基于欧洲标准的预制反梁式混凝土套箱设计与施工.pdf

CONSTRUCTION MACHINERY 992024/01总第575期基于欧洲标准的预制反梁式混凝土套箱设计与施工白倩茹1，强耀锋1，沈 鑫2，向益全2（1.中交路桥建设有限公司，北京 100027；2.江西省长大桥隧研究设计院有限公司，江西 南昌 330006）摘要为研究欧洲标准下预制反梁式混凝土套箱的设计与施工，以马来西亚砂拉越拉萨河口大桥为工程背景，通过Midas Civil和Midas Fea建立有限元模型进行计算，对设计控制工况进行分析；得到预制反梁式混凝土套箱安装施工方法，从5个关键工况出发，在有限元模型的验证下，整体验算和局部验算均表明该套箱的设计和施工满足欧洲标准。混凝土套箱底板上缘最大拉应力为2.7MPa，底板下缘最大拉应力为2.6MPa，出现在设计低水位浇筑承台混凝土工况；侧板内侧最大拉应力为1.4MPa，侧板外侧最大主拉应力为2.9MPa，出现在设计高水位套箱密封抽水后工况。在正常施工过程中，承台套箱整体结构的强度、刚度及稳定性均满足现行规范要求。本文可为相似或基于欧洲标准的深水平台施工设计提供思路与方案。关键词预制反梁式混凝土套箱；深水基础；有限元分析；跨海大桥中图分类号U445.57 文献标识码A 文章编号1001-554X（2024）01-0099-06Design and construction of prefabricated inverted beam concrete box based on European standardsBAI Qian-ru，QIANG Yao-feng，SHEN Xin，XIANG Yi-quan跨海大桥与普通陆上大桥不同，跨海大桥的施工环境较为复杂。跨海大桥往往是深水大跨，海水对模板和混凝土等均有一定侵蚀作用，流水压力、冲击力、海水浮力、混凝土与海水的压力差等对承台施工质量有较大影响，需对承台营造相对稳定且干湿度合理的“陆上施工”环境。加之船舶撞击的概率不低，船-桥碰撞为桥梁结构存在安全问题的重要原因之一，因此套箱围堰等深水作业平台的设计和施工等质量需严格把关1-4。本文基于马来西亚砂拉越拉萨河口大桥，运用有限元模拟该桥主墩承台的预制反梁式混凝土套箱施工，验证该设计的正确与科学，可为跨海大桥深水平台设计施工提供一定参考。1 工程概况1.1 工程简介马来西亚砂拉越拉萨河口大桥主桥为一联，主桥跨径布置为（175+2200+175）m。全桥共16跨，桥梁上部结构采用变截面PC刚构-连续梁组合体系，其中主桥部分为变截面PC连续刚构桥，其他部分为变截面PC连续梁。桥墩采用薄壁墩和实心重力式桥墩，桥型布置图见图1。桥墩基础采用37根1.5m摩擦桩，呈梅花形布置。桩中心间距4.35m，桩基永久护筒直径为1.538m。承台为多边形结构，构造尺寸32.3m25m，厚度5.25m，采用预制反梁式混凝土套箱施工。预制反梁式混凝土套箱在成桥后作为承台防撞结构予以保留。1.2 施工环境桥位所在地位于Batang Paloh河入海口，北临南中国海，总体属滨海相沉积地貌，地势平坦，植被发达，河流密布，沉积层厚，地质条件差。桥梁跨越Batang Paloh河，河床呈U型发育，河底相对平坦，平均水深10.5m。桥位处河水属潮水位涨落波动带，最高洪水位+3.11m，最高潮位+2.631m，最低潮位-2.369m，最大潮差5m，每日均可见涨落潮。河岸地面平均高程1.60m，雨季常被水淹没。DOI:10.14189/ki.cm1981.2024.01.015收稿日期2023-07-18通讯地址白倩茹，北京市东城区东中街9号东环广场100 建筑机械设计计算DESIGN&CALCULATION工程所在地位处赤道，属热带雨林气候。东北季候风通常在11月至2月到来，并带来大雨，而西南季候风则在6月到10月到来。全年温度相对均匀，温度在2432范围内。90.00m150.00mSPAN 1SPAN 2150.00mSPAN 3150.00mSPAN 4150.00mSPAN 5150.00mSPAN 6175.00mSPAN 7200.00mOVERALL BRIDGELENGTH=2430.00mSPAN 8200.00m200.00mSPAN 9175.00mSPAN 10150.00mSPAN 11150.00mSPAN 12150.00mSPAN 13150.00mSPAN 14150.00mSPAN 15150.00mSPAN 16G=-3.000%G=-3.000%A1E.J.BBBBBBBBBBBBB120.00m120.00m120m20mNAVIGATIONAL CLEARANCEHFL=+3.11mHAT=+2.631mMLHW=+0.631mMSL=+0.431mLAT=-2.369mMLHW=+0.131mMHHW=+2.331mMLLW=-1.569mBP1P2P3P4P5P6P7P8P9P10P11P12P13P14P15A2图1 拉萨河口大桥桥型立面布置图（单位：m）2 预制反梁式混凝土套箱结构设计2.1 预制反梁式混凝土套箱特点预制反梁式混凝土套箱施工是为主墩承台在海上施工而设计的临时阻水结构，其作用是通过预制反梁式混凝土套箱侧板和底板阻水，从而为承台提供无水的施工环境。预制反梁式混凝土套箱特点主要有：（1）反梁式混凝土套箱侧板与底板全部为钢筋混凝土结构。套箱没有内支撑结构，侧板承受承台浇筑混凝土横向荷载，底板承受承台浇筑混凝土竖向荷载。（2）反梁式混凝土套箱采用预制拼装法施工。逐块拼装混凝土套箱，浇筑湿接缝，使套箱成为整体，提升套箱施工功效。（3）反梁式混凝土套箱解决异形结构钢筋绑扎及模板安装困难。（4）反梁式混凝土套箱与桩基形成整体框架结构，抵抗流水冲击。2.2 预制反梁式混凝土套箱构成预制反梁式混凝土套箱主体主要由侧板、底板、系梁、圈梁等构成，具体结构如图2所示。套箱预制底板厚度均为30cm，底板在每根桩基位置设置2.5m圈梁（桩直径1.5m），圈梁与桩基间距20cm。待套箱安装到位后，浇筑微膨胀混凝土。混凝土系梁混凝土系梁混凝土圈梁混凝土圈梁剪力板455066006600500050004550图2 预制反梁式混凝土套箱分块布置图（单位：mm）3 有限元结构计算分析采用Midas/Civil建立有限元模型如图3所示。依据混凝土套箱施工流程，对各工况建立有限元模型分别加以计算。采用有限元软件Midas计算程序对各工况进行结构强度计算。采用的单元分别有板单元和梁单元，板单元用于套箱侧板及底板，梁单元用于底板上系梁及圈梁。边界条件设定在对应每个钢护筒上4个牛腿位置并施加竖向约束。3.1 计算荷载套箱计算时，主要荷载有自重、静水压力、流水压力、套箱浮力、混凝土侧压力。（1）自重：钢筋混凝土按照25kN/m3。图3 预制反梁式混凝土套箱模型（2）静水压力：混凝土套箱侧壁外静水压力从上至下为三角形分布，承台施工期间静水压力取最高水位HAT=+2.631m计算。（3）流水压力：根据Eurocode 1Action-son structures Part 1-6：General actionsActions-CONSTRUCTION MACHINERY 1012024/01总第575期during executionBS EN1991-1-6：2005计算5。（4）浮力：抽水后按设计最高水位HAT=2.631m计算。（5）混凝土侧压力：根据Performance Requirements and General DesignEN 12812-2004计 算6。3.2 荷载组合与计算工况3.2.1 荷载组合根据BS 5400-2：2006第4章Loads-Gener-al4.3.1.2节中Table1，按承载能力极限状态ULS组合取值，具体组合如表1所示7。表1 荷载组合系数项目荷载组合类别组合系数值f3自重其他恒载水浮力侧向 水压力水流力混凝土侧压力工况1ULS1 1.11.15/1.21.51.5/SLS11.01.0/1.01.01.0/工况2ULS1 1.11.151.2/1.5SLS11.01.01.0/1.03.2.2 计算工况本文的计算工况分为整体验算和局部验算两个部分。将套箱密封后，未绑扎钢筋前，设计高水位套箱整体抗浮计算及对侧板作用计算为整体验算的工况1；将设计低水位时，浇筑完第一层承台混凝土后，套箱整体强度验算及对侧板作用为整体验算工况2；将套箱侧板凸榫块安装挂板后强度验算为局部验算工况3；将套箱密封未绑扎钢筋前，设计高水位下，套箱底板上缘剪力板强度验算为局部验算工况4；将设计低水位时，浇筑完第一层承台混凝土后，套箱底板下缘钢牛腿强度验算为局部验算工况5。3.3 欧标与国标整体验算对比3.3.1 设计高水位套箱密封后抽水结构验算（工 况1）竖向荷载的计算组成由抽水后按设计高水位为+2.631m，承台底标高为+0.131m，圈梁及系梁高度0.6m，由p1=h1算得的水位差产生的浮力为p1=h1=10（2.631-0.131+0.6）=31kN/m2，其中为水的重度，取10kN/m3。侧向水压力的设计高水位为+2.631，2.631-0.131+0.6=3.1m，P=h=103.1=31kN/m2。水流力水流荷载加载在短边一侧，测得流速3m/s，Pwa=1.44100032=12960Pa=12.96kN/m2。通过有限元计算得到应力如图4所示。通过图4（a）有限元计算结果可知，在此工况下，底板底面拉应力较大位置主要集中在钢护筒边缘附近，最大应力为1.8MPa；图4（b）表明底板顶面拉应力较大位置位于跨中位置处，最大应力为0.6MPa；而套箱的侧板内侧最大主拉应力为1.4MPa，侧板外侧最大主拉应力为2.9MPa，如图4（c）和（d）所示；如图4（e）-（g）所示为套箱内力计算结果图，图中显示中部3个圈梁的最大弯矩为34.5kNm，其余圈梁和系梁最大弯矩为24.3kNm，底板和侧板最大弯矩为62.7kNm，而套箱的最大支反力为56.8kN，最小支反力为-251.3kN，详细支反力见图4（h）。3.3.2 设计低水位浇筑承台混凝土验算（工况2）在设计低水位浇筑承台混凝土验算工况时，其计算荷载主要由竖向荷载和侧板荷载构成，而竖向荷载又分为结构自重、1m高承台钢筋混凝土自重+砂层和素混凝土自重两部分。因此，底板外部荷载为P0=25+（0.2616+0.0524）=30.36kN/m2，而侧板荷载由公式计算得Pmax=D 2max12114.23kN/mPD CRC KHCR。根 据 荷载，运用有限元计算得到结果如图5所示。根据计算结果可知，底板底部主拉应力最大值为2.6MPa，如图5（a）所示；而底板顶部主拉应力最大值则为2.7MPa，如图5（b）所示；图5（c）和（d）所示的计算结果表明套箱侧板内侧最大主拉应力为0.7MPa，外侧最大主拉应力为0.8MPa；套箱预制反式梁的内力结果如图5（e）-（g）所示，中部3个圈梁最大弯矩为120kNm，其余圈梁和系梁最大弯矩为97.6kNm，底板和侧板最大弯矩为-112.2kNm；而套箱最大支反力为679.6kN，最小支反力为67.3kN，各支点的支反力详情如图5（h）所示。在工况1、2状态下，对套箱各构件进行内力极值提取，并进行承载能力验算，具体结果如表2、表3所示。经抗剪验算（底板、侧板、圈梁、102 建筑机械设计计算DESIGN&CALCULATIONa底板板底最大主应力图（单位：MPa）b底板板顶最大主应力图（单位：MPa）c侧板内侧最大主应力图（单位：MPa）d侧板外侧最大主应力图（单位：MPa）e中部三个圈梁内力图（单位：kNm）f其余圈梁及系梁内力图（单位：kNm）g底板及侧板内力图（单位：kNm）h支座反力图（单位：kN）图4 工况1有限元计算结果a底板板底最大主应力图（单位：MPa）b底板板顶最大主应力图（单位：MPa）c侧板内侧最大主应力图（单位：MPa）d侧板外侧最大主应力图（单位：MPa）e中部三个圈梁内力图（单位：kNm）f其余圈梁及系梁内力图（单位：kNm）g底板及侧板内力图（单位：kNm）h支座反力图（单位：kN）图5 工况2有限元计算结果系梁）、抗弯承载力（底板、侧板、圈梁、系梁正负弯矩）、裂缝宽度验算（底板上下缘、侧板内外缘、圈梁上下缘、系梁上下缘），发现最大负弯矩和剪力均发生在圈梁，分别为-119.9kNm和266.7kN，最大正弯矩则出现在系梁，为75kNm，而裂缝仅出现在底板下缘，为0.09mm。承载能力和裂缝宽度均满足规范要求。表2 PC-1A各构件内力极值内力底板侧板圈梁系梁最大正弯矩/（kNm）43.562.754.975最大负弯矩/（kNm）-112.2-10.5-119.9-28.4最大剪力/kN15112266.7131.2表3 PC-1A各构件裂缝宽度（单位：mm）构件底板侧板圈梁系梁上缘/外缘0000下缘/内缘0.090003.3.3 国标下工况1和工况2的计算结果根据我国现行规范和标准建立有限元模型，将主要构件的计算结果整理汇总在表4。对比欧标下的计算结果，总体上相近。经对比可知，不论在工况1还是工况2下，欧标计算结果底板板底和板顶最大主应力均稍大于国标；而侧板内侧和外侧最大主应力在工况1下则是国标结果值大于欧标，在工况2下则是几乎一样；中部3个圈梁CONSTRUCTION MACHINERY 1032024/01总第575期内力、其余圈梁及系梁内力、底板及侧板内力的最大值，欧标结果均大于国标；在最大最小支反力上，两个工况表现不同，工况2下，欧标的最大最小支反力大于国标值，而工况1则是国标计算结果值大于欧标。综合来看，欧标和国标的计算值出入较小，二者在不同工况下结果值差异不同。在实际工程中可结合实测数值调整参数，从而使局部构件和结构更为科学和安全。表4 国标下工况1和工况2的计算结果工况底板板底最大主应力/MPa底板板顶最大主应力/MPa侧板内侧最大主应力/MPa侧板外侧最大主应力/MPa中部3个圈梁内力/（kNm）其余圈梁及系梁内力/（kNm）底板及侧板内力/（kNm）最大/最小 支座反力/kN工况11.70.51.53.033.323.560.665.7/-207.6工况22.42.50.60.811190.4-104630.4/62.53.4 局部验算局部验算分为工况3、工况4和工况5，分别对应套箱侧板凸榫块安装挂板后强度验算、套箱抗浮底板上缘剪力板强度验算和套箱底板下缘牛腿强度验算。套箱抗浮底板上缘剪力板强度验算和套箱底板下缘牛腿强度验算，均包含截面和焊缝验算。套箱侧板凸榫块安装挂板后强度验算中，荷载均为竖向荷载。其中竖向荷载包括自重和挂板重量，而自重分为凸榫及套箱底板和侧板自重。挂板重量按照面荷载施加在凸榫上表面，最大挂板自重为501kN，单个凸榫顶面面积为0.68m2，而凸榫顶面荷载为368.4kN/m2。套箱侧板凸榫块示意图如图6（a）所示。a 凸榫结构示意图b 计算结果应力图c 剪力板和牛腿构造图 5050202065201020030030059262050032419652020858022040090901802020200300300100225圈梁（600400mm）抗浮剪力板牛腿（适用于P7，P8，P9）护筒内侧底板（t=300mm）图6 凸榫结构示意图和计算结果、剪力板和牛腿构造图采用Midas Fea对凸榫进行局部实体建模，承台施工完成后再进行挂板施工，挂板重量按照面荷载施加在凸榫顶面，边界条件为侧板和底板断面处约束X与Y方向平动位移，底板顶面处约束X、Y、Z方向平动位移。经计算得到的结果如图6（b）所示，套箱的侧板凸榫块安装挂板后，最大拉应力出现在凸榫顶面倒角处，为3.0MPa。在套箱密封抽水，未绑扎钢筋前，设计高水位下，对护筒周围抗浮剪力板进行验算。剪力板与钢护筒焊接，其采用双面角焊缝，焊脚高度为19mm，每根钢管等间距布置12个。按照整体验算工况1抗浮支座最大反力（向上）出现在中间钢管桩处，最大反力值为568kN，每个钢管桩设置12个剪力板，每个剪力板最大剪力V=47333N，弯矩M=10649925Nmm。套箱底板下缘牛腿强度验算工况中，按照最不利工况，低潮位时（承台完全露出），浇筑完第一层承台混凝土（1m高）后，对套箱底部钢牛腿强度及焊缝进行验算。牛腿与钢护筒焊接，其采用双面角焊缝，焊脚高度为19mm，每根钢管等间距布置4个，按照整体验算工况2支座最大反力出现在中间钢管桩处，每个钢管桩设置4个牛腿，牛腿最大承受剪力V=680kN，弯矩则为M=Vl=204kNm。按照剪力板和牛腿尺寸以及给出的荷载，对剪力板和牛腿进行截面验算和焊缝验算，结果如表5所示。圈梁和钢护筒之间缝隙浇筑前，104 建筑机械设计计算DESIGN&CALCULATION沿每个护筒周围焊接8根20“L”型胡须筋（10cm15cm），与混凝土握裹力一起作为安全储备，进一步提高套箱抗浮安全性。表5 剪力板和牛腿验算结果计算部位计算参数计算结果/MPa强度设计值/MPa结果抗浮剪力板结构腹板上端外边缘正应力157钢材抗弯 f=205满足下翼缘板外边缘正应力68钢材抗弯 f=205满足截面形心轴处剪应力21抗剪fv=120满足腹板上端外边缘折算应力172.3承载力 f1=225.5满足剪力板 焊缝下翼缘板焊缝应力66.3抗拉f tw=160满足腹板双面角焊缝剪应力f33抗剪f tw=160满足牛腿结构上翼缘板外边缘正应力38.2钢材抗弯 f=205满足腹板下端外边缘正应力59.4钢材抗弯 f=205满足截面形心轴处剪应力37.4抗剪fv=120满足腹板下端外边缘折算应力103.3承载力 f1=225.5满足牛腿焊缝上翼缘板焊缝应力76.8抗拉f tw=160满足腹板双面角焊缝剪应力f22.7抗剪f tw=160满足4 结束语本文以马来西亚砂拉越拉萨河口大桥主桥承台套箱设计和施工为背景，基于欧洲标准建立了承台预制反式梁混凝土套箱的Midas Civil空间模型与Midas Fea模型，经计算分析得到结论如下：（1）设计高水位套箱抽水进行结构验算，混凝土套箱底板上缘最大拉应力为0.6MPa，底板下缘最大拉应力为1.8MPa；侧板内侧最大拉应力为1.4MPa，侧板外侧最大主拉应力为2.9MPa。（2）对设计低水位浇筑1m高承台工况进行套箱结构验算，混凝土套箱底板上缘最大拉应力为2.7MPa，底板下缘最大拉应力为2.6MPa；侧板内侧最大拉应力为0.7MPa，侧板外侧最大拉应力为0.8MPa。在工况1、2状态下，对套箱各构件进行内力极值提取，并进行承载能力验算，承载能力均满足规范要求。（3）套箱侧板凸榫块安装挂板后强度验算，凸榫顶面倒角处局部最大拉应力为3.0MPa；在套箱密封抽水，未绑扎钢筋前，设计高水位下，对护筒周围抗浮剪力板强度、剪力板与钢护筒焊缝进行验算，均满足承载力要求；按照最不利工况，低潮位时（承台完全露出），浇筑完第一层承台混凝土（1m高）后，对套箱底部钢牛腿强度及焊缝进行验算，均满足承载力要求。（4）经与我国标准下的有限元分析对比，欧标与国标的计算结果相近，二者在不同工况下结果值差异不同，可依据实际工程的实测值与欧标和国标的计算结果对比调整计算参数，从而使有限元结果更好地服务工程。在正常施工过程中，承台套箱整体结构的强度、刚度及稳定性均满足现行规范要求。本文的研究可为相似结构提供施工方案思路，也可为使用欧洲标准的海外项目相似深水平台的设计和施工提供一定参考。参考文献1樊伟，张泽文，申东杰，等.桥梁固定式防撞钢套箱能力曲线的解析计算方法J.湖南大学学报（自然科学版），2020，47（11）：17-28.2张文哲，曲雪，薛宪政，等.船-桥碰撞力影响因素与防船撞套箱耐撞性分析J.武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2022，46（04）：644-648.3石虎强，周彬，郑锦奎，等.佩列沙茨跨海大桥主墩承台套箱围护结构创新设计研究J.公路，2021，66（09）：36-45.4陈险峰，石虎强，王岩，等.海中大型承台新型组合套箱施工关键技术研究与应用J.公路，2021，66（09）：51-61.5UNE-EN 1991-1-6-2005.Eurocode 1-Actions on structures Part 1-6：General actions-Actions during ex-ecutionS.6 BS-EN 12812-2004.Performance Requirements and General DesignS.7 BS 5400-2：2006.Steel，concrete and composite bridges-Part 2：Specification for loadsS.