蒙 隆

(廣西欣港交通投資有限公司，廣西 南寧 530022)

0 引言

深水承臺(tái)施工作為橋梁施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)，一直備受各方的關(guān)注和研究。目前行業(yè)內(nèi)通用的方法有鋼板樁圍堰施工、套箱圍堰施工、雙臂鋼套箱圍堰施工、沉井施工等。其中，套箱施工作為深水承臺(tái)常用的一種施工工藝，在大于4 m的水深條件下有著較大的工藝優(yōu)勢(shì)，其操作簡(jiǎn)單、安全風(fēng)險(xiǎn)低、工藝成熟，深受從業(yè)者青睞，但其鋼材消耗量大，鋼材回收率不高，往往導(dǎo)致工程費(fèi)居高不下。而鋼套箱施工工藝在整體不變情況下，通過微創(chuàng)新調(diào)整套箱的用鋼量、提高鋼材的使用率，是各個(gè)施工單位控制成本的重要手段。

本文以G228廣西濱海公路大風(fēng)江大橋6#～9#深水承臺(tái)為例，基于可靠度理論，在滿足各項(xiàng)安全性能的前提下，對(duì)套箱進(jìn)行微創(chuàng)新，設(shè)計(jì)使用預(yù)制混凝土作為套箱底板，取消封底混凝土，套箱側(cè)板兼用承臺(tái)模板的施工技術(shù)，極大節(jié)約了鋼材的使用量，同時(shí)在施工進(jìn)度和施工質(zhì)量方面，與常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)底板套箱采用的施工工藝相當(dāng)，為工程節(jié)約了大量成本。

1 工程項(xiàng)目概況

大風(fēng)江大橋是打通濱海公路的關(guān)鍵工程，項(xiàng)目位于廣西欽州市和北海市境內(nèi)，是連接兩市的重要交通樞紐。項(xiàng)目主體工程為大風(fēng)江大橋，跨越大風(fēng)江，橋梁總長(zhǎng)1 386 m，主橋長(zhǎng)490 m，引橋長(zhǎng)896 m。其中，主橋?yàn)?85+2×160+85)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，欽州和北海兩側(cè)引橋均為40 m長(zhǎng)的預(yù)制T梁。根據(jù)實(shí)際條件，6#～9#承臺(tái)采用套箱圍堰施工，其他承臺(tái)均采用鎖扣鋼板樁圍堰施工。橋位最高潮位為+3.98 m，最低潮位為-2.55 m，平均潮位為0.54 m，潮水漲落高差大。所有承臺(tái)均位于大風(fēng)江水域范圍內(nèi)。

2 無(wú)封底預(yù)制混凝土底板套箱工藝簡(jiǎn)介

無(wú)封底預(yù)制混凝土底板套箱主要原理為：采用一種反壓支承，焊接在鋼護(hù)筒上，提供反壓力，代替常規(guī)有封底的鋼結(jié)構(gòu)底板套箱中封底混凝土與鋼護(hù)筒之間的粘結(jié)力，用來抵抗承臺(tái)施工前向上的浮力以及承臺(tái)施工時(shí)承臺(tái)混凝土自重，同時(shí)在底板內(nèi)設(shè)置鋼筋，并設(shè)置加厚段的圈梁、次梁，加大底板剛度，提高結(jié)構(gòu)安全系數(shù)。本工程無(wú)封底預(yù)制混凝土底板套箱采用底板包側(cè)板結(jié)構(gòu)形式，鋼套箱側(cè)板(兼承臺(tái)模板)高度根據(jù)承臺(tái)標(biāo)高和水深設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)砂層厚度為0.25 m。鋼套箱由側(cè)板、混凝土底板、內(nèi)支撐系統(tǒng)、懸吊下放系統(tǒng)、反壓系統(tǒng)等五部分組成。其中，側(cè)板結(jié)構(gòu)由面板、面板加勁肋、豎肋組成；底板由混凝土底板、圈梁、次梁、反壓支撐及抗滑移支撐組成；支撐系統(tǒng)是在套箱內(nèi)設(shè)置兩道圍檁+十字支撐，分別在承臺(tái)頂部+0.4 m、+3.2 m處，套箱圍檁采用2Ⅱ32a型鋼，內(nèi)支撐采用φ426 mm×6 mm鋼管；套箱懸吊系統(tǒng)吊點(diǎn)為8個(gè)，采用4臺(tái)連續(xù)作用千斤頂將鋼套箱同步下放；反壓系統(tǒng)主要由護(hù)筒周邊的反壓桿、反壓牛腿、拉壓桿、拉壓牛腿以及最終體系轉(zhuǎn)換后的剪力桿組成。其構(gòu)造斷面圖見圖1。

圖1 鋼套箱構(gòu)造斷面圖(cm)

3 施工工藝流程

無(wú)封底預(yù)制混凝土底板套箱主要施工工藝流程如下：

(1)樁基礎(chǔ)施工完畢，拆除鋼平臺(tái)，在后場(chǎng)預(yù)制混凝土底板和制作側(cè)板，準(zhǔn)備相應(yīng)的輔助設(shè)施。

(2)在鋼護(hù)筒上搭設(shè)套箱安裝平臺(tái)，安裝預(yù)制底板，連接底層側(cè)板，安裝濕接縫模板和鋼筋，澆筑濕接縫。

(3)拼裝套箱的側(cè)板、圍檁及內(nèi)支撐，安裝下放系統(tǒng)，完成套箱的整體拼裝。

(4)啟動(dòng)下放系統(tǒng)，將套箱底板提離拼裝平臺(tái)，拆除套箱拼裝平臺(tái)，整體下放套箱至設(shè)計(jì)位置。

(5)焊接反壓牛腿，水下安裝底板封底的環(huán)板和砂袋，水下封堵底板與鋼護(hù)筒間的間隙。

(6)圍堰內(nèi)抽水，焊接底板剪力桿，拆除上部反壓桿，完成受力體系轉(zhuǎn)換，澆筑25 cm調(diào)平層，施工承臺(tái)。

(7)分節(jié)拆除套箱側(cè)板，重復(fù)使用，圍堰施工完畢。

3.1 套箱側(cè)板制作

鋼套箱采用底板包側(cè)板結(jié)構(gòu)形式。鋼套箱側(cè)板高9 m，長(zhǎng)8.3 m，寬7.6 m。鋼套箱材料均為Q235a鋼。側(cè)板平面分為8個(gè)節(jié)段，包括CB-1節(jié)段2塊、CB-2節(jié)段2塊，CB-3節(jié)段4塊，每塊節(jié)段高8.6 m，節(jié)段間采用螺栓連接，同時(shí)在側(cè)板間設(shè)置2 cm厚的橡膠止水填塞阻水。需在混凝土底板內(nèi)設(shè)預(yù)埋段，便于底板和側(cè)板連接。詳見圖2。

圖2 側(cè)板分塊構(gòu)造圖(cm)

3.2 混凝土底板制作

底板采用40 cm厚鋼筋混凝土底板，圈梁和次梁的高寬為70 cm×30 cm。底板受力鋼筋采用雙層φ20 mm鋼筋，標(biāo)準(zhǔn)間距為16 cm。底板分為4塊預(yù)制節(jié)段及安裝時(shí)的現(xiàn)澆段，每塊預(yù)制節(jié)段尺寸為4 m×4.275 m。在護(hù)筒位置設(shè)置2.4 m直徑的預(yù)留孔(該類承臺(tái)樁基直徑為1.8 m，護(hù)筒直徑為2.1 m)，預(yù)制部分之間設(shè)置寬度為1 m的現(xiàn)澆濕接縫。底板在預(yù)制時(shí)注意預(yù)埋側(cè)板底節(jié)、反壓系統(tǒng)預(yù)埋板以及鋼護(hù)筒處的預(yù)埋環(huán)板。側(cè)板底節(jié)高40 cm，其中埋入底板內(nèi)20 cm，上露20 cm；反壓系統(tǒng)預(yù)埋板采用1 cm厚鋼板，下設(shè)置16根φ12 mm錨筋，錨筋與鋼板穿孔塞焊；預(yù)埋環(huán)板采用1 cm厚鋼板，高度為15 cm，埋入底板內(nèi)10 cm，外露5 cm。為了方便套箱下放，底板與鋼護(hù)筒間預(yù)留15～20 cm間隙，下放至設(shè)置標(biāo)高后，潛水員采用兜底環(huán)板+環(huán)形砂袋填塞的方法進(jìn)行堵漏。

3.3 內(nèi)支撐系統(tǒng)

箱側(cè)板內(nèi)側(cè)設(shè)置兩層圍檁支撐，第一層圍檁支撐在承臺(tái)頂標(biāo)高+3.2 m處，第二層圍檁支撐在承臺(tái)頂標(biāo)高+0.4 m處。圍檁采用2Ⅱ32a型鋼，內(nèi)支撐設(shè)計(jì)成“十”字，采用φ426 mm×6 mm鋼管。圍檁在后場(chǎng)分節(jié)加工，在連接處設(shè)置連接板，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)采用螺栓進(jìn)行連接。圍檁與側(cè)板間每隔3 m設(shè)置一道焊縫，防止側(cè)板外擴(kuò)。詳見圖3。

圖3 內(nèi)支撐構(gòu)造圖(cm)

3.4 懸吊下放系統(tǒng)

懸吊系統(tǒng)由承重梁、扁擔(dān)梁、墊梁、吊桿、導(dǎo)向架組成。其中，承重梁采用2Ⅱ45a工字鋼，扁擔(dān)梁、墊梁均采用2Ⅱ25a工字鋼，吊桿采用直徑為φ32 mm精軋螺紋鋼，導(dǎo)向架采用短節(jié)Ⅱ32a型鋼，與內(nèi)圍檁之間滿焊。懸吊系統(tǒng)拼裝完畢后，檢查套箱和支撐無(wú)誤后方可進(jìn)行套箱下放。套箱下放時(shí)，利用螺帽的調(diào)整，對(duì)千斤頂進(jìn)行張力、收力便可完成套箱的下放。

3.5 反壓系統(tǒng)

本項(xiàng)目無(wú)封底式混凝土底板套箱主要原理是利用反壓系統(tǒng)將鋼護(hù)筒與套箱之間進(jìn)行反壓，以抵抗施工時(shí)水的浮力；同時(shí)，在澆筑承臺(tái)時(shí)，需要承受作用在底板的重力。反壓系統(tǒng)主要由護(hù)筒周邊的反壓桿、反壓牛腿、拉壓桿、拉壓牛腿以及最終體系轉(zhuǎn)換后的剪力桿組成，其中反壓桿、拉壓桿采用2Ⅱ40的工字鋼，牛腿采用10 mm鋼板加工而成。其工序主要有以下三步：(1)反壓桿、拉壓桿底部與底板上的反壓系統(tǒng)預(yù)埋板相連，頂部設(shè)置牛腿；(2)反壓系統(tǒng)與套箱整體下放，下放時(shí)底板與鋼護(hù)筒之間縫隙沒有封閉，保持圍堰內(nèi)外水壓平衡，套箱下放到位后，在頂部將牛腿與護(hù)筒之間進(jìn)行焊接；(3)封堵底板縫隙抽水完畢后，在拉壓桿和反壓桿底部與護(hù)筒焊接，完成受力轉(zhuǎn)換。詳見圖4。

圖4 反壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 套箱安全性計(jì)算

4.1 底板混凝土及配筋計(jì)算

本方案的套箱和常規(guī)套箱最大的區(qū)別是取消封底混凝土，采用剛性大鋼筋混凝土底板和反壓系統(tǒng)結(jié)合，使得施工過程中產(chǎn)生的套箱浮力、套箱重力、承臺(tái)混凝土重力等實(shí)現(xiàn)力學(xué)平衡。由于側(cè)板、支撐系統(tǒng)、懸吊系統(tǒng)和常規(guī)的鋼套箱相差不大，受力分析相近，較為成熟安全，因此本文重點(diǎn)概述底板和反壓系統(tǒng)的安全性能。當(dāng)出現(xiàn)以下兩種工況時(shí)，為套箱最不利的工況組合，其底板受力及荷載組合分析如下：

工況一：高水位(+3.98 m)時(shí)，鋼套箱內(nèi)抽水完畢后，底板抗浮荷載：浮力-套箱自重=(1.4×8×10×9.55×9-1.2×432.7-1.2×26×0.4×9.55×9)/(9.55×9)=93.9 kN/m2，荷載作用于預(yù)制板底面。

工況二：低水位(-2.52 m)時(shí)，澆筑3 m承臺(tái)混凝土，底板抗下滑荷載：承臺(tái)混凝土自重+套箱自重-浮力=(1.4×26×3×9.55×9+1.2×43.27+1.2×26×0.4×9.55×9-1.4×1.5×10×9.55×9)/(9.55×9)=106.7 kN/m2。

對(duì)鋼筋混凝土底板設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，以底板面荷載較大的工況二進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)第7.2條，正截面受彎梁的承載力應(yīng)符合式(1)規(guī)定：

M≤b·α1·fc·x·(h0-x/2)

(1)

式中：M——彎矩設(shè)計(jì)值，混凝土板厚度為40 cm，圈梁和次梁高度為70 cm；

α1——混凝土等級(jí)為C25，α1=1；

fc——C25混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，fc=11.9 MPa；

h0——截面有效高度(cm)；

b——計(jì)算截面寬度，b=1 000 mm；

x——混凝土受壓區(qū)高度(cm)。

所需鋼筋數(shù)量：將已知各值代入式(2)：

As1=b·α1·fc·x/fy

(2)

式中：As1——受拉區(qū)縱向普通鋼筋的截面面積(mm2)；

fy——普通鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(MPa)。

采用HRB400的φ20 mm熱軋帶肋鋼筋，鋼筋保護(hù)層厚度C=30 mm，故經(jīng)以上計(jì)算得出：混凝土底板采用雙層鋼筋布置，采用φ20 mm鋼筋，垂直于底板長(zhǎng)邊方向鋼筋間距為20 cm；平行于底板長(zhǎng)邊方向鋼筋間距為25 cm；圈梁雙層布筋，鋼筋間距為12 cm；次梁?jiǎn)螌硬冀睿摻铋g距為12 cm。本方案的配筋滿足要求。

4.2 套箱抗浮豎向牛腿焊縫及壓桿支撐驗(yàn)算

套箱抗浮受力體系驗(yàn)算分成兩個(gè)步驟：(1)轉(zhuǎn)換前，在鋼護(hù)筒割除前由套箱內(nèi)的拉壓桿及反拉桿支撐抗浮，荷載通過反壓牛腿與鋼護(hù)筒的焊縫傳遞到鋼護(hù)筒上；(2)轉(zhuǎn)換后，待抽水完畢，在鋼護(hù)筒割除后由剪力桿支撐抗浮，荷載通過剪力桿與底節(jié)預(yù)留的鋼護(hù)筒焊縫傳遞到鋼護(hù)筒上。

對(duì)混凝土底板建模，計(jì)算各支撐點(diǎn)的支點(diǎn)反力，考慮抗浮安全系數(shù)為1.2，抗浮支撐支點(diǎn)反力為396.8×1.2=476.16 kN。

4.2.1 轉(zhuǎn)換前結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

對(duì)2Ⅱ40壓桿的應(yīng)力、變形及壓桿穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算：

2Ⅱ40壓桿最大應(yīng)力為27.9 kPa，變形為1.08 mm。壓桿穩(wěn)定計(jì)算：最大軸向力N=476.1 kN，回轉(zhuǎn)半徑i=159 mm；按鋼管樁自由長(zhǎng)度為l=8 000 mm，截面面積Am=17 200 mm2，長(zhǎng)細(xì)比λ=10/i=8 000/159=50.6，穩(wěn)定系數(shù)φ=0.828。穩(wěn)定性計(jì)算應(yīng)力[N]=φ×Am×[σ]=0.828×17 200 mm2×215 MPa=30 619 kN>476.1 kN，單樁穩(wěn)定性滿足要求。

4.2.2 對(duì)反壓牛腿的焊縫驗(yàn)算

反壓牛腿剪力為V=476.16 kN，彎矩為M=476.16 kN×0.27 m=128.5 kN·m；牛腿腹板與鋼護(hù)筒焊接為兩塊高300 mm×厚10 mm的鋼板，牛腿蓋板為寬450 mm×厚10 mm的鋼板，均采用單面坡口焊，焊縫厚度為12 mm，有效厚度為10 mm。根據(jù)軟件計(jì)算：

剪應(yīng)力τ=V/Aw=476 160/6 000=79.36 MPa；

彎應(yīng)力σ=128.5 kN·m/1 000 cm3=128.5 MPa；

綜合應(yīng)力σq=[(σ/1.22)2+τ2]0.5=131.8 MPa，均<160 MPa，滿足要求。

4.2.3 轉(zhuǎn)換后焊縫結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

在鋼護(hù)筒割除后由剪力桿支撐抗浮，荷載通過剪力桿與底節(jié)預(yù)留的鋼護(hù)筒焊縫傳遞到鋼護(hù)筒上，計(jì)算剪力桿與護(hù)筒焊縫強(qiáng)度。剪力桿與鋼護(hù)筒采用單面坡口焊，焊縫厚度為12 mm，有效厚度為10 mm。根據(jù)軟件計(jì)算：

剪應(yīng)力τ=V/Aw=238 030/4 000=59.5 MPa；

彎應(yīng)力σ=64.28 kN·m/775 cm3=82.9 MPa；

綜合應(yīng)力σq=[(σ/1.22)2+τ2]0.5=107 MPa，均<160 MPa，滿足要求。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，大風(fēng)江大橋海上承臺(tái)無(wú)封底預(yù)制混凝土底板套箱施工技術(shù)安全可靠，操作簡(jiǎn)單，切實(shí)可行，為項(xiàng)目建設(shè)帶來先進(jìn)的施工技術(shù)。相比較常規(guī)的鋼套箱圍堰施工，此工藝取消了厚重的封底混凝土，用混凝土底板取代鋼骨架底板，在工期和經(jīng)濟(jì)上占據(jù)了優(yōu)勢(shì)。此工藝技術(shù)為工程節(jié)約大量的混凝土和鋼材，相比常規(guī)的鋼套箱施工技術(shù)，以2021年的材料定額為準(zhǔn)，使用此方案可為每一個(gè)承臺(tái)施工節(jié)約成本10萬(wàn)元以上。本文對(duì)大風(fēng)江大橋海上承臺(tái)無(wú)封底預(yù)制混凝土底板套箱施工技術(shù)進(jìn)行了闡述，對(duì)其受力安全性作了分析，得出相應(yīng)的結(jié)論，供行業(yè)參考。