滩海高桩承台混凝土底板单壁钢吊箱的设计与施工
时间：2022-08-22 12:36:58
摘要：针对滩涂高桩承台的特点和主要技术标准要求，对上海长江隧桥长兴岛侧承台围堰进行了方案比选和设计，主要介绍了钢吊箱的结构选型、设计和施工方法。
1. 工程概况
上海崇明越江通道长江隧桥B1标段浅滩段里程桩号范围为K11+498～K12+248，长750m。长兴岛侧浅滩段为非通航孔，采用双幅等高单箱单室连续箱梁，跨径组合为7×50+8×50=750m。墩位编号为PM13#～PM28#墩，各墩均设左右两幅承台。承台尺寸为11.7m×7.8m×2.5m，承台顶标高为+4.0m，承台底标高为+1.5m，均为高桩承台。基础均采用4根φ1.8m的钻孔灌注桩，桩长77m～87m。浅滩段典型桩基础布置如图1所示。
（a）平面图 （b）纵立面图
图1 浅滩段典型桩基础布置图
2. 工程难点
本工程地处长江口，受潮汐和风浪影响大。在常水位，承台顶面均露出江面，此处水深从4m到11m不等，涨、退潮时受流水压力作用十分明显。另外，长兴岛受季节性台风作用，台风主要分布在8、9月的施工旺季，对施工作业者的人身安全性影响较大，也同时对承台围堰结构稳定性提出了更高的要求。因此，需要针对本工程的水文、地质、气象、航道等条件，选择一种合适的桥梁基础修建的围堰结构形式和施工方法，解决好围堰的设计、制作、运输、吊装、定位、封底等关键技术问题。
3. 围堰技术方案选型
根据长兴岛北侧的施工条件，结合国内施工水中墩的类似施工经验，对国内比较常用的围堰技术方案进行比选，不同围堰方案的施工难度、技术经济比较见表1。
从上表可以看出，采用混凝土底板形式的钢吊箱围堰有较好的经济性，且结构简洁、施工方便。故最终采用了混凝土底板钢吊箱作为本次高桩承台施工的围堰。
4. 钢吊箱围堰设计
本工程的钢吊箱围堰结构分为底板、侧模、内支撑、吊挂系统（下沉系统）四大部分。其中，侧板、底板是钢吊箱围堰的主要阻水结构并兼作承台模板。在结构的设计中，采用了结构有限元方法对钢吊箱进行模拟分析，有效减少了设计时间，提高了设计精度。
4.1 基本参数
单壁钢吊箱高3.7m，平面为六边形结构，尺寸为11.7m×7.8m。底蓝为30cm厚的预制混凝土板，采用“底包侧”的方案，底篮各边比吊箱各边大11.4cm。
钢吊箱侧板顶高程：+4.5m，钢吊箱底面高程：+0.8m；封底混凝土底高程：+0.8m，承台底标高：+1.5m；承台顶标高：+4.0m。
4.2 设计工况
吊箱下沉时，流水压力、吊箱内外水头差产生的力由与钢护筒相连接的型钢和钢板组成的导向系统传到4根钢护筒上。设计时主要所考虑工况及其荷载见表2。
表2 设计工况表
序号 工况情况 荷载分析
工况一 下沉到位 计算底蓝：吊箱自重+混凝土底板自重
工况二 浇注封底混凝土、抽水 计算底蓝：吊箱自重+混凝土底板自重+封底混凝土自重
吊装平台：吊箱自重+混凝土底板自重+封底混凝土自重
吊箱：封底后，钢吊箱在静水压力和流水压力作用下受力
工况三 浇注2.4m承台混凝土 计算封底混凝土抗力
工况四 承台施工完毕，墩身施工 承台施工完毕，割除内支撑，吊箱结构受力
4.3 计算模型
根据设计时的工况荷载的分析，工况二为最不利工况，因而本钢吊箱针对该情况进行了详细的受力分析和计算。
钢吊箱由面板、竖向槽钢（角钢）和水平环向组合槽钢等构件构成，主要承受静水压力和流水压力荷载。竖向面板（6mm）、水平环向钢板（8mm）和封底混凝土（70cm）采用板单元模拟，竖向槽钢、水平环向组合槽钢和内支撑钢管等等采用梁单元模拟。静水压力和流水压力加载均采用面荷载形式。边界条件考虑封底混凝土底板与钢管桩结合处固结，有限元分析模型见图2。
4.4 计算结果
荷载模式考虑两种组合，荷载组合一：封底抽完水时按迎流面最不利计算荷载；荷载组合二：封底抽完水时按顺流面最不利计算荷载。
其中，第二种荷载组合为最不利组合：即整个钢吊箱主要承受静水压力共同作用，计算所得钢吊箱变形如右图所示。
顺流面内凹1.7cm，迎（背）流面向外凸0.6cm左右。由于吊箱钢结构底部有封底混凝土支撑，顶部有交叉内支撑钢管，因此变形主要体现在结构上半部。理论上静水压力导致各面板均向内凹，但实际中顺流面内凹的同时迎（背流面）呈外凸趋势，说明钢吊箱的环向刚度起了较大作用，结构的整体性较好。
4.5 结果分析
（1）钢吊箱顶部有内支撑钢管，底部有封底混凝土连接。整体性较好，环向水平双拼槽钢使得结构整体刚度较大。
（2）各构件间相互环扣，现场连接需要规范操作。特别注意水平环向钢板与竖向槽钢和竖向面板的连接，焊接工艺应满足要求，避免出现应力集中等现象。
（3）钢吊箱主要承受静水、流水压力，传力途径简单明了。各构件应力均在可控范围内，受力验算较为安全。
5. 钢吊箱施工要点
5.1 钢吊箱的加工
（1） 钢结构主体的加工
编制分块加工和试拼施工工艺及质量保证措施。按有关规范、工艺要求编写钢板与钢板间、钢板与型钢间及型钢与型钢间焊接工艺和施焊原则，以防止焊接变形过大使局部或整体尺寸超出图纸允许误要求差。
（2）钢吊箱的试拼装
钢吊箱加工完成，进行钢吊箱陆地整体试拼工作。试拼平台放在两个加工场中间，并具有足够的刚度和强度以满足试拼要求。钢吊箱各节段按顺序编号，并在焊接现场拼装。
（3）混凝土底板的加工
在后方进行整体预制，预制时将整个混凝土底模对称分成四块，根据设计尺寸先安装混凝土底模钢筋，每块根据钢护筒位置设置Φ220cm预留孔以及进行吊环等预埋件安装。检查合格后灌注混凝土，并及时做好各分块的标识。
（4）牛腿的加工
牛腿是本工程施工的重点，在施工的过程中需两次焊接牛腿，分别是作为钢吊箱的临时拼装平台支撑和下沉到位后钢吊箱支撑。牛腿采用δ=10 mm钢板加工成梯形，沿钢护筒圆周方向布置4组，每组由3块梯形钢板组成。为方便施工，采用倒挂牛腿的形式，安装时必须保证4组牛腿顶面在统一水平面上。
5.2钢吊箱的运输
混凝土底模预制完毕到设计强度90％时，分四块块用平板车分别运至现场栈桥平台上。
5.3钢吊箱的安装
（1）混凝土底板的安装
首先在常水位以上的钢护筒上焊接牛腿，作为临时支撑。每块混凝土底模自重15t，运至现场后，利用50 t履带吊起吊、安装。安装时利用钢护筒作为导向系统，将其安放在钢护筒的临时支撑上，用钢筋焊接固定，然后根据桩中心位置调整每块混凝土底模的中心位置。采用同样的工艺安装另一块混凝土底模，当四块斗安装完毕后，根据承台中心位置精确调整混凝土底模的中心位置，确保两者在误差允许范围内。
（2）拼装钢吊箱钢结构部分及下沉系统
首先在钢护筒上焊接倒挂牛腿，牛腿顶面标高为+0.5m，作为钢吊箱下沉到位的临时施工平台。
吊挂系统设于既有钻孔桩的钢护筒上，充分利用永久结构，方便承台施工，钢吊箱主承重梁为双拼I45工字钢，沿桥横向护筒上平行布置2条，单根主梁长11.5m，主梁在钢护筒两侧对称预留2个Ф40mm吊杆穿孔，穿孔间距为2.4m。主梁吊挂采用Ф32mm精轧螺纹钢筋，扁担梁采用双拼I25a工字钢。
在施工过程中采用8根6m长的Ф32精轧螺纹钢、扁担梁以及8个32t螺旋千斤顶作为整个钢吊箱的下沉系系统。钢吊箱的下沉系统采用钢护筒搭设扁担梁吊装钢吊箱。在下沉过程中每2个千斤顶为一组，操作人员也每两人一组，在下沉过程中，设专人指挥，统一指令，确保同步下沉。
（3）利用低潮位进行钢吊箱的下沉和混凝土浇注
根据实际需要设立潮位观测桩，观测桩利用原有栈桥钢管桩，定时观测，及时汇总数据，并询问当地居民历年潮水涨落情况，参照《2007年上海潮汐表》，制定钢吊箱下沉和混凝土浇注计划。
5.4 钢吊箱的下沉精度控制
由于本工程设计的钢吊箱为单壁结构，既充当下沉结构载体又作为承台施工钢模，因而钢吊箱的轴线准确性直接影响后期承台的轴线位置。与传统的钢吊箱施工方法有所不同，先设置水上临时拼装平台（混凝土底板及临时牛腿作为临时拼装平台）进行钢吊箱的拼装，再利用千斤顶和精制Φ32螺纹钢吊装到位，精度可达1cm。实际施工过程中，钢吊箱的轴线偏差均达到了预想的设定目标。
6. 结语
本次海上桥梁高桩承台基础施工是在浅滩环境中、潮汐及台风影响下进行的。承台施工充分利用长兴岛北侧长江口的深水环境、潮差大等条件，选择在低潮位时进行混凝土干封底施工，提高了封底混凝土效果，有效保证了封底混凝土的外观质量。本工程的单壁混凝土底板钢吊箱由于具有结构简便、施工方便、无需拆除底板等诸多施工优势，而我国近海或跨江大桥大多采用高桩承台的基础形式，因此该施工技术在同类结构施工中，具有很好的应用前景。
参考文献：
[1]曹迎春主编.大跨度建筑施工技术手册.北京市：当代中国音像出版社,2003.
[2]徐伟，吕凤梧著.深水区域特大型施工平台及钢吊箱结构分析方法.北京市：中国建筑工业出版社, 2009.04.
[3]交通部第一公路工程总公司主编.公路施工手册桥涵上.北京市：人民交通出版社,2000.
