某国轻轨跨海桥深海高桩承台钢吊箱围堰设计与施工技术研究

王伟明

（中国土木工程集团有限公司，北京 100038）

1 工程概况

某国轻轨项目地处该国最大城市，项目线路全长28 km，其中，高架桥长8.1 km，设11座车站。跨海桥横跨Lagoon湖入海口位置，桥跨结构为30 m×3+40 m×1+60 m×5+40 m×1+30 m×2简支连续梁桥，全长530 m，墩号为104号～114号，桩基总数为130根，设计桩长为52～80 m。其中，深水区380 m，设计为连续刚构形式，其余为简支梁形式。地下有淤泥质黏土、粉质黏土、粉土、中砂、细砂，桩基为摩擦桩，桩底通常到达的持力层为中砂。设计桩径1.5 m，桩间距3.5～4.5 m，梅花形排布，承台顶标高+3.465 m，承台底标高-1.035 m，高桩承台采用海上钢吊箱围堰施工。本文主要阐述108号承台钢吊箱设计及施工。

2 钢吊箱围堰设计及计算

2.1 钢吊箱围堰设计参数

钢吊箱顶标高+3.500 m，钢吊箱底标高-3.006 m，承台顶标高+3.465 m，承台底标高-1.035 m，最大流速2 m/s，平均风速28 m/s，瞬时风速33 m/s，低潮位水面标高+0.55 m，高潮位水位标高+1.5 m，最大潮差1.5 m，最大浪高：建筑物所在处波高H＝1 m，波长L＝15 m，周期T=3 s，护筒与封底混凝土间的黏结力f=120 kN/m2，封底混凝土C30。

2.2 荷载及主要工况

2.2.1 计算荷载

1）风荷载。根据JTS 144-1—2010《港口工程荷载规范》：

式中，ωk为风荷载标准值，kPa；μs为风荷载体型系数，取1.4；μz为风压高度变化系数，按距水面15 m，吊装时取1.52；ω0为基本风压，根据JTS 144-1—2010《港口工程荷载规范》11.0.2条规定，当风速为28 m/s时，取0.49 kPa。计算得ωk为1.043 kPa。

2）流水压力。根据式（2）计算：

式中，Fw为流水压力标准值，kN；K为水流阻力系数，取1.33；A为计算构件在与流向垂直平面上的投影面积，取1 m2；γ为水的重力密度，取10.25 kN/m3；V为水流设计流速，取2 m/s；g为重力加速度，取9.8 m/s2。代入数据得Fw=2.8 kPa。

3）波浪压力。根据JTS 145—2015《港口与航道水文规范》进行计算：

（1）高水位时，水深d按4.506 m考虑。H/L=1/15，＞1/30；且d/L=4.506/15=0.3，0.2＜d/L＜0.5。

静水面以上高度H=1 m处的波浪压力强度为零，静水面处的波浪压力Ps=γH=10.3 kPa，静水面以上破浪压力强度按照直线分布，静水面以下深度z=4.506 m处的波浪压力为3.0 kPa，另外考虑波峰浮托力和波谷波吸力影响。

（2）低水位时，水深d按3.556 m考虑。H/L=1/15，＞1/30，且d/L=3.556/15=0.24，0.2＜d/L＜0.5。

静水面以上高度H=1 m处的波浪压力强度为零，静水面处的波浪压力Ps=γH=10.3 kPa，静水面以上破浪压力强度按照直线分布，静水面以下深度z=3.556 m处的波浪压力为4.4 kPa，另外考虑波峰浮托力和波谷波吸力影响。

4）静水压力。

（1）高水位时，水深h取4.506 m：

（2）低水位，水深h取3.556 m：

2.2.2 计算工况

钢吊箱施工时，受力体系会经过两次转换。计算工况有：

1）钢吊箱起吊及下放过程。考虑吊箱刚吊起及下放过程工况，荷载主要为自重。验算吊点及结构整体强度。

2）浇筑封底混凝土。按低潮位浇筑封底混凝土工况，验算底板、吊杆受力。

3）抽水浇筑第一层承台混凝土。考虑低潮位浇筑第一层承台混凝土，验算防落吊杆受力。

4）浇筑第二层承台混凝土。第一层承台混凝土达到设计强度后考虑低潮位浇筑第二层封底混凝土，验算吊箱受力。

2.3 钢吊箱结构概述

钢吊箱围堰采用提前预制，现场拼装的形式进行组装，钢材采用Q235 B，螺栓采用4.8级普通螺栓。

1）底板。钢吊箱底板采用厚度δ=6 mm钢板，底板加劲肋采用Ⅰ12.6型钢。主梁采用H400 mm×200 mm×8 mm×13 mm型钢。

2）壁体。钢吊箱壁板采用厚度δ=6 mm钢板。竖向支撑加劲肋采用H400 mm×200 mm×8 mm×13 mm型钢，布置位置与内支撑钢管相对应。同时，水平加劲肋采用Ⅰ12.6型钢，位于壁板分块焊缝处采用2-[12.6拼接，螺栓连接。此外，在围堰内外侧水平方向上布置1道双围檩，均采用2-H400 mm×200 mm×8 mm×13 mm，内支撑也采用相同截面。

3）悬挂系统。钢吊箱吊挂系统由十字吊架、千斤顶、锚垫板、精轧螺纹钢筋、螺帽组成；十字梁吊架采用2-H450 mm×125 mm×12 mm×16 mm型钢，吊孔处设置12mm厚加劲肋，锚垫板厚度为12 mm，吊杆采用φ32 mm精轧螺纹钢，承载力允许值为[R]=500 kN。

钢吊箱下放到设计标高后，每根钢护筒上设置4根[14b槽钢组焊件拉压杆。钢吊箱结构如图1所示。

图1 钢吊箱结构图（单位：mm）

2.4 钢吊箱结构受力验算

2.4.1 钢吊箱吊装

钢吊箱重量G=1 276.51 kN，分布在四壁周边，周长L′=2×（15.7+13.2）=57.8 m。因此，均布荷载为q=G/L′=22.0 kN/m，取动力系数k=1.2。除中间2根护筒外，在其余12根护筒顶部安装十字吊架，每根护筒4个吊点，共48个吊点。最大吊点反力R=193.6 kN，吊杆采用φ32 mm精轧螺纹钢，承载力允许值为[R]=500 kN，吊杆满足要求。

底板主梁最大组合应力为σ=74.9 MPa＜[σ]=140 MPa，满足要求。

护筒顶十字梁检算：最大弯应力为27.7 MPa＜140 MPa，满足要求；最大剪应力为31.5 MPa＜85 MPa，满足要求。

2.4.2 浇筑封底混凝土

考虑低潮位浇筑封底混凝土，封底混凝土荷载为36 kN/m2，波吸力最大值为4.4k N/m2，围堰自重线荷载为22.1 kN/m。

1）吊点反力最大值为280.8 kN。

2）钢护筒承担的最大反力为730.1 kN，满足要求。底板主梁最大组合应力为123.4 MPa＜140 MPa，满足要求。

3）底板主梁最大剪应力为31.8 MPa＜85 MPa，满足要求。

2.4.3 浇筑承台第一层混凝土

考虑低潮位浇筑承台第一层混凝土时的工况。

1）单根钢管黏结力1 017 kN，总黏结力为14 238 kN，混凝土自重为封底混凝土+第一层承台混凝土，即16 126 kN。

2）波峰作用时，向上浮托力456 kN，向上浮力7 929 kN，向上力合计8 385 kN，向下合力为混凝土重量+围堰自重，即17 402 kN，向上合力为浮托力+浮力+黏结力，即22 623 kN。22 623/17 402=1.3，抗浮≥1.3，满足要求。

3）波谷作用时，向下波吸力456 kN，向上浮力7 929 kN，钢管总黏结力14 238 kN，向上力合计为21 711 kN，向下力合计：混凝土及结构自重17 402 kN，21 711/17 402=1.25，抗浮＜1.3，不满足要求。

以上计算表明：在浇筑承台混凝土时，抗浮系数不满足要求，必须设置抗落措施，因此，采用2×[14 b作为防落吊杆，每根护筒设置4根，共设置56根，可以满足使用要求。

4）护筒顶十字梁。组合应力为99.8 MPa＜140 MPa，满足要求。剪应力为27.8 MPa＜85 MPa，满足要求。

5）侧模竖肋受力检算。弯曲应力为74.2 MPa＜140 MPa，满足要求。剪应力为39.2 MPa＜85 MPa，满足要求。

6）围檩及支撑。弯曲应力为19.3 MPa＜140 MPa，满足要求。剪应力为4.5 MPa＜85 MPa，满足要求。

通过验算得知，钢吊箱围堰的受力符合要求。

3 钢吊箱围堰施工技术

1）底模板安装。模板分块预制好后，实施试拼装，并根据安装顺序编号，再运到现场。钢护筒接长后，开孔位放置挑梁，底模依靠护筒穿出的挑梁进行支撑，完成拼接。然后护筒顶部安装十字梁，吊筋采用φ32 mm特制的螺纹钢筋，吊筋与吊筋之间采用钢套筒进行连接。

2）侧模及拉压杆安装。钢吊箱的侧模分为两层，底层侧模和底模为一次性模板，由于承台混凝土浇筑完成以后，底模和第一层侧模模板位于海平面以下，无法取出。侧模顶层为循环模板，待混凝土凝固以后，可以拆除，循环利用。模板接缝处用橡胶垫进行压实，防止钢吊箱漏水。钢吊箱拼装完成之后，安装钢吊箱内外围檩及支撑，安装钢吊箱水平定位导向构件，定位导向构件固定端焊接在内围檩和支撑上，定位构件活动端临近护筒外侧，在每个护筒周围设置4个斜撑杆。

3）钢吊箱下放到位。利用十字梁顶部千斤顶将钢吊箱进行下放，每次下放10 cm，直至达到承台标高位置，精确调平后将护筒周围的4个斜撑杆与护筒焊接。靠近钢护筒的钢吊箱边模利用工字钢梁与钢护筒进行加固，防止由于海水冲击造成钢吊箱的晃动[1]。浇筑封底混凝土前，需要潜水员进行人工检查，并在护筒周围放置沙袋，以保证钢吊箱与护筒密封完好。

4）封底混凝土浇筑。封底混凝土流动性必须满足设计要求，采用水下混凝土浇筑，混凝土凭借自重及自身流动性水平均匀分摊开，达到封底的目的[2]。封底混凝土厚度为1.5 m。

5）绑扎钢筋浇筑承台混凝土。封底混凝土达到设计强度后，进行找平，将拉压杆和钢护筒底部焊接，拆除钢吊箱吊筋，完成第一次受力体系转换。

切除混凝土面以上钢护筒，承台钢筋绑扎时，承台内部预埋钢管，防止大体积混凝土凝固过程中产生大量的水化热，混凝土凝结过程中，通过钢管循环通水来降低承台内外温差。承台第一层混凝土达到设计强度后，完成第二次受力体系转换，接着浇筑第二层混凝土。

4 结语

钢吊箱围堰用于桥梁水中承台施工，在国内应用比较广泛，技术也相对成熟，但在建筑市场资源匮乏的某国首次进行运用。某国轻轨跨海桥钢吊箱围堰施工基于施工现场实际情况，对钢吊箱结构进行设计、建模计算，对施工工艺进行研究，最后成功实施，为国内外钢吊箱围堰施工提供了参考。