| 工程设备与材料 | Engineering Equipment and Materials
·126·
2019年第1期
王 涛1，张昆锋2
（1.中交路桥建设有限公司，北京 100000；2.中交路桥建设有限公司工程设计分公司，北京 100012）
摘 要：本文详细介绍了飞云江跨海大桥主墩哑铃型防撞钢套箱的施工过程数值模拟及受力分析，可为今后的类似工程方案选择、钢套箱设计和施工计算提供参考。 关键词：防撞钢套箱；结构设计；施工计算；Midas Civil/FEA 中图分类号：U445.55 文献标志码：A 文章编号：2096-2789（2019）01-0126-03 作者简介：王涛(1987—)，男，工程师，研究方向：大跨度桥梁施工技术；张昆锋(1986—)，男，工程
师，研究方向：桥梁设计与施工。
钢套箱作为桥梁基础及下部构造水上施工作业中常用的围护结构形式，尤其适合于江河湖海中的深水基础，能承受较大的水压，保证承台在干作业情况下施工。钢套箱一般是作为施工中大型临时结构，在完成基础施工之后拆除。而作为永久结构使用的钢套箱相对于施工期用钢套箱，在技术标准上提高了很多，需要考虑桥梁使用过程中承受船舶撞击、漂浮物撞击、冰凌作用等，称为防撞钢套箱。
1 工程概况
甬台温高速复线灵昆-阁巷段第9标段，飞云江大桥主桥为双塔双索面斜拉桥，跨径（50+110+380+110+50）m 通航孔斜拉桥。主墩承台采用哑铃型承台，横向为尖端并倒以圆角。套箱设计为防撞钢套箱永久结构，总平面尺寸为89.24m ×31.3m ，防撞钢套箱总高9.3m ，顶面标高+4.8m ，底标高-4.5m ；中间设两道钢管剪刀撑。横桥向钢套箱厚度为2.5m ，顺桥向厚度为1.8m 。套箱1/4对称，分为四个分段，共计12段，总重928.02t 。
2 施工方案概述
套箱侧板由钢结构加工厂分段加工，拼装合格后运至现场，由主墩平台100t 龙门吊吊装散拼；同时钢套箱承重底板也进行分块加工，现场安装。待钢套箱形成整体后通过同步液压千斤顶缓慢下放套箱，
就位后将底板桁架悬吊系统上的扁担梁与护筒承重梁锚固，完成受力体系转换。2.5m 厚封底混凝土利用混凝土泵车和导管分两次（第一次1.8m ，第二次0.7m ）浇筑，封底砼达到设计强度90%后抽出套箱内的水形成干作业环境，进行承台施工。 3 钢套箱结构设计
3.1 结构简介
钢套箱分为防撞侧板、底板结构、底板提吊系统、增大封底砼与钢护筒握裹力设施、内支撑系统等结构。
（1）防撞侧板。主墩防撞套箱甲板厚、底板、外板、内侧板等取10mm ，挂腿板厚取16mm 、20mm 等；横向强框架和水平框架骨材取T 型钢板；弱框架骨材取L160×100×10，骨材端部采用圆弧过渡或者肘板连接。防撞套箱材质为Q235-B 级钢；橡胶采用450×450×100平板橡胶和400×1700 拱形橡胶件。
（2）底板结构。套箱采用侧板包底板的形式，套箱底板面板采用6mm 厚钢板，主、次桁架作为承重结构，∠75×50×8mm 及[10作为面板纵加劲肋，2[14a 槽钢作为横桥向加劲肋。主桁架、面板之间采用连续满焊，次桁架、加劲肋与面板采用间断焊，焊缝比例50%以上；焊缝厚度不得小于较薄母材厚度。
（3）底板提吊及下放系统。下放装置通过2HN800×300、HN700×300作为分配梁，利用22束15.2钢绞线同步下放，套箱侧板内部设置吊点锚梁。封底砼浇注阶段，底板系统通过φ32精轧螺纹钢将荷载传递给钢护筒。下端连接在主桁架上弦杆处，吊点位置局部加强。
（4）增大封底砼与钢护筒握裹力设施。为提高封底砼承载能力，在钢护筒周边设置抗剪钢筋，以增加封底砼与钢护筒之间握裹力。每根钢护筒周边设置10根φ32剪力钢筋，浇注封底砼前，剪力钢筋点焊在水面以上钢护筒上进行固定；封底砼施工完毕，套箱内抽水后，剪力钢筋双面连续满焊焊接在钢护筒伸入承台15cm 高度范围内外壁上。
（5）内支撑系统。本套箱设计在套箱顶部设置一层内支撑，采用φ1000×10mm 钢管，在套箱吊装前焊接于套箱内侧板，采用连续满焊，周边加焊加劲板。3.2 设计工况及计算结果
钢套箱作为承台和塔座及索塔干施工作业的围水和阻水结构体，其结构设计主要是以抵抗套箱内外水头差为目的。根据施工方案和施工工序，按照“较不利”原则选取了如下所列设计工况，“较不利”包含了结构形式、边界条件、荷载作用均较为不利。取如下工况进行验算：
工况一：钢套箱拼装完成后整体吊装下放。计算底板结构、侧板结构、内支撑体系吊装下放阶段强度与刚度是否满足要求。
工况二：低水位条件下，水下封底砼浇筑阶段。计算底板承载能力，
工况三：高水位条件下，封底砼强度达到要求，抽干套箱内水。①计算套箱抗浮能力及封底砼受力情况；②计算套箱在高水位下抽水完成后的受力情况。
工况四：低水位条件下，浇筑第一层承台混凝土。计算套箱抗下滑能力及封底砼受力情况。
工况五：高水位条件下，浇筑第二层承台混凝土前。计算套箱拆除内支撑后的强度、刚度是否满足要求。
工况六：低水位条件下，浇筑第二层承台混凝土。计算套箱侧板受到水压力及混凝土浇筑侧压力作用下是否满足要求。
Engineering Equipment and Materials | 工程设备与材料 |
·127
·
大圆针织机
图1防撞侧板及内支撑有限元模型
图
2 底板桁架结构有限元模型
图3抗浮封底砼Midas FEA
模型及拉应力图
如上结果所示，总体结构最大应力为底板桁架组合应力170MPa ，内支撑最大变形3.6cm ，精轧螺纹钢吊杆最大吊点力57.9t 。应力及变形均满足要求，其中在工况三、工况四需计算钢套箱的抗浮及抗下滑，以及封底混凝土的拉应力。
3.3 钢套箱抗浮及封底砼计算
（1）钢套箱抗浮计算。工况三情况下，水位处于高潮水位，水位+3.67m ，封底砼厚度1.8m ，封底砼低标高-4.5m ，封底砼浇注完毕，抽干套箱里的水，清底浇筑第二层平封底。
①底砼面积A1（扣除钢护筒面积，钢护筒直径取2.8m ）：
（1）
②封底砼自重：
Pk=1.05×A1×H ×γ=1.05×1475.8×1.8×2.4 =6694.23t （2）③浮力：
Pf=1475.8×8.17×0.98×1.0=11811.34t （3）
④封底混凝土与钢护筒间摩擦力：
（4）
式中：n 为封底混凝土范围内护筒数量，取49；f 为封底混凝土与护筒之间的侧向摩擦力，考虑水下混凝土表层质量较差，护筒表面有附作物等因素，不宜取值过高，一般为100～200kPa ，取150kPa ；D 为护筒直径，取2.8m ；x 为封底混凝土厚度。
⑤套箱自重：Pt 忽略不计，作为保险系数。则，整体抗浮稳定系数：
K=（Pk+Pt+F 摩）/Pf=（6694.23+0+11631.82）/11811.34 =1.55≥1.2 （5）封底砼厚度满足抗浮稳定性要求。
（2）封底混凝土抗拉验算。封底混凝土为C35，水抽干后封底砼底面受到高水位水压力，利用Midas FEA 建模（见图3），计算出为拉应力0.47MPa ＜1.57MPa （允
许值），满足要求。
3.4 钢套箱抗下滑及封底砼计算
（1）钢套箱抗下滑计算。工况四情况下，筑第一层承台混凝土阶段。水位处于低潮水位，水位-2.38m ，计算套箱抗下滑能力及封底砼受力情况。封底砼厚度2.5m ，封底砼低标高-4.5m ，第一层承台混凝土厚2.5m 。
①底砼面积A1（扣除钢护筒面积，钢护筒直径取2.8m ）：
一次性台布（6）
②封底砼自重：
Pk=1.05×A1×H ×γ=1.05×1475.8×2.5×2.4
=9297.54t （7）③第一层承台混凝土自重：
P=1777.37×2.5×2.6×1.05=12130.55t （8）④浮力：
Pf=1475.8×2.12×0.98×1.0=3066.12t （9）
⑤封底混凝土与钢护筒间摩擦力为：
（10）
式中：n 为封底混凝土范围内护筒数量，取49；f 为封底混凝土与护筒之间的侧向摩擦力，考虑水下混凝土表层质量较差，护筒表面有附作物等因素，不宜取值过高，一般为100～200kPa ，取150kPa ；D 为护筒直径，取2.8m ；x 为封底混凝土厚度。
弱碱水设备⑥套箱自重：Pt=1182.57t 。
⑦剪力钢筋采用φ32钢筋，每根钢护筒上设置10根，套箱抽干水后，将剪力钢筋焊接在钢护筒深入承台150mm 部分，采用双面焊，焊角尺寸12mm ，角焊缝有效厚度he=12×0.7=8.4mm 。单根剪力钢筋焊缝长度为（150-10）×2=280mm 。
角焊缝有效焊缝面积A=280×8.4＝2352mm 2；玻璃砖墙
焊缝能承受剪力：
取φ32钢筋抗拉强度σ=300MPa ；
最大拉力：
（11）
（下转第130页）
| 工程设备与材料| Engineering Equipment and Materials
·130·2019年第1期
6～12min），龙门吊行走时间8min，从罐车往料斗里卸料3min，90min之内只能完成4块板的灌注任务。每块轨道板所需自密实混凝土约为1.55m3，每车混凝土9m3，每车混凝土可以浇筑5.8块轨道板，因一台龙门吊无法满足施工需要。采用两台龙门吊同时进行灌板作业，15min即可完成一块轨道板灌注，90min之内灌6块板，90÷15×1.55=9.3m3，现场施工能力大于罐车输送能力，因此采用两台龙门吊正好能满足施工需要。完成35块轨道板灌注需要时间为35×15÷90=5.84h，灌板前准备需要1h做准备工作，因此总得灌板时间约7h。整个精调和轨道板灌注时间约12h，整个过程正好在夜间完成。如果工期压力较大，可以采取平行作业，精调和混凝土同时作业，但是精调和灌板要拉开35m的距离，混凝土通过50t吊车吊到线路中间通过中转料斗进行灌注，条件成熟的情况下一天可多完成8～10块板的施工任务，但是必须增加一台50t或者更大的吊车。
第五，轨道板养生。轨道板灌注完成后腰带模养生24h以上才能拆掉模板和精调爪，拆完模板后立即喷洒养护液，然后覆盖塑料薄膜进行养护，灌注孔和观察孔采用自动喷洒养护桶洒水养护。整个灌板所需人员设备如表2所示。
3 施工注意事项
（1）底座板施工时要配备足够的防雨棚，防止雨天施工时因为雨水冲刷，无法完成混凝土收面；（2）轨道板灌注所用的龙门吊大梁不能太长，否则就会因接触网台而影响龙门吊车走；（3）龙门吊高度不能低于5m，
表2 灌板人员设备配置
技术员（名）2砼罐车（辆）2
精调工人（名）8三轮车（辆）1
钢筋工（名）4电焊机（台）1
混凝土工（名）8鼓风机（台）1
模板工（名）8运板车（台）2
力工（名）825吨吊车（台）1
养生工（名）210吨龙门吊（台）3
龙门吊司机（名）3电钻（台）1
安全员（名）1水车（台）1
否则会因为曲线段路基底座板外侧加高，造成龙门吊高度不足，无法进行混凝土灌注。
4 结束语
综上所述，以上是Ⅲ型板施工的最简单、最经济的资源配置，既便于组织安排设备又利于现场施工。
参考文献：
[1]吴大勇.高速铁路无砟轨道施工的质量控制方法研究[D].
北京：中国科学院大学(工程管理与信息技术学院),2014.
[2]曹土.CRTSⅠ型双块式无砟轨道施工技术研究[D].成都:
西南交通大学,2013.
[3]李阳春.武汉至咸宁城际铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道技术
[J].
铁道工程学报,2013
,30(4):51-55
.
图4 抗下滑封底砼Midas FEA模型及拉应力图
（上接第
127页）
剪力钢筋深入封底砼长度1.4m，其锚固力：
（12）
其中：，取T2进行计算，则，单根钢
护筒上剪力钢筋承载力T=T2×10=24×10=240t
T=240t×49=11760t；整体抗下滑定系数：
K=（Pf+F摩+T）/(Pk+P+Pt)=（3066.12+16155.3+11760）
/（9297.54+12130.55+1182.57）=1.37≥1.2 （13）
封底砼厚度满足抗下滑稳定性要求。
（2）封底混凝土抗拉验算。封底混凝土为C35，水
抽干后封底砼底面受到低水位水压力，顶面受到第一层
承台混凝土重力共同作用，利用Midas FEA建模（见图
4），计算出拉应力0.98MPa＜1.57MPa（允许值），
满足要求。
4 结束语
飞云江跨海大桥钢套箱已经施工完成，利用有限元软
件结合手算分析，保证了项目下部结构安全、有效地完工。
牙刷加工
施工计算科学严谨，安全性高，且大部分材料均为项目已
有材料，节省了成本，保证了该大型承台施工的顺利进行，
为后续索塔和上部结构施工奠定了坚实的基础。
参考文献：
[1]俞立新，卢福海，丁健，等.大型钢套箱结构受力分析[J].
公路,2006(9):65-68.
琉璃砖
[2]蔡邦国，吴乾坤，雷栋.强潮差海域超大哑铃型防撞钢套箱
施工关键技术[J].公路,2017,62(6):162-165.
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议