單壁鋼吊箱設計管理論文

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摘要：介紹杭千高速公路第四合同富春江特大橋主橋深水承臺單壁鋼吊箱圍堰的設計、結構。

關鍵詞：深水承臺單壁鋼吊箱圍堰設計

1概況

杭州至千島湖高速公路是浙江省公路水路交通建設規劃（2003~2020）公路網主骨架“兩縱兩橫十八連三繞三通道”之一連“杭新景高速公路”的組成部分，也是杭州市“交通西進”公路建設規劃“一繞、三線、三連、四大接口”公路網主框架的“一線”。富春江特大橋是杭千高速公路杭州至桐廬段第四合同項目中的一座特大橋，位于富陽市東洲街道的張家村以南至靈橋鎮北側，全橋長1679.5m，全寬33.5m，分上下行兩幅。其中主橋長367m，為68+2×120+68m預應力混凝土剛構-連續組合梁橋。主橋下部基礎為群樁基礎，高樁承臺。主橋61#、62#、63#墩每個墩單幅樁基為9根Φ2.0m鉆孔灌注樁，橫橋向3排，每排3根，承臺頂面設計標高為+4.00m，底面設計標高為0.00m，承臺平面尺寸為14.20×14.20m。主橋墩位于富春江深水區，最深高程在-10.0m至-12.5m之間。經綜合比較分析，主橋墩61#、62#、63#承臺圍堰采用單壁鋼吊箱施工。

2單壁鋼吊箱的設計

圍堰是用于水下施工的臨時性擋水設施。鋼吊箱圍堰的作用是通過吊箱圍堰側板和底板上的封底混凝土圍水，為承臺施工提供無水的干處施工環境。根據鋼吊箱使用功能，將其分為底板、側板、內支撐、吊掛系統四大部分。其中，側板、底板是鋼吊箱圍堰的主要阻水結構并兼作承臺模板。鋼吊箱圍堰是為承臺施工而設計的臨時阻水結構，其作用是通過吊箱圍堰側板和底板上的封底混凝土圍水，為承臺施工提供無水的干處施工環境；封底混凝土作為承臺施工的底模板，吊箱側板作為承臺施工的側模板。

2.1構造形式的選擇

國內深水承臺施工，多采用沉井、鋼圍堰或鋼吊箱法。由于沉井和鋼圍堰施工工序繁鎖，工期長，材料用量大，而鋼吊箱工藝操作簡單，節約工期，材料用量合理并能回收再利用，技術上可行。所以我們確定采用鋼吊箱施工方案，并對吊箱側板的單壁、雙壁兩種方案進行了比較（如表1所示），結合本工程工期、結構特點及施工經驗等，本項目鋼吊箱側板采用單壁結構。

形式

材料用量

優點

缺點

雙壁結構

側板材料用量125.21噸，底板材料用量35.14噸，內支撐材料用量25.00噸，合計185.35噸。

（1）吊箱拼裝及下沉充分利用水的浮力，下沉不用大型起吊設備；（2）側板剛度大，內支撐材料用量少。

（1）材料用量多，加工難度大；（2）在鉆孔平臺下拼裝側板，難度大，焊接工作量大；（3）下沉工藝復雜，工期長。

單壁結構

側板材料用量83.71噸，底板材料用量30.35噸，內支撐材料用量28.76噸，合計142.82噸。

（1）節省材料，加工方便，加工質量易控制；（2）裝、拆方便，可兼做承臺施工模板；（3）承臺施工完畢，拆除側板又可作為施工模板；（4）下沉工藝簡單、節省時間；（5）在鉆孔平臺上拼裝側板，焊接工作量小，拼裝容易。

（1）側板剛度小，內支撐材料用量多；（2）下沉時需用大型起吊設備。

表1

2.2設計條件

2.2.1工況條件

根據鋼吊箱圍堰施工工作時段及設計受力狀態，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。

2.2.2水位條件

根據富陽市水利局提供的近年的水位資料,2002年的最高水位為7.411m，，根據杭州市氣象水文預報2004年仍為偏旱年，與2002年的降雨量相當，參照2002年的水位和我部3月、4月自己測量的水位情況，再結合吊箱施工進度安排（6~7月），確定鋼吊箱的頂標高為7.50m(當施工水位接近或高于7.5m時，增設防浪板，保證正常的施工和安全),設計抽水水位為7.50m（可根據施工時的水位隨時調整）。水流速取為1.50m/s。

2.2.3結構設計條件

綜合各工況條件、水位條件和施工時間，確定鋼吊箱結構設計條件（61#~63#墩）：圍堰平面內凈尺寸：14.20m×14.20m(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：7.50m（保證承臺施工在干燥無水的條件下進行，根據施工時間安排，此時預計施工水位最低在4.00m左右，最高為7.50m）；

底板頂面設計標高：-2.50m（封底混凝土厚度為2.50m,承臺的底標高為0.00m）；

內支承標高：4.50m和7.00m（最不利工況處）；

設計抽水水位：7.50m；

根據自然水位變化及鋼吊箱施工作業時段，設計施工受力結構主要按照最高水位時，吊箱內抽干水后側板所受水壓力為設計依據，最低水位時，現澆承臺砼側壓力進行校核，考慮最高水位時，鋼吊箱抗浮措施。

2.3荷載取值依據

由《鐵路橋涵設計規范》（JTJ021-98）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/㎡計，水壓隨高度按線性分布；

風速很小，在此可忽略；

封底混凝土容重;γ=24.0kN/m3；

水的浮力:γ=10kN/m3；

封底混凝土與護筒之間的摩阻力取經驗值150KN/m2

2.4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。荷載組合為混凝土自重+吊箱自重+浮力，此外，還要對吊箱入水時底板受力情況進行復算。吊箱吊掛系統與底板一起進行驗算。

②側板以承受水平荷載為主，最不利受力工況為抽水階段，側板計算包括豎肋、水平加勁肋、面板、豎肋拼接處及焊接的內力、變形及應力計算。另外，還要對吊箱逐層入水及承臺施工等階段側板受力情況進行復算。內支撐系統與側板計算，在側板驗算的同時完成驗算。

③吊箱拼裝下沉階段主要與吊箱自重有關，以兩層拼裝完成下沉時為最不利進行計算控制，并據此計算結果設計吊點、吊帶。

④抗浮計算分兩個階段：一個階段是吊箱內抽完水后灌筑承臺混凝土前，另一個階段是澆筑完承臺且混凝土初凝前。

吊箱自重+封底混凝土重+粘結力（方向向下）＞浮力

吊箱自重+承臺混凝土重+封底混凝土重＜粘結力+浮力（方向向上）

⑤封底混凝土強度驗算：要驗算封底混凝土周邊懸臂時的拉應力和剪應力，以及中間封底混凝土的拉應力和剪應力。

⑥封底混凝土厚度計算。

5鋼吊箱結構簡介

①底板

底板的作用一是與側板共同組成阻水結構，變承臺及部分墩身水上施工為陸上施工，二是作為吊箱、承臺的承重結構。吊箱底板分成四塊，具體分塊圖見圖3，吊箱底板由底模托梁和底模組成。底板平面凈尺寸為14.2m×14.2m，底板高0.408m，重量為30.35噸。底模托梁為井字梁結構，縱橫邊梁各設2道，每道由通長2[40a組成，縱橫中梁各設4道，每道由通長單根I40a組成?？v、橫梁之間的斜撐（除吊桿梁處）為2[22a，吊桿梁處為2[40a。縱梁之間和橫梁之間分別設置∠100×80×8角鋼加勁肋。頂板為δ=8mm鋼板。橫梁與縱梁用焊接連接，底板與側板、側板之間均用Ф20螺栓連接，焊縫連接及螺栓連接強度計算按路橋施工計算手冊設計。吊桿設在縱梁上，吊桿采用Ф32的930級高強度精軋螺紋鋼，共36根。

②側板

側板采用單壁結構，由Ⅰ25a做縱肋、∠75×50×5做橫肋和8mm鋼板做面板焊接而成。側板高度方向分為上、下兩層，分別為2.50m、7.50m。每層分為8塊，其中長邊和短邊各4塊。上層長邊壁板單塊重為2.348噸，上層短邊壁板單塊重為2.279噸，下層長邊壁板單塊重為8.452噸，下層短邊壁板單塊重為7.848噸，側板總重83.71噸。

分塊的原則主要是為了便于加工和運輸，避免產生超標變形，所以分塊較小。吊箱下層側板與底板及上、下層側板之間的水平縫和豎縫均采用螺栓連接，縫間設置10mm（壓縮后為3~4mm）泡沫橡膠墊以防漏水。側板的面板為δ＝8mm鋼板，豎楞（接縫角鋼除外）均為I25a工字鋼，間距為660mm，水平加勁肋為δ=8mm，h=250mm的鋼板，間距為300mm、400mm、450mm和500mm。

側板的作用：是與底板（包括封底混凝土）共同組成阻水結構，變承臺及部分墩身水上施工為陸上施工，另一作用是兼做承臺施工的外模板。

③吊箱內支撐

內支撐由內圈梁，水平斜撐桿二部分組成?？傊貫?8.76噸。

內圈梁：內圈梁設二層，設在吊箱側板的內側，高程為4.50m和7.00m處，由下層4I40c和上層2I32c結構組成的水平四邊形，焊在側板內壁鋼板上。內圈梁的作用主要是承受側板傳遞的荷載，并將其傳給水平斜撐桿。

水平斜撐桿：為菱形支撐結構，桿端與內圈梁焊接連接成一體，水平撐桿由2I32c組成。

④吊箱吊掛系統：

吊掛系統由縱、橫梁、吊桿及鋼護筒組成，吊掛系統的作用是承擔吊箱自重及封底混凝土的重量。

橫梁：橫梁（順橋向）共計3排，均設在鋼護筒頂，每排由兩片貝雷梁組成。貝雷梁支點設專用支座（牛腿）焊接于護筒內側的專用支座（牛腿）上，貝雷梁的作用是支承縱梁，并將縱梁傳遞的荷載（通過護筒）傳遞至基樁。

縱梁：縱梁（順水方向）設置在貝雷梁上，共6排，由2I56工字鋼（搭設工作平臺用過的）組成?？v梁的作用是支承吊桿，并將吊桿荷載傳遞給橫梁。

吊桿：吊桿是由φ32mm精扎螺紋粗鋼筋及與之配吊的連接器、螺帽組成，共36根吊桿，重3.13噸，吊桿下端固定到底板的托梁上，上端固定到吊掛系統的縱梁上。吊桿的作用是將吊箱自重及封底混凝土的重量傳給縱梁。在使用前做試驗，滿足施工要求方能施工；在施工過程中，對吊桿要充分保護好，禁止碰撞，以免影響施工的安全。

⑤吊箱定位系統

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，為便于調整吊箱位置，確保順利下沉，在吊箱側板內壁與鋼護筒之間設上下兩層導向系統，第一層設在距圍堰底板2.00m處，第二層設在距圍堰底板6.00m處，每層8個導向。定位系統由導向鋼板、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-2.50m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。根據設計施工水位，鋼吊箱設計總高度為8.0m，共分兩節，第一節高6.0m，第二節TheURLhasmovedhere