浅述单壁钢套箱在深水承台施工中的应用

浅述单壁钢套箱在深水承台施工中的应用

付天华

(中铁十五局集团有限公司，上海200070)

摘要：我就江西省抚州至吉安高速公路全线控制性工程吉水赣江特大桥主桥深水承台设计施工过程，详细阐述单壁钢套箱的选型、建模验算、效果评价等，为类似工程施工提供借鉴作用。

关键词：单壁钢套箱；深水承台；施工；应用

前言

随着国家社会经济大发展，基础设施建设投入规模日趋增大，但同时对其社会价值要求也越来越高，要求性价比高的产品。

1工程概述

1.1桥位、地形地貌

吉水赣江特大桥东侧桥台位于吉安市吉水县肖家村，西侧桥台位于吉安市吉州区文石村南侧100m处，位于吉安市下游15Km处。是主跨赣江及105国道而拟建的一座特大桥，中心桩号为K169+121m，全长2019m。桥跨布置为：主桥采用（65+2*100+65）m预应力砼变截面连续梁，引桥采用三个（4×40）m和六个（5×40）m一联的先简支后连续预应力砼T梁，跨越赣江与105国道。

桥区位于赣江冲洪积平原区，地形起伏较大，地层结构及岩性复杂，基岩面起伏大，桥区揭露到红层软弱夹层及石炭系煤层（东侧桥台），且桥区发育有赣江大断裂，对该桥下伏地层影响大，东侧桥台处边坡坡度较大，相对高差24.0m左右，自然边坡稳定，局部为人工挖掘承陡坡状，基岩裸露，零星见人工采煤点，第四系覆盖层厚度随地形变化，植被较发育，附近有滑塌现象。桥台位于人工挖掘陡坎处，表面主要揭露为石炭系砂岩，岩体破碎，施工时受人工扰动易引起坍塌，从而导致诱发性边坡失稳。故桥位区的工程地质条件属复杂类型。地面高程51.0～78.0m，江心洲植被发育，地面高程48.5m，东水面为207m。西水面650m。

1.2技术标准

桥面宽度29.5m，其横断面组成：0.25m（栏杆）+1.5m（人行道）+0.5m（防撞墙）+11.65m（行车道）+0.5m（防撞墙）+0.7m（中央分隔带）+0.5m（防撞墙）+11.65m（行车道）+0.5m（防撞墙）+1.5m（人行道）+0.25m（栏杆）。本桥共有46个墩台，主桥主墩（29#～31#）采用厚3.0m实体墩，引桥过渡墩（28#、32#）采用厚2.5m实体墩，其他引桥墩（1#～27#、33#～45#）均采用双柱式墩，基础采用钻孔灌注桩基础，0#、46#桥台均采用柱式桥台。其中8#～33#墩位于赣江河床内，其它各墩台位于赣江两侧河岸上，28#～32#墩位于河道中,为设计通航的主墩，每个桥墩设4根分别为φ2.0m与φ2.5m的钻孔灌注桩基础，2×2纵横向布置，每排桩中心间距为6.3m，承台尺寸为8.7m×9.2m×3m与10.5m×10.5m×4m。

横坡：行车道范围内为±2%；人行车道范围内为1%。

设计洪水频率：1/300；设计水位：53.37m，LW=42.8m。

地震：地震动峰值加速度为0.05g，即地震基本烈度值VI度，按VII抗震措施设防；

通航标准及净空要求：通航等级III－（3）级，通航净空为50×10m，两孔通航,通航水位：49.6m。

防撞荷载：横桥向撞击作用标准值为800KN，顺桥向撞击作用标准值为650KN。荷载等级：公路—Ⅰ级。

2钢套箱设计概述

29＃、30＃、31＃桥墩基础承台设计尺寸10.5×10.5×4.0m，承台顶面标高43.0m，承台底面标高39.0m；目前江水面标高在40.0～40.5m之间，经调查在10月份以后水位基本维持在39.5～41.5m之间，如果上游万安水库截流与蓄水，水位会继续下降到39.50m以下。河床面标高经地质资料查看为:28#墩38.065m，水深约2.435m；29#墩37.885m,水深约2.615m；30#墩36.745m，水深约3.755m；31＃墩36.705m，水深约3.795m；32＃墩38.397m，水深2.103m。粗砂层底标高及厚度：28#墩35.415m、厚2.65m，29#墩标高34.508m、厚3.377m,30#墩标高33.095m、厚3.65m，31＃墩标高33.055m、厚3.65m，32＃墩标高34.747m、厚3.65m。

考虑到水的压力减少，因此29＃、30＃、31＃桥墩承台钢套箱采用单壁，以降低施工成本。面板采用㎜钢板，横向加肋采用12＃槽钢间距40㎝，槽钢竖向外加肋为18＃工字钢间距60㎝，吊环处1根18＃工安钢，每边外再加横向支撑体系18＃工字钢7根进行整体闭合，钢套箱单壁厚32㎝（不计算外侧环形加固7根18＃工字钢）+环形18＃工字钢＝50cm，平面尺寸内侧10.5×10.5m。钢套箱以30＃墩的地质条件进行设计,假定入砂深度(穿过粗砂层)2.5～3.65m，因此套箱高度按10.5m设计(包括刃脚加强段50㎝,刃脚总高1.9m)，高出承台顶面0.5～1.50m（高出部分主要视沉入砂层的深度确定）。安装时内腔采用2Ⅰ20＃工字钢对称斜撑，具体详见单壁钢套箱设计图图1。

3套箱加工

（1）单壁钢套箱在加工场地进行加工，分2节加工，第1节高6m带刃脚，刃脚高1.9m，第2节高4.5m。每边分4块制作，第1节每块6×5.25m，第2节每块4.5×5.25m，直接当承台模板使用。承台四角设计为100㎝半径圆角，因套箱圆角不便加工与安装,只能加工成直角，所以承台为直角。加工时根据起重设备，套箱可分2m高1节加工共分5节，最上1节2.5m，刃脚段可单独加工，横向接缝除螺栓连接外全部焊接，所有肋板必须焊接牢固。

（2）套箱面板厚8㎜钢板，面板上肋板为12＃槽钢，间距40㎝，与钢板焊接；12#槽钢上竖向分布18＃工字钢，间距60cm；

（3）现场套箱拼装后，在18＃工字钢上横向每面环形分布7根18＃工字钢，并在转角处焊接，做为支撑加强梁。

（4）每块连接采用100×12㎜等边角钢，采用￠20㎜高强螺栓，间距25cm，螺栓孔采用机床钻孔，连接面采用10㎜厚橡胶止水带，以保证接缝密贴不漏水。

（5）刃脚总高1.9m，斜脚高0.5m，在刃脚上部1.4m采用12＃槽钢加肋，斜脚0.5m采用8㎜钢板加强。

4钢套箱安装

（1）桥墩桩基施工先施工左幅，待桥墩左幅桩基砼灌注完成后，就将左幅钢平台拆除。保留外边钢管桩，做为套箱外部支撑与施工平台。

（2）在平台拆除前为便于施工，先在钢护筒侧面上焊接36b＃工字钢，水平长1.785m，20b工字钢斜长1.601m，工字钢上焊接12＃槽钢做套箱限器，同时铺设40b工字钢形成套箱安装平台，8个牛腿顶面必须在同一水平面。

（3）在牛腿套箱限位器外侧铺设40b工字钢做定位平台与操作台。

（4）每片套箱在加工场地加工好后，用吊车装到船上，运到桥墩位置，采用水上施工设备（驳船、机动船、吊车或浮吊等）吊到安装平台上固定。两片一连接，待4片连接完成后，并检查各联接部件有无质量问题，套箱支撑采用2根25＃工字钢十字交叉对称支撑加固，视情况必要时在四角进行斜向支撑加固，确保合格后才能拆除安装平台。

（5）在4个钢护筒顶部安装2组贝雷片，在贝雷片上安装2根40a工字钢，做为起吊下放套箱的支点。

（6）由于套箱做为承台模板，因此要求下沉位置必须精确定位，进行调整到设计位置缓慢下沉，并通过钢护筒进行纠偏调整加固。

（7）套箱穿过粗砂层，因自重不能穿过时，则采取箱内吸砂的办法进行下沉到既定位置。穿过粗砂层起到隔水的作用，便于箱内抽水及砼封底。下沉前对河床底进行探查，看河床底是否平整与有无漂石或其他障碍物，当有漂石或其他障碍物时，则清除后才能下沉钢套箱。

第二节在第一节上接高拼装。

5砼封底

（1）河床顶面标高：29#墩37.885m,30#墩36.745m，31＃墩36.705m，承台底面标高39m，悬空高度分别为：29＃墩1.115m，30＃墩2.255m，31＃墩2.295m。

（2）封底：a.根据水位情况，在封底砼前试抽套箱内的水，查看水位变化，根据箱内水位变化来确定封底砼的厚度与回填砂砾的厚度。抽水时无冒水现象，并能形成箱内与河面水位高差，同时能抽到承底标高以下，直接回填砂砾到承台标高下15cm处，待其自然沉降密实后将箱内水抽出，进行封底C20砼15cm至20cm厚做垫层。b.当抽水时存在冒水，而水位不下降的情况下，根据目前水位情况，拟定29＃墩回填砂砾30cm后进行封底砼80cm约68.5m3，或直接封底砼；30＃墩回填砂砾1.5m进行封底砼80cm约68.5m3；31＃墩回填砂砾1.5m进行封底砼80cm约68.5m3。封底砼采用2台砼泵车同时灌注C25水下砼。c.当水位下降到承台底39.0m以下时，直接回填砂砾到38.80m标高处进行承台垫层施工。

（3）将封底砼凿平，并凿到承台底设计标高，并清除砼残碴，同时复核承台底标高。

钢套箱拆除

（1）承台砼浇筑24小时后松掉套箱螺栓。

（2）承台砼龄期3天后拆除套箱，采用吊车或浮吊与驳船拆除，运到套箱加工场进行修整，循环使用。

（3）套箱拆除时应注意不能硬拉，并防止碰撞承台，先拆上部第一节4.5m高，拆第二节下部6.0m时，可采用吸砂办法对套箱根部进行吸砂松动，便于拆除。

（4）当第二节不能吊动时，或采取吸砂办法也不能拆除时，则采取水下切割拆除。

7钢套箱结构建模安全性验算

7.1计算模型的建立及参数的确定

如图2所示为吉水赣江特大桥的钢套箱的实际几何模型，通过对模型的简化及软件单元替代可得计算模型如图1所示。模型按照钢套箱实际尺寸1：1建模，12＃槽钢与两块8mm钢板构成的组合结构简化成80mm厚的钢板，并采用zone单元模拟；竖向加肋18＃工字钢采用beam单元，间距0.6m，横向支撑2根25＃工字钢也采用beam单元模拟，整个钢套箱计算模型为高度10.50m、边长11.12m的方形结构，模型的边界条件采用位移边界条件，钢套箱底部河床面标高以下添加X、Y和Z三向自由度约束，河床标高面以上无约束。荷载采用设计图纸提供的静水压力，侧向均布静水压力33.64kPa，底板以上采用递减荷载至水位线标高处。

7.2模型的计算参数采用钢套箱实际的材料参数

钢板E=2.10e11，μ=0.3；25＃工字钢E=2.10e11，μ=0.3，A=4850mm2，Ix=5.020e7mm4，Iy=2.80e6mm4；18#工字钢E=2.10e11，μ=0.3，A=3060mm2，Ix=1.660e7mm4，Iy=1.22e6mm4。

8计算结果分析

8.1位移计算结果

在静水压力条件下钢套箱四周侧壁均有向内挤压变形的趋势，最大位移主要分布在侧面钢板的中间部位。通过分析还表明水位线以下钢套箱侧壁内鼓位移普遍较大，而离开水面的悬空板内鼓位移总体上相对较小。且钢套箱的位移值是对称分布的，钢板中间位置往套箱内侧位移最大值可达到3.9mm，而钢套箱角点处位移较小，内鼓位移几乎可忽略不计，由此可见钢套箱内部横向支撑的作用较为关键，对整个套箱的变形控制起到较大作用。

8.2应力计算结果

从轴力的大小上看，四根25#工字钢的轴力都为74.54KN，换算成型钢轴向压应力为15.37MPa，远小于钢材的压屈强度，横向支撑处于正常受力状态。最小主应力基本为压应力，河床以下嵌固部分及水位线以上钢套箱侧壁应力值普遍较小，最大压应力值接近0.9MPa，主要分布在水位线以下的钢套箱四个角点处，说明水位线以下钢套箱角点处出现了局部的应力集中现象，制作过程需重点关注，必要时用角钢加强。最大主力力计算云图，由图可知最大主应力普遍为拉应力，最大值可达0.6MPa，主要分布在水位线以下钢套箱每侧钢板的中间部位，河床标高以下嵌固部分最大主应力较小，对比钢材拉屈应力表明，钢套箱侧壁中央在静水压力作用下出现局部的受拉变形，但拉应力较小，整个结构处于安全承载状态。通过对外侧环向加固梁的弯矩计算结果表明，每根梁所受弯矩普遍较小，最大值20.7kN·m左右，且成对称分布，梁中间段均有指向套向内侧的位移，因此中间段梁截面基本为内侧受拉外侧受压，而靠近角点部位则出现内侧受压外侧受拉现象。对竖直方向加肋工字钢的受力分析结果表明，弯矩值及剪力值也普遍较小，结构处于安全承载状态。

9结语

基于大型商业软件对吉水赣江特大桥钢围堰结构内力及变形的计算表明，在目前的水位情况下，钢套箱总体受力及变形值均较小，处于安全承载状态，可确保整个桥梁基础的正常施工。

对钢套箱的建造过程中提出以下几点注意事项：（1）套箱内横向支撑的施做较为关键，若横向支撑失效很可能导致钢套箱侧壁产生较大内鼓位移，最终影响施工安全及承台的工程质量；（2）套箱侧板转角处的焊接质量要求较严格，这些部位压应力值较大，存在应力集中现象，如果焊接质量未能达到预期目标，钢套箱内部抽水作业时有可能发生套箱内部进水，导致钢套箱局部破坏失效，因此建议重点控制对这些部位的施工质量。

单壁钢套箱在深水基础的施工，是在保证施工安全、质量的基础上，成功的降低了施工成本，对类似桥梁工程的深水基础施工具有一定借鉴、应用价值，取得了较好的经济、社会效益。

参考文献：

[1]GB50017-2003钢结构设计规范[S]

[2]GB50010-2002混凝土结构设计规范[S]

[3]DL/T5039-95水利水电工程钢闸门设计规程[S]