主橋墩基礎承臺單壁鋼吊箱圍堰設計與施工

xx22號（223號）主橋橋墩基礎承承臺

單壁鋼鋼吊箱圍堰堰設計與施施工

一、工程概況

xxx大橋為為預應力連連續(xù)箱梁橋橋，全長22172mm，主橋為為90m+33*1655m＋90m三跨跨變截面預預應力連續(xù)續(xù)箱梁橋，主主跨目前在在同類橋梁梁中亦居國國內第一。

xx22號（23號）主橋墩基礎采用18根φ2.50m的鉆孔灌注樁，橫橋向6排，縱橋向3排成矩形布置，縱間跨為5.0m，橫間距除橋軸線一排為6．40m外，其余均為5.0m，樁長（承臺以下）70.0m。承臺設計為高樁承臺，承臺尺寸為30.42m（長）*14.00m寬）*3.50m（高），承臺頂面標高-0．50m，底面標高一4．00m。受基礎樁影響，橋位處河床斷面標高為

-9．00～-14.00m，為此，承臺施工采用鋼吊箱圍堰的方法施工。

二、鋼吊箱設計計

用吊箱圍圍堰是為承承臺施工而而設計的臨臨時阻水結結構，其作作用是通過過吊箱圍堰堰側板和底底板上的封封底混凝土土圍水，為為承臺施工工提供無水水的干處施施工環(huán)境。

1．設計條件

（1）工況條件

根據(jù)鋼吊箱圍堰施工作業(yè)時段，設計受力狀態(tài)可按以下幾個工況進行分析：

①拼裝下沉階段；

②封底混凝土施工階段；

③抽水后承臺施工階段。

（2）水位條件

南京河段距入?？诩s450km，位于長江下游感潮區(qū)內，非正規(guī)半日潮型，流量以雨水經(jīng)流為主，同時受潮汐影響，每年5～10月為洪汛期，11月至次年單月為枯水期，洪峰出現(xiàn)在6～8月份。根據(jù)南京下關水文站統(tǒng)計多年水位資料推算本橋橋址潮位特征如表1。

由表1可以看出：橋址址多年平均均潮最高為為6月份5．54m，平平均潮最低低為1月份1．28m，而而根據(jù)吊箱箱施工時間間安排，吊吊箱圍堰抽抽水將在3月份以后后進行，此此地平均潮潮位為3月份3.118m，基基于此，我我們確定鋼鋼吊箱設計計抽水潮位位為+4.000m，以此此潮位條件件控制鋼吊吊箱設計。

（3）結構設計條件

綜合各工況條件，潮位條件確定鋼吊箱結構設計條件：

圍堰平面內凈尺寸：30.42m*14.00m（與承臺平面尺寸相同，考慮吊箱圍堰側板兼做承臺模板）；

側板頂面設計標高+5．00m；

底板頂面設計標高-5．70m；

側板高10.70m；

底層內支撐標高±0.00m（承臺高度范圍內無支撐）；

設計抽水潮位+4．00m。

2．設計依據(jù)

（1）《南京長江第二大橋xx第三階段施工圖設計》；

（2）《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTJ021-89）；

（3）《公路橋涵鋼結構及木結構設計規(guī)范》（JTJ025-86）；

（4）《鋼結構設計手冊》（GB17-88版）；

3．鋼吊箱構造簡介

（1）構造形式選擇

由鋼吊箱使用功能，將其分為側板、底板、內支撐、支吊系統(tǒng)四大部分。其中側板、底板是吊箱圍堰的主要阻水結構，根據(jù)鋼吊箱設計條件，我們對吊箱側板結構的單壁、雙壁兩種方案進行了比較，比較結果見表2內容。

由表2可以看出，側板板單壁節(jié)省省材料，加加工方便，質質量容易控控制，節(jié)省省模板資金金，下沉時時間短，盡盡管需用大大型起吊設設備，但時時間較短（兩兩個吊箱共共需5～7d時間），綜綜合考慮，優(yōu)優(yōu)點優(yōu)于雙雙壁結構，故故側板選用用單壁結構構。

（2）結構構構造簡介（見見圖1）

①底板

吊箱底板為為井字梁結結構，由型型鋼梁和δ＝8mm鋼板板焊接而成成。底板平平面尺寸為為30．956mm*14．536mm，底板高高0.3228m，重重量為49.447t。樁間設設置縱、橫橫。［32al字鋼梁，縱縱梁（順橋橋向）為主主梁，除中中梁因間距距大、承載載重設置3[32aa工字鋼外外，其余均均為2[32aa工字鋼，兩兩端各設置置2[32aa槽鋼。橫橫梁（順水水方向）為為次梁，中中梁各設置置2[32aa槽鋼?？v縱、橫梁之之間設置的的斜撐（除除端部吊桿桿梁外）為為[16槽鋼?？v縱、橫梁之之間設置[75**50*66角鋼加勁勁肋。吊桿桿梁設焊在在縱梁（端端吊桿梁除除外）上為為2[32aa槽鋼。頂頂板為δ＝8mm鋼板板，頂板與與18根鋼護筒筒相交平面面位置各留留有直徑為為3．064mm圓孔洞，以以利于下沉沉吊箱。

②②側板

側板采采用單壁結結構，由型型鋼和8mmm厚鋼板板焊制而成成。側板高高度方向分分為下、上上兩層，各各層高度分分別為6．20m和4．50m。每每層分為10塊，其中中長邊方向向各3塊，短邊邊方向各2塊。兩層層共計20塊。下層層長邊側板板分塊尺寸寸為10．135mm*6．20m，每每塊重量為為8．55t，短邊分分塊尺寸為為7.1881m*6．20m，每每塊重6．51t，下層側側板總重77．34t；上層長長邊側板分分塊尺寸為為

10．135mm*4．50m，每每塊重4．62t，短邊分分塊尺寸為為7．181mm*4．50m，每每塊重3．32t，上層側側板總重41．00t；上、下下兩層側板板總重124．56t。分塊的的原則主要要是便于加加工及運輸輸，避免產(chǎn)產(chǎn)生超標變變形。吊箱箱下層側板板與底板及及上、下層層側板之間間的水平縫縫和豎縫均均采用螺栓栓連接，縫縫間設置110mm（壓壓縮后為3～4mm）泡泡沫橡膠墊墊以防漏水水。下層側側板的豎楞楞（接縫角角鋼除外）均均為［255a工字鋼鋼，間距為為640mmm；上層層側板的豎豎楞為［12工字鋼，間間距與下層層側板相同同。側板的的水平加勁勁肋為（接接縫角鋼除除外）［75*550*6角鋼，間間跨450～750mmm，隨水水深而變化化。面板為為8mm鋼板板。側板的的作用是與與底板（包包括封底混混凝土）共共同組成阻阻水結構，變變承臺及部部分墩身水水上施工為為陸上施工工，另一用用途是兼作作承臺施工工的外模板板。

③吊箱內支支撐

內支撐撐由內圈梁梁、水平支支撐柱及豎豎向支撐柱柱三部分組組成：

內圈圈梁：內圈圈梁分為上上、中、下下三層，設設在吊箱側側板內側，高高程分別為為+4.400m，+2.000m，±0.000m。分別別為2[14、2［36a和4[455b工字鋼，內內圈梁的作作用主要是是承受側板板傳遞的荷荷載，并將將其傳給水水平支撐柱柱。另一用用途作為拼拼裝側板的的靠模。除除下層內圈圈梁與側板板之間采用用連接焊縫縫焊接外，其其余均采用用間斷焊接接；圈梁與與水平鋼管管支撐柱之之間采用連連續(xù)焊縫焊焊接。水平平鋼管支撐撐柱：分為為上、中、下下三層，分分別支撐在在三層內圈圈梁上，承承受圈梁傳傳遞的荷載載。分別為為φ203mmm*8mm，φ245mmm*8mm和φ299mmm*10mmm鋼管；水水平鋼管支支撐柱縱、橫橫方向交叉叉設置，縱縱向（順橋橋向）為通通長鋼管，縱縱、橫向水水平鋼管支支撐柱相交交處用支撐撐連接件連連接。豎向向支撐柱：：豎向支撐撐柱分為中中支撐柱和和邊支撐柱柱。中支撐撐柱為桁架架結構，立立桿為4LL100**100**10角鋼，水水平桿及斜斜桿均為L75**50*66角鋼。邊邊支撐柱豎豎桿為2[18工字鋼，承承重水平桿桿為［166a槽鋼（支支承鋼管的的），非承承重水平桿桿及斜桿均均為L75**50*66角鋼，牛牛腿水平桿桿及斜桿均均為[18工字鋼。豎豎向支撐柱柱的作用主主要是支撐撐水平支撐撐柱及內圈圈梁。豎向向支撐柱底底端焊接到到底板上，上上端分別與與上、中、下下三層水平平鋼管支撐撐柱的連接接件焊接。

④吊箱支吊系統(tǒng)

支吊系統(tǒng)由縱、橫梁、吊桿及鋼護筒組成。支吊系統(tǒng)的作用是承擔吊箱自重及封底混凝土的重量。

橫梁：橫（順水方向）梁，共計三排，分別設在鋼護筒頂上，每排橫梁由兩片貝雷組成。貝雷橫梁支點設專用支座（牛腿）焊接于護筒內側，采用U型螺栓將貝雷固定在鋼護筒內側的專用支座（牛腿）上。貝雷橫梁的作用是支承縱梁，并將縱梁傳遞的荷載（通過護筒）傳給基樁。

縱梁：縱（順橋向）梁設置在貝雷橫梁上，共12排，每排由2[56b工字鋼（搭設工作平臺用過的）組成。縱梁的作用是支承吊桿，并將吊桿荷載傳給貝雷橫梁。

吊桿：吊桿由φ32mm精軋螺紋粗鋼筋及與之配套的連接器、螺帽等組成，每個吊箱72根吊桿，重量6.5t。吊桿下端固定到底板的吊桿梁上，上端固定到支架的縱梁上。吊桿的作用是將吊箱自重及封底混凝土的重量傳給支架縱梁。

⑤下沉吊點系統(tǒng)

吊點系統(tǒng)供300t浮吊船安裝吊箱入水時使用。吊點設在吊箱底層長邊側板內側內圈梁處，每個吊箱設4個吊點，吊點中心相距15．25m，每個吊點設兩塊厚度δ＝40mm吊耳板、一根直徑φ115mm承重銷和4[28a加強帶。兩塊耳板中心相距640mm，焊于側板及內圈梁上，并用加勁板加強，耳板上設直徑φll8mm的圓孔，供安裝承銷使用，4根加強吊帶呈雙

"人'字開布置，焊于側板外側豎楞（[25a）上。安裝吊箱時，將一根長吊索（鋼絲繩）分別掛于300t浮吊船的主鉤及吊箱一側的2個吊點上，將2根短吊索分別掛于對價浮吊船的2個副構及吊箱另一側的2個吊點上。

③吊箱定位系統(tǒng)

鋼吊箱下沉入水后受流水壓力的作用，吊箱圍堰會向下游漂移，為便于及時調整吊箱位置，確保順利下沉，我們在鋼吊箱圍堰上設定位系統(tǒng)。定位系統(tǒng)由導向鋼板、定位孔、定位器（短型鋼）及調位千斤頂組成。導向板為厚度δ＝16mm鋼板，端部制成圓弧，分別焊于吊箱4個角部位的縱、橫內圈梁上，導向板端部至鋼護筒外壁之間留一定的空隙；定位孔是利用吊箱底板上靠上游的前排3個護筒孔洞作為定位孔，其位置必須和護筒-5．70m處位置保持一致；導向鋼板及定位孔的作用是控制下沉吊箱的平面位置。調位時用調位千斤頂進行。定位是在吊箱下沉到位后，封底混凝土凝固前，為防止水流壓力、波浪力及靠船力等動荷載對自由懸掛的鋼吊箱發(fā)生撓動，影響封底混凝土質量而設置固定裝置。定位主要利用鋼護筒的穩(wěn)定性將下沉到位的鋼吊箱通過定位器與4個角的鋼護筒連成整體達到鋼吊箱的定位。

4．設計計算

根據(jù)鋼吊箱圍堰施工時段分析進行結構設計驗算。限于篇幅，在此僅就計算思路簡單介紹，具體計算過程從略。

（1）荷載取值依據(jù)

由《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTJ021-89）荷載組合V考慮鋼吊箱圍堰設計荷載組合。

水平荷載：∑Hj=靜水壓力+流水壓力+風力+其他；

豎直荷載：∑Gj=吊箱自重+封底混凝土重+浮力+其他；

其中：單位面積上的靜水壓力按10kN／平方米計，水壓隨高度按線性分布；

流水壓力按橋址斷面設計流速：V設=1．00m/s；

風速取設計風速：V風＝2．50m／s；

封底混凝土容重：γ=24kN／立方米；

水的浮力γw=10kN／立方米。

（2）計算內容

①吊箱拼裝（包括滑移入水、浮運）下沉計算；

②吊箱結構設計計算；

③封底混凝土施工階段計算；

④抽水后吊箱止浮計算。

（3）計算

綜合工況條件分析和計算內容，對鋼吊箱各部分取最不利受力工況進行計算：

①底板主要承受封底混凝土重量和吊箱自重。底板受力以豎向荷載為主，其最不利受力工況應為封底混凝土澆注階段，此時底板受力荷載組合取封底混凝土重+吊箱自重+浮力進行驗算。此外還要對首節(jié)吊箱滑移入水及整體起吊下沉等階段底板受力情況進行復算。

②側板以承受水平荷載為主，其最不利受力工況為抽水階段，取此工況受力荷載組合進行側板計算。側板計算包括楞、水平加勁肋、面板、接縫螺栓及側板焊縫等物件的內力、變形及應力計算。另外，還要對吊箱滑移入水、整體起吊下沉、吊箱混凝土封底及承臺施工等階段側板受力情況進行復算，進行多重控制設計。

③內支撐系統(tǒng)與吊箱側板計算相關，所以在側板驗算的同時完成內支撐的驗算。

④吊箱支吊系統(tǒng)和底板一樣，以承受豎向荷載為主，受力驗算亦與底板計算一起完成。

⑤吊箱滑移入水階段除驗算吊箱底板及側板外，還要通過計算結果確定滑移設備，并對不良地基進行加固處理。

③吊箱浮運主要與流水壓力、風力、波浪及靠船力等因素有關，同樣以水平荷載為主，設計計算以此幾種荷載組合為最不利的情況下進行計算控制。并且還要對吊箱浮運穩(wěn)定性進行驗算。

⑦吊箱拼裝下沉階段主要與吊箱自重有關，以豎向荷載為主，以整體起吊下沉為最不利進行計算控制，并以據(jù)計算結果設計吊點、吊具，選擇安裝設備。

⑧抗浮計算分兩個階段：一個階段是吊箱內抽完水后澆筑承臺混凝土前，另一個階段是澆筑完承臺混凝土后承臺混凝土初凝前；分別計算封底混凝土與鋼護筒間粘結力及吊箱圍堰的上浮力，使其滿足下式要求：

⑨封底混凝土強度度驗算：封封底混凝土土主要承受受吊箱、封封底混凝土土、承臺混混凝土的自自重和浮力力，以豎向向荷載為主主。驗算分分兩階段進進行，階段段劃分同抗抗浮計算，選選取最不利利荷載組合合進行控制制，驗算封封底混凝土土周邊懸臂臂時之拉應應力和剪應應力，以及及中間混凝凝土之拉應應力和剪應應力。

三、施工工藝流流程

施工工工藝流程見見圖2。

四、鋼吊箱施工工

22號（23號）主墩墩承臺施工工鋼吊箱圍圍堰結構尺尺寸大、自自重大，目目前在單壁壁鋼吊箱中中位居國內內第一，受受加工、運運輸和現(xiàn)場場環(huán)境制約約，造成施施工環(huán)節(jié)多多、施工難難度高。針針對現(xiàn)場實實際，在完完善結構設設計、工藝藝設計的同同時，我們們對鋼吊箱箱的施工采采用了靈活活多變的施施工方法，取取得了顯著著成效。

11．鋼吊箱箱加工

以鋼吊箱箱的結構構構造看，底底板、側板板是吊箱加加工的主要要部分，而而內支撐、支支吊系統(tǒng)多多以標準件件為主，加加工量較小小。根據(jù)施施工組織要要求，吊箱箱要提前進進行設計和和加工。吊吊箱加工場場地選在橋橋址上游江江邊的修船船廠，廠內內有加工車車間，距江江邊1500m，江邊邊并有簡易易修船船臺臺可供利用用。底板加加工在簡易易船臺滑道道上進行，加加工前在船船臺滑道搭搭設加工平平臺，在平平臺上加工工底板，底底板加工首首先將整個個底板的縱縱、橫型鋼鋼梁焊成井井字梁，然然后在井字字梁頂面焊焊接δ＝8mm鋼板板；為了便便于吊箱浮浮運，底板板上護筒及及吊桿的孔孔洞暫不開開孔；底板板平面尺寸寸30.9956m**14.5536m，高高度為0．328mm，重量（未未開孔時）為57.80t，因塊件較大，加工時按程序分區(qū)焊接，防止超標變形；底板加工完后直接在其上面拼裝底層內支撐系統(tǒng)及底層側板。側板加工在加工車間前面的混凝土地面的場地上進行，加工前在地面上用型鋼及鋼板搭設加工平臺，在平臺上加工側板，加工時嚴格按施工圖分塊尺寸進行加工，為防焊接時翹曲變形，采用型鋼梁、定位卡及螺旋千斤頂均勻施壓焊接；側板加工完試拼檢驗合格后，分塊裝車（或裝船）運至拼裝現(xiàn)場。內支撐系統(tǒng)的豎向支撐柱及連接件均在加工車間內加工，內圈梁及水平支撐

鋼管均購買成品。吊箱支吊系統(tǒng)的貝雷梁、工字鋼梁均為鉆孔施工平臺舊料，吊桿為φ32mm精軋螺紋粗鋼筋購買成品?，F(xiàn)場拼裝時直接調用。吊相加工質量以《鋼模板質量標準》為依據(jù)。為保證加工質量，制定了嚴格的加工工藝規(guī)程和質量體系。

2．吊箱拼裝及下沉

吊箱拼裝及下沉均分兩次進行。吊箱底板、底層側板及底層內支撐加工完后，即可在加工場地的船臺的滑道上拼裝底層鋼吊箱，并安設滑移設備，拼裝完畢，起動滑移設備將底層吊箱滑移入水，并用1200馬力拖輪頂推浮運至橋位，然后用300t浮吊船安裝下沉。底層吊箱下沉到預定位置后，安裝支吊系統(tǒng)并將吊箱懸掛其上（300t浮吊移位至另一個墩位，準備

下沉另一個鋼吊箱，隨后利用50t浮吊拼裝中、上層內支撐及上層側板，拼裝完后，待另一個底層吊箱下沉完后，300t浮吊移來再下沉整體吊箱至設計高程。使用一套設備安裝下沉兩個鋼吊箱，先、后穿插施工。

3．吊箱定位與堵漏

吊箱沉至設計高程后，復核其平面位置，如不滿足要求，可將千斤頂安放在四個角的4個護筒外壁與吊箱側板之間調整吊箱位置，待其滿足要求后，在四個角的4個護筒與吊箱側板之間用定位器（短型鋼）焊接定位。然后潛水員下水，將底板堵漏封板緊固到護筒上。每個護筒孔洞堵漏封板由4塊弧形鋼板用螺栓拼成一個環(huán)形板，下沉吊箱前，將封板初步安設在底板護筒洞口周圍，此時封板的內徑應大于底板洞口直徑以利于吊箱下沉。

4．灌注封底混凝土

封底混凝土的作用一是作平衡重的主體，二是防水滲漏，三是抵抗水浮力在吊箱底部形成的彎曲應力；四是作為承臺的承重底模。封底混凝土灌注是吊箱圍堰施工成敗的一大關鍵。主要難點是水下混凝土灌注面積大，而且水位深，在吊箱混凝土封底中，采用單根導管的灌注方式，無法達到設想的效果，而混凝土隨時可能被水沖刷稀釋而解散，質量難以保證。針對這些問題，施工中我們采取了以下幾點措施：

①吊箱下沉前，用自行研制的大型圓筒形鋼絲刷清除封底混凝土高度范圍