高潮差水中钢混组合吊箱设计和受力特征分析.pdf

文章编号:()收稿日期:基金项目:中国铁建股份有限公司科技研究开发计划项目()作者简介:乔长庆()男河南唐河人高级工程师主要从事桥梁施工技术方面的工作:.引文格式:乔长庆.高潮差水中钢混组合吊箱设计和受力特征分析.铁道建筑技术():.高潮差水中钢混组合吊箱设计和受力特征分析乔长庆(中铁十五局集团第二工程有限公司 上海)摘 要:跨海桥梁水中高桩承台通常采用吊箱法施工吊箱在水中承受自重荷载、风荷载、静水压力、波浪力和波浪托浮力等力的耦合作用施工控制较为复杂 杭甬复线滨海高架桥、承台为水中高桩承台施工环境受海洋高潮差、洋流复杂的影响较大 吊箱采用钢制模板和预制混凝土底板组合结构通过千斤顶下放至指定位置后进行承台浇筑 采用有限元软件对钢吊箱施工过程进行仿真模拟对结构可靠性进行验算并针对海中吊箱的振动和止水问题提出解决措施 结合施工现场监测数据总结吊箱在施工过程中的受力特征为海域环境水中高桩承台施工提供技术依据关键词:高潮差 水中高桩承台 钢混组合吊箱 设计 受力特征中图分类号:.文献标识码:./.(.):.:引言从环境适应性和美观性角度出发跨江海桥梁承台大多设计于水中给桥梁墩台施工带来较大的困难对于水下低桩承台可采用钢板桩围堰、沉井等形成防水结构进而形成承台施工良好的作业环境 而对于水下高桩承台就更为复杂一般采用钢吊箱施工围堰 钢吊箱可以采用混凝土、型钢等多种材料分多层或者单层制作而成但型钢投入量多、材料回收困难成本高 同时在复杂水域环境中受到的条件限制也较多施工较为危险 杭甬复线滨海高架大跨度桥梁承台均采用水中高桩承台设计 施工时采用钢筋混凝土预制底板和钢制壁体拼装组合的钢混组合吊箱技术针对杭州湾海域环境高潮差、冲击力大、承台底面积大、施工止水难度大、受洋流冲击振动影响大等特点进行了专门设计取得了良好的效果 工程概况杭甬高速复线滨海高架桥位于甬江出海口海域中桥长 桥面宽度.设计采用下部构铁道建筑技术 ()乔长庆:高潮差水中钢混组合吊箱设计和受力特征分析造为现浇墩 现浇高桩承台 钻孔灌注桩上部采用整孔预制预应力砼连续箱梁 其中 段为跨越册子岛至镇海进口原油管道设.连续梁在、设置群桩大承台 平面尺寸.厚.为水中高桩大体积承台 该施工区域潮汐性质属于非正规半日浅海潮型属强潮流区历年最高潮位.历年最低潮位.平均海平面.平均高潮位.平均低潮位.历年平均潮差.历年最大潮差.该区域海况较复杂天气复杂多变、频繁施工技术难度高 吊箱及承台施工过程设计.单壁钢混组合吊箱设计承台钢混组合吊箱围堰平面尺寸为.壁体高.壁体面板选用 厚钢板壁体围檩型号为 的 型钢环向次梁采用 的 型钢竖向背肋采用 的 型钢 内支撑选用 圆钢管 钢筋混凝土底板采用 块.的 型板和 块尺寸.的 型板 混凝土预制块通过湿接缝连接而成 预制板上预留吊装埋铁设连通器口设置企口与壁体形成密封体系 吊箱总重达到.见图 图 钢混组合吊箱结构.施工过程设计钢吊箱通过在钢护筒顶设置千斤顶形成悬吊体系 完成抽水后依托桩基钢护筒焊接的剪力板拉住钢吊箱完成受力体系转变为承台施工形成稳定的工作环境 见图 具体施工过程步骤设计如下:()在钢护筒上安装拼装平台将预制底板吊装到位后绑扎钢筋浇筑湿接缝使底板连为一体 在底板强度达到 后在企口处安放橡胶止水垫安装吊箱壁体张拉壁体与底板间的预应力精轧螺纹吊杆()安装挑梁、扁担梁、千斤顶等吊装设备通过 台千斤顶连续同步下放钢吊箱至设计底面标高(工况一)稳定后及时安装拉压杆拆除挑梁、千斤顶和钢绞线将受力系统转化为拉压杆受力(见图)图 吊箱下放结构体系()安装钢护筒四周封堵抱箍浇筑底板与钢护筒之间的封堵混凝土 水下不离析混凝土达到设计强度后抽水再在底板的梁、板间铺设垫层找平(工况二)焊接底板与钢护筒间的连接剪力板拆除拉压杆及扁担梁将受力系统转化为剪力板受力(工况三)()浇筑 厚的素混凝土垫层割除钢护筒并凿除桩头至设计标高内壁除锈打磨 绑扎承台钢筋浇筑第一层承台混凝土(工况四)首层承台混凝土达到设计强度后拆除钢吊箱内支撑结构钢吊箱顶口设置临时支撑后浇筑第二层承台混凝土(工况五)()拆除吊箱壁体混凝土底板作为承台的保护结构永久保留 施工仿真受力分析吊箱采用 建立有限元模型计算 模型底板梁系及壁体梁系均采用 梁单元底板及吊箱壁板均采用 单元 根据港口工程荷载规范计算吊箱体系的自重、静水压力、波浪力、水流力、风荷载、抽水后混凝土底板浮托力、混凝土浇筑的压力等计算参数 结合施工过程和结构在海洋中的受力特点施工仿真受力分析按 种工况依次进行验算 图 为工况二预制底板竖向位移云图图 为工况四吊箱面板位移云图 底板及壁体具体计算结果见表、表 图 预制底板位移云图铁道建筑技术 ()乔长庆:高潮差水中钢混组合吊箱设计和受力特征分析图 面板位移云图表 底板受力分析结果项目工况一工况二工况三工况四面板最大弯矩/().加厚区最大弯矩/().主梁最大弯矩/().主梁最大剪力/.次梁最大弯矩/().次梁最大剪力/.环梁最大弯矩/().环梁最大剪力/.底板最大变形/.根据对各工况施工仿真模拟计算得到如下数据底板最大弯矩为.底板加厚区最大弯矩为.底板材料采用 混凝土配筋采用 钢筋间距 布置结合计算出的最大弯矩对底板配筋进行验算结果满足规范和设计要求表 壁体受力分析结果项目工况二工况三工况四面板最大等效应力/.主梁最大等效应力/.次梁最大等效应力/.背肋最大等效应力/.壁体最大变形值/.围堰壁体材料采用 钢钢材拉、压、弯强度 由表 结果经计算壁体强度和变形值均在规范和设计要求之内单个护筒四周共设置 处剪力板装置单个剪力板预埋件上设置 块尺寸为 的剪力板 单个剪力板所承受的竖向荷载 .剪力板与钢护筒焊接均采用双面角焊缝焊缝长为 焊缝高度 根据钢结构设计标准()剪力板焊缝受力达.剪力板焊缝受力满足设计要求根据设计方案可知单个钢护筒四周设置 处拉压杆单根拉压杆长度为.型号为 型钢 经计算拉压杆整体稳定性满足规范要求 海洋施工振动和止水问题.浪潮对吊箱的振动海洋风、波浪、海流、潮汐耦合作用对吊箱造成振动应将这种振动限制在一定范围内以确保混凝土能够尽快形成强度而不受损害 钢混组合吊箱在底板设置企口限位预应力杆进行拉压吊箱整体刚度较大自重较重吊箱具备较强的抵抗浪潮等耦合作用而自振的能力 吊箱下放作业时依托钢管桩设限位滑行装置控制吊箱自身晃动 在钢吊箱入水后海水进入吊箱此时在波浪作用下吊箱整体晃动明显 后期将拉压杆连接后吊箱振动幅度减小 抽水完成剪力板连接牢固后由于重量减小晃动频率较之前高 混凝土浇筑控制位移为 在混凝土浇筑施工中吊箱质量未受到影响.钢混组合吊箱止水由于吊箱位于海水中海水在波浪力、水压力等作用下沿吊箱组装空隙进入吊箱采取止水措施是吊箱围堰的关键技术针对在吊箱预制底板和钢模板壁体之间的空隙采用预制板预留企口企口内设置 厚橡胶止水条带安装钢模板壁体后采用拉杆将钢模板壁体拉紧 止水橡胶压缩完成后通过楔形块将其锁紧同时将套箱与混凝土块拉紧形成稳固体系 同时在接缝周边、壁体与预制混凝土底板的环向主梁缝隙中浇筑 厚封堵砂浆混凝土底板与桩基钢护筒之间的空隙安装钢护筒封堵抱箍在底板与钢护筒之间浇筑水下不离析混凝土 封堵混凝土达到设计强度后进行抽水作业在底板梁、板间铺设垫层找平(见图)图 止水结构设计铁道建筑技术 ()乔长庆:高潮差水中钢混组合吊箱设计和受力特征分析 钢吊箱整体下放施工钢吊箱体积较大重量重结合现场情况本项目采用千斤顶同步下放法在潮差低、波浪较小的时段进行下放作业 施工采用 套 的千斤顶下放过程保证千斤顶同步每次下放 后进行调平直至钢吊箱下放至设计标高位置(见图)图 钢吊箱整体下放施工 施工监控及数据分析钢混组合吊箱施工步骤繁杂海上作业对于结构的可靠性和稳定性要求较高 在吊箱上安装传感器通过多个点位进行应力、变形观测并与仿真结果对比以确保施工安全(见表 与表)()应力值对比表 应力监测值与理论值对比测点编号工况三实测值/理论值/误差/工况四实测值/理论值/误差/.()变形值对比表 变形监测值与理论值对比测点编号工况三实测值/理论值/误差/工况四实测值/理论值/误差/.由表 和表 可知应力、变形实测值和理论值总体比较接近部分点位由于施工因素偏差略大主要出现在内支撑和角点位置 结论()海洋环境中采用钢混组合吊箱进行承台施工可以解决高潮差、洋流等带来的复杂环境问题能够形成良好的作业平台为承台顺利施工提供较好的基础保障()针对高潮差和强涌流设置连通器、拉压杆和限位装置可抵御承台上浮冲击和海水浮力确保位置正确同时可减缓浪潮的振动力影响(吊箱系统利用吊箱围堰自身作为模板体系考虑到环境的特殊性需确保止水施工质量()钢混组合吊箱围堰施工过程中对临时结构体系进行应力、形变监测具有重要意义 通过对应力和形变的监测及时分析预判为施工工艺控制提供良好基础参考文献 王晓敬马行政.海上承台双壁钢吊箱围堰设计与施工.铁道标准设计():.李招明.钢混组合无封底钢吊箱设计与施工技术.铁道建筑技术():.裴志强.海域铁路桥梁施工中单壁钢吊箱的创新应用.铁道标准设计():.李习春.复杂海况可回收分块底板钢吊箱围堰施工技术.施工技术():.王明慧陈永亮李开兰等.大水位差下钢吊箱围堰封底混凝土厚度优化设计.世界桥梁():.邓海许宏伟李勇.公路桥梁中双壁钢吊箱围堰的设计与受力分析.公路工程():.刘飞 黄鸿祺 孙力等.某特大桥梁钢吊箱结构随机动力响应分析.铁道科学与工程学报 ():.祝兵 张家玮 潘良 等.跨海桥梁哑铃形围堰规则波浪力试验研究.桥梁建设 ():.张红心.复杂海域桥塔墩防撞吊箱围堰施工关键技术.桥梁建设():.李建宁.援孟八桥深水钢吊箱围堰设计.铁道建筑技术():.陈儒发 刘刚亮 王忠文等.外海埋置式全预制桥梁墩台安装止水关键技术.公路 ():.姚森.穗莞深城际铁路东江南特大桥主桥快速施工技术.铁道工程学报():.刘晓敏石怡安强伟亮等.高潮差深水基础大型双壁钢吊箱设计与施工技术研究.施工技术():.铁道建筑技术 ()