东海大桥承台混凝土套箱分块拼接施工安全分析.pdf

2 0 1 3 年 7 月第 7 期 城 市道桥 与防洪 管理施工 2 1 9 东海大桥承 台混凝土套箱分块拼接施工安全分析 黄 向平 ， 莫景逸 ( 中交第三航务工程勘察设计院有限公司， 上海市2 0 0 0 3 0 ) 摘要： 东海大桥采用混凝土套箱法对非通航孔中高墩桥梁承台进行施工。 套箱形状为长方形， 比圆形套箱具有较大的迎浪面， 受 力更不利。 因其体积较大 ， 吊装和运输都受到施工条件的限制， 海上施工的周期也较长， 受天气的影响大 。 针对以上不利因素 ， 从施 工安全、 施工条件、 施工进度 、 经济合理性等角度出发 ， 提出了适用于长方形套箱分块拼装方案， 并采用大型有限元分析软件对施 工过程进行仿真分析， 为施工工艺方案的选择和施工流程优化提供依据。 关键词： 方套箱；分块拼接 ； 承台施工； 东海大桥 中 图分类 号 ： U 4 4 5 文献 标识 码 ： B 文章 编号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 3 ) 0 7 0 2 1 9 - 0 3 0 前言 东海大桥 是举世瞩 目的上海 国际航 运中心洋 山深水港 区最 主要 的工程之一 。大桥从 芦潮港开 始 至洋 山深 水港 区 ， 总长度 达 3 1 0 5 3 k m， 工程 规 模 巨大。大桥所处海区海况恶劣 ， 一年 中海上安装 工程有效作业天数为 1 8 0 d ， 可供混凝土浇筑的天 数也仅 为 2 4 0 d 。整座大桥从 2 0 0 2年 8月开始施 工 ， 须在 2 0 0 5年底竣工完成。 非通航孔 桥梁的承 台套箱分两类 ：圆套 箱和 方套箱。 其中圆套箱施工已顺利展开， 一天最多可 安 装 4个 套箱 ，积 累 了一定 的经验 ；方套 箱 长 2 7 8 5 m， 宽 1 0 2 m， 高 4 3 5 m， 体 积较大 ， 原计 划 采用钢套箱方案 。混凝 土圆套箱 的顺 利安装增强 了施工单位采用混凝土套箱的信心，提出大套箱 是否能采用混凝土套箱 ，将混凝土 圆套箱 的施工 工艺推广到大套箱上。这样 ， 整个非通航孔 的承 台 安装的工期都可得到保证。 1 承台套箱施工方案 国内大江大河上的桥梁承台套箱大都采用钢 套箱 ， 工艺较成熟。但是 ， 在东海大桥使用钢套箱 有其 自身 的特点 ： 一是东海大桥属外海工程 ， 拆除 钢套箱成为一道难度和风险较高的工序 ；二是东 海 大桥桥墩工程量 大 ，钢套箱需周转 才能保 证施 工方案的经济性 ， 从安装到拆除需几个月的时间， 这 期间螺栓 可能锈蚀 且位 置在封底混 凝土底 部 ， 须选择在天气好、 潮位低的时候进行。受天气潮位 的影响， 钢套箱的周转次数很难保证。 若采用混凝土套箱 ， 承台浇完后不用拆除， 受 收稿 日期 ： 2 0 1 3 一 O 1 1 5 作者简介： 黄向平( 1 9 7 6 一 ) ， 女 ， 福建罗源人 ， 高级工程师 ， 从 事路 桥 、 岩 土设计研 究工作 。 天气潮位 的影响相对小 ，施工更安全 ，经济更合 理。但是混凝土套箱重量较大， 对运输和起吊设备 的要求较高。若采用整体吊装方案，需要大型浮 吊 ， 现有 的吊装设备不能充分 利用 ； 而采用分两块 拼接方案 ，每一块的重量与整个圆套箱的重量相 当 ， 能够充分利用现有的设备条件 ， 实现快速安装 承 台套箱的 目的。 经过认真权衡钢套箱 和混凝土套箱的优缺 点 ， 本着尽可能减少海上作业时间， 尽快提高套箱 刚度的原则 ， 提出了将方套箱分两 u形吊装， 水 上拼接的施工方案 ， 施工流程如下 ： 陆上分片预制套箱_ 方驳上拼装 u形套箱一 起吊 u形套箱一将两片 u形套箱正确定位并支 撑在桩上一连接好桩顶和钢扁担 ，焊好拼装部分 钢梁 、钢板一浇灌封底混凝土一现浇套箱壁湿接 头 封底混凝 土达到 8 5 强度后 ，拆 除部分钢扁 担 ，浇筑第一层承 台混凝土 第一层承台混凝土 达 到 8 5 强度后 ， 拆 除全部钢扁担 ， 浇筑第二层承 台混凝 土。 2 套箱构造 整个 套箱 长 2 7 8 5 m， 宽 1 0 2 m， 承台 内布置 1 6根钢桩 ， 空间有限元模型见图 1 。套箱中间处设 置钢扁担( 见图 2 ) ， 并搁置在桩上 ， 套箱吊装时吊 点设在钢扁担上 ；套箱底部采用钢底板结合钢底 梁来承受浇筑混凝土 的重量 ；在桩间的钢扁担与 钢底梁设 吊杆 以减小底梁跨径 。因套箱分块吊装 ， 则半个套箱呈开 口u形 ， 开 口处设桁架( 见图 3 ) 保证套箱具有足够的刚度以防变形。 3 计算分析 3 _ 1 荷载标准 从开始安装套箱 到施工 完承台只需经 历几 十 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 0 管理施工 城市道桥 与防洪 2 0 1 3 年 7 月第 7 期 ( a ) 拼接前 ( b ) 拼接后 图 1 方套箱 空间有限元模型 r、 前 一 抖 j 藉 宝 =：= 寻 ；= 丰 jJ I ： ： = 军 誓 燕 、 稿 耻 卦=I _如 剖 剐! j *I l 耐 一 l l l 胛 甜l 图 2方套箱钢扁担布置图( 单位 ： mm) 1 0 0 图 3方套箱 桁架布置 图( 单位 ： mm ) 天时间，取过大的波浪可能造成套箱设计上的浪 费， 过小的波浪则可能不满足施工安全 。不 同的工 序其施工风险性也 不一样 ， 经过研究 ， 套箱拼接前 的水位采用施工期水位及波高， 套箱拼接后的水位 施工期水位与使用期的水位都考虑 ，波高采用 5 a 一 遇的波高 ， 取最不利控制计算 。 ( 1 ) 施工水位 ： 1 8 6 i n ( 2 ) 施工期波流： 表层流速为 2 5 3 m s( 套箱 ) ； 垂线平均流速为 1 9 3 m s( 基桩) ； 波浪要素 H 4 ： 2 m ，T： 5 0 5 s L： 3 8 6 1T I ( 3 ) 设计高水位： 2 4 8 IT I 3 2 计算工况 套箱 吊装 、 安放须选择较好 的天气 ， 在波浪不 大 ， 低潮位的时候进行 。因此 ， 吊装 、 安放两阶段仅 考虑套箱 自重 。 考虑 到海 上 自然条件较 差 ， 受风 浪 、 流 、 潮水 影响大 ， 在一个潮水 内把两个 u形连接好 ， 但不一 定都能当天浇完封底混凝土 ，这样 未浇封底混凝 土的套箱就要经受风浪荷载的考验。 浇完封底混凝土到封底混凝 土达到设计强度 这段时间 ， 封底混凝土作为荷载 ， 暴露在海 上有一 定 的时间段 。此时结构是否能承受得了大浪 ， 是否 会影响封底混凝土的凝结质量 ， 是计算的关键。 封底混凝土达到设计强度 ，拆 除部分钢扁担 和吊杆 ， 封底混凝土作为结构 的一部分计算 。封底 完成后须抽水 ，因此这两个 阶段的计算都需考虑 静水浮力 。静水浮力和波浪浮托力的叠加可能控 制底板的配筋 。表 1 为各计算T况 。 表 1 计算工况 计算工况 边界条件与倚载说明 1 吊装套 箱 2 套箱搁 置在 4根支撑 桩上 3 套箱 钢扁担与各桩 连接 ， 考虑施 工期水位 的流和浪 套箱钢扁担与各桩连接后 ， 浇筑封底混凝土， 考虑 施 工期 水位 及设计 水位 的流 和浪 封底 混凝 土已达到设 计强度 ，浇筑 承台混凝 土 ， 考 虑施工期水位及设计水位的流和浪 3 3 受力特点 ( 1 ) 与圆套箱相 比， 大套箱受波浪作用方 向的 影 响更大 ， 长度宽度方 向的刚度不 同， 波浪控制方 向为宽度方 向。 ( 2 ) 圆套箱 壁为拱形 ， 受 波浪作 用后 ， 受 力表 现出轴力大弯矩小 的特征 ，大套箱的长边为直线 形 ， 受浪后表现 出轴力小弯矩大的特征 。 ( 3 ) 大套箱 由两个 u形 拼接而成 ， 吊装 、 搁 置 的初始偏位可能造成拼接 困难 ，整个过程需注意 位移控制 。需足够刚度 的桁架保证 吊装搁置过程 的 U形不产生过大 的变形 。 ( 4 ) 封底混凝土达到强度前 ， 套箱 内刚度取决 于套箱 内钢结构 ， 含钢扁担 、 钢底板及 底梁 ， 钢扁 担 、 钢底梁是结构刚度的关键 ； 封底混凝 土达到强 度后 ， 整个套箱具有一定 的刚度 ， 钢扁担 的变形较 小 ， 受力就相应变 小 ， 钢底梁 、 底板 成为混凝土底 板的一部分 ， 封底混凝土是结构刚度 的关键 。 ( 5 ) 承台内桩 间距离不大 ， 竖 向荷载在混凝 土 底板引起的弯矩远小于水平荷载。竖向荷载作用 下 ， 在应力图上表现为桩周顶部受拉 ， 跨中底部受 拉 ； 在水平 波浪力作用下 ， 桩 周一侧顶部 受拉 ， 另 一 侧底部受拉 。 ( 6 ) 套箱 与承 台相 比， 具有 同样 的受 浪面 ， 但 套 箱 的竖 向力及刚度 比承台小得多 ， 因此 桩的应 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 年7月第 7 期 城 市道桥 与 防洪 管理施工 2 2 1 力变形都较大 ，应考虑这个施工 阶段 的桩 的受力 及变形是否超过使用阶段 。使用套箱法施工 承台 时 ，桩基设计须考虑 因套箱 吊放可能造成桩基 变 形而引起 的永久 内力 因素 。 4 套箱设计施工要点 ( 1 ) 承台的重量通过底板传递到桩上 ， 计算中 偏安全地假定桩与底板之间的连接为铰接 。施 工 中要采取一定措施保证桩与底板之 间力 的有效传 递 。封底混凝土达到设计强度前 ， 可采取钢底梁与 桩焊接或加抱箍等措施 ， 封底 混凝土设计 时 ， 可在 封底混凝土 中适 当配筋保证桩与底板 的连接 。可 根据不 同的桩型采取不 同措施 ，直桩应采取更 多 的措施 ，因为直桩桩周封底混凝土将承受很 大的 剪力 ， 通过适当配筋 ， 既保证力 的有效传递又保证 桩周的封底混凝土不被剪坏 。对于斜桩 ， 这部分力 除 了 由封底混 凝土 与桩之 间的粘接力 承担外 ， 还 有斜桩的弹力支承 ， 故 比直桩安全 。 ( 2 ) 当套箱安装后 ， 如果两个 U形套箱安 上后 未拼接而遇到较大波浪作用 ，桩基弯矩 以及 桩顶 位移都是较大 的， 故在套箱安装后应尽快拼接 ， 尽 量缩短中间间隙时间，降低在此期间出现较大波 浪作用 的概率 ，防止在此期间遇到较大波浪 而使 套箱产生位移 ， 造成控制套箱安装精度不便 。 ( 3 ) 原则上在套箱安装就位后 ， 应抓 紧完 成各 种钢结构联结 、 塞缝 、 排水 ， 在预埋底板钢筋 、 吊筋 与预埋件后 ， 尽快浇筑封底混凝土 ， 以使桥墩 基础 及早成为整体 ， 以抵抗可能发生 的较大波浪荷载 ， 并应 避免 空箱情况下 承受较 大波浪荷 载 的情 况 ， 确保工程安全。 ( 4 ) 由于底板 开孔 原因 ， 钢底板上的次梁均断 开 ， 为保证底 板结构 刚度 ， 在套箱 安放后 ， 应 考虑 在每个桩上设 置抱箍 ，并 与钢底板的次梁进行联 结 ， 抱箍应 与桩 夹紧 ， 以改善这部分钢底板上 的受 力， 也可改善桩与钢底板之间力的可靠传递。 ( 5 ) 东海大桥在海洋中， 钢桩经过防腐 ， 因此 不能在钢桩上焊接型钢 ， 以免成为锈蚀通道 。封底 混凝土与钢桩 的连接必须采取其他措施 ， 可通过在 桩顶设置小扁担 ， 通过角钢将作用在封底混凝土 的 部分力传至桩上 ， 增加结构施工过程的安全度 。 ( 6 ) 承台混凝土体积较大， 大体积混凝土的水 化热不仅对承台混凝土 自身的质量有影响 ，同时 可能会造成套箱 内外壁受热 不均 ，产生较大 的温 度应力 。因此有条件 的情况下 ， 应尽量分层浇筑承 台混凝土 ， 同时采取冷凝 ， 调整混凝土配合 比等措 施降低水化热 。 5结 语 ( 1 ) 根据东海大桥的海况条件 ， 对东海大桥混 凝土套箱施工过程进行细致 全面 的分析 ，分析套 箱在各种工况下 的受力特点 ，提 出了套箱设计施 工 的要点 ， 对指导施工具有较大的现实意义。在条 件差 、 工期紧的情况下 ， 下部结构工期 比预计提前 3个月 ， 为东海大桥 的顺利施工走出关键的一步。 ( 2 ) 分两片 u形 吊装水上拼接 的做法 的顺利实 现 ， 是一种创新 ， 不仅使套箱结构经济合理， 而且 降低 了作业人员水上工作的风险 ，具有较大 的借 鉴意 义 ( 上 接 第 2 1 5页 ) 孔。 用上海荣锦工贸有限公司 Y J 9 8 1 胶水将新旧 橡胶带粘结 。橡胶板铺设要平整 ，不得有皱褶 现 象 。 防撞墙侧面橡胶止水带处用 1 0 m m钢板盖封 。 2 1 0 清理及封 闭 清理齿板上 杂物 ，用环氧砂浆灌注螺栓及 螺 帽间隙 ， 并用油膏( 强塑粉 ) 浇灌齿缝 。 3 结语 本文详 细阐述 了针对梳齿板伸缩缝各类病 害 的维修措施 ，通过在 $ 3 2申嘉湖高速全线数十条 伸缩缝的维修实践， 证明以上措施效果不错。 ( 1 ) 梳齿伸缩缝 的破坏形式 多种 多样 ， 以梳 齿 板跳动最为突出， 维修时应对症下药 ， 尽可能在病 害初期就予 以解决或加强早期 预养 护 ，以此 降低 成本 。否则梳齿板跳动造成齿板下混凝土碎裂 ， 锚 固钢筋生锈 ， 维修成本就大大上升。目前采用带 自 锁功能 的施必牢螺栓现场使用效果较好 ，齿 板松 动现象大大减少 ， 可逐步推广使用。 ( 2 ) 齿板锚 固螺栓丝牙损 坏 、 螺栓 断裂 的现象 也时有发生 ， 通过 加强检查早发现早维修 ， 更 换螺 母 的办法 ，可避免 由于丝牙损 坏而不得不植 筋或 种植螺栓 。 ( 3 ) 齿板下混凝土通常密实度难以保证 ， 施工 时尤其应加强振捣 ， 避免空洞现象 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m