大，本文介绍单壁钢套箱主要施工技术。关键词：单壁钢套箱；设计；下放；封底；技术1工程概况防撞结构采用钢筋混凝土分离式承台墩身结构，设置在宜昌长江大桥4#主塔墩基础的周围，安全距离0.8m，设置水平框架承台，然后在新承台上建筑防撞墙，为减小船舶对新墩身的撞击力，在框架墩身外围安装等截面浮式桥墩防撞消能装置，浮式防撞装置自由上下浮动以适应水位变化。防撞墩承台采用带内腔的圆端形承台，承台高5.5m，横桥向长度42.8m(其中直线段部分长度14m、两段为曲线段部分)，顺桥向长度为28.8m。内腔空心截面采用正方形，边长为17.6m。承台横桥向方向由外端往内侧2m范围内设置斜坡，斜率为1：1。本钢套箱作为防撞墩承台的施工挡水结构，同时作为混凝土施工支架平台、模板。2单壁钢套箱设计钢套箱由底板与侧板两大部分组成，底板由钻孔平台顶板转换而成，侧板采用在材料加工场进行加工。侧板根据承台轮廓尺寸分为直线与曲线部分，主要由型钢背楞+连接装置+钢板拼装焊接而成。封底与承台混凝土高度共6.5m，考虑承台混凝土顶部找平，钢套箱高度确定为8.0m。封底混凝土底标高为+32.5m，则钢套箱顶标高为+40.5m。根据项目总体施工进度安排及长江往年水位变化，宜昌12月份长江最高水位<+40.5m，所以钢套箱高度满足施工要求。单项荷载计算分析本工程钢套箱设计主要考虑以下几个主要因素：水位、水流流速、波浪力、砼荷载、风荷载等几个因素。以下主要介绍水流力和砼荷载的计算分析。(1)水流力施工位置处水流平均流速为2.5〜3m/s，最大洪水位时流速为4.16m/s。据文献中的参数，施工期水流流速为1.5〜2m/s。水流流速在桥墩位置由于阻水面的问题，流速增加，取水流流速2.5m/s。根据《港口工程荷载规范》，港口工程的水流力为：其中：Fw—为水流压力，KN，按照风载体型系数的方法将水流力分别作用在每个侧面板上。Cw-为水流阻力系数，长边受载时取1.51，短边受载（圆端形）时取0.52，考虑斜向水流作用的影响，乘以1.37的系数。ml-为遮流影响系数，取1.0m2-为淹没深度影响系数，取1.0p—为水密度t/m3，海水取1.0V—为水流设计速度，m/sA—为计算构件在与流向垂直平面上的投影面积，43.4mx29.4m，圆端形。式中F——新浇混凝土对模板的最大侧压力，KN/m2一一混凝土的重力密度，取24KN/m3 新浇混凝土的初凝时间，7h。当缺乏试验资料时，可采用计算（为混凝土的温度，C）；V 混凝土的浇筑速度，取2m/h；H——混凝土的侧压力计算位置处至新浇混凝土顶面的总高度，m；——外加剂影响修正系数，不掺外加剂时取1.0，掺具有缓凝作用的外加剂时取1.2；取1.0。——混凝土坍落度影响修正系数，当坍落度小于30mm时，取0.85；当坍落度为50〜90mm时，取1.0；当坍落度为110〜150mm时，取1.15。取1.15。h—有效压头高度，（m）故混凝土侧压力=0.22x24x7x1.0x1.15x21/2=60.1KN/m2承台第一层厚度计算值取用2.0m，Pmax=Ygh=24x2.0=48KN/m2，取用第二公式。浇筑封底混凝土对底板的压力：P=Ygh=2.4x10x2.0=48kPa，对侧板的压力：P=Ygh=2.4x10x（35.5-单元重心标高）（KPa）。内支撑结构三层桁架结构，设计为三层桁架结构，桁架采用L75x8,竖杆、水平联系杆采用I20a。经计算此种情况，应力水平普遍极低，小于屈曲强度，构件具有足够的强度。究其原因，即令内支撑与侧板水平肋铰接，除了自重产生的弯矩，内支撑几乎只承受侧板传来的水平推力，因此应力水平普遍极低。另外内支撑与侧板水平肋之间采取断续点焊，形成不完全铰，有利减少弯矩。以下给出每层内支撑的截面应力极值。图4内支撑竖杆的截面最大应力SMAX和SMIN(,Pa)侧板结构内外侧板6mm；竖肋HN250X125；侧板的周向连接L100X10；水平肋L75x8、L100X10；加强水平肋HN300X150；2道加强水平肋HN250X125。具体结构见下图所示。图2.4-3封底吊杆拉力和拉应力封底混凝土与钢护筒的握裹力封底混凝土的作用：一是利用封底混凝土与护筒之间的摩阻力平衡钢套箱所经受的上下合力；二是防水渗漏；三是抵抗水浮力在底板龙骨上产生的弯曲应力；四是作为承台的承重底模板。首先验算封底混凝土自身的安全性，再验算其与钢护筒、钢套箱交界面的粘结握裹力问题，确定是否需要剪力键。封底混凝土采用C30素混凝土建模验算，其强度标准值为[2.01，-20.1]MPa，封底混凝土顶面的局部应力水平较高，发生在与侧板交接处，超限应力范围在深度20〜30cm以内，不影响安全。绝大部分区域，封底混凝土应力水平低，安全。在厦漳跨海大桥南汊主桥主墩围堰设计中，混凝土与护筒粘结力取150kPa，局部钢护筒经外壁处理后区取180kPa。中交二航局在杭州湾大桥的试验结果显示，握裹力最小为720kPa，最大为3450kPa，离散性很大，但都大于150kPa。苏通大桥南主塔墩进行了握裹力试验，实际施工中采用了施工检测过程中推荐的握裹力系数，封底混凝土与钢护筒的平均极限摩擦强度建议取为370kPa。出于安全兼顾经济性考虑，建设在后续同类型工程施工中承台封底混凝土与钢护筒间握裹力系数取150〜200kPa。考虑到钢护筒在长期江水浸泡下会附着苔藓等，较光滑，从偏安全角度考虑，许多工程实例的混凝土粘结应力取150kPa，本工程混凝土的粘结应力设计值偏安全取150kPa。3钢套箱下放与封底施工技术钢套箱下放与封底是本工程的关键所在，决定工程的成败。采用在护筒上安装千斤顶同步下放施工工艺。每个护筒内安装由型钢组装的下放吊点，每个吊点安装2台手摇式30t千斤顶，安装到位后，每台千斤顶安排1名工人进行操作，下放过程中控制每个千斤顶的下放行程，时刻进行微调，确保40个千斤顶同步下放到位。下放的同步性决定套箱下放的安全，40个千斤顶同时升降，相对与电脑系统控制的下放系统，防撞墩单臂钢套箱下放难度较大，下放以人力为主导，同步性控制是关键，下放时由专人统一指挥，统一下放行程，控制在5个行程调整一次。套箱下放主要控制要点1、套箱下放系统安装时重点控制平面位置及平整度，需严格调平安装；2、精轧钢在安装时要对上端进行定位，确保精轧钢的垂直度，以保证套箱的顺利下放;3、 套箱护筒垂直度测量，这涉及到主龙骨在下放过程中是否受护筒的影响，若受影响应在套箱下放之前割除部分翼板；4、 套箱底板在下放前要全面检查一次是否有大的空洞，护筒封堵板是否满足护筒周边缺口的要求；5、 套箱底板、老承台四周、护筒四周等位置在套箱拼装阶段注意观察是否有妨碍后续套箱下放的构件，能提前割除的提前割除，以防止水位上涨后无法割除的情况；6、 套箱下放前要注意观察3-5天的水位变化情况，以指导套箱下放时间控制；7、 套箱下放前，提升割除剩余牛腿时要注意收集下放精轧钢的原始数据，以便控制后续套箱下放的高度控制；8、 套箱下放过程中平面位置及垂直度检测；9、 套箱下放同步性控制，要统一口号，40台千斤顶统一指挥下放，约5个行程对下放情况调平一次（20cm一个行程）；10、 套箱入水后连续作业，一次性下放到位，及时锁定到位，减少水流对套箱壁板和底板的影响，控制过往船只的航行速度。套箱锁定当钢套箱下放到设计标高后，为抵抗江水对套箱底板产生的上浮力，增强底板承载能力，在部分护筒两侧焊接型钢反压装置，型钢反压装置与钢套箱底板要焊接牢固，确保在钢套箱下放过程中反压型钢不变形和位移，等到钢套箱下放到位后，及时用连接型钢将反压型钢与钢护筒焊接。同时安排工人在设置限位装置的护筒上焊接I20a工钢，另一端固定在相应的套箱外壁上，保证套箱锁定后不发生平面偏位情况。注意事项如下： 1）用钢丝刷将钢护筒焊接位置处的残余物清除，并在施焊前用气割将其水分烘干。2）焊缝应紧密、均匀，焊缝金属与母材的过渡应平顺，焊口不允许出现咬肉、气孔、裂纹、夹渣、烧穿、焊瘤、弧坑等缺陷。套箱封底混凝土施工封底混凝土为C35素混凝土，封底高度1.2m，底面标高为+32.3m，根据施工图和宜昌地区水文水位图以及套箱下放时间，推算套箱下放期间宜昌长江水位约为+38.5m，因此封底混凝土必须在水下进行封底浇筑，综合以上情况我项目采用水下混凝土浇筑施工工艺进行封底施工，提前在套箱底板布置封底底座，底座根据导管覆盖半径3.5m进行布置，安装完成后对每个区的底座进行编号，并以相邻的护筒为基准确定每个封底底座的坐标，方便后续导管定位下放固定。4结语夷陵长江大桥4#墩防撞土建工程位于三峡大坝与葛洲坝下游，水深较深，江水流速较大，水位变化无常，毫无征兆，给单壁钢套箱设计及下放、封底带来了较大的困难，水上有效工作面积较小，机械、人员施工作业均需依靠大型船舶提供工作面。另外防撞墩属