南宁外环公路大冲邕江特大桥8#墩钢套箱施工设计

摘要：南宁外环公路大冲邕江特大桥8#墩采用了钢套箱施工方案，利用钢套箱完成水中承台和水下墩身部位施工，本文介绍8#墩钢套箱设计思路及基本计算过程，为同类桥梁施工提供参考。

关键词：特大桥；钢套箱；施工方案；设计思路

Outer ring highway use abstract: Nanning Yongjiang super-large bridge 8 # pier steel box construction scheme is adopted, using steel box complete underwater construction of pile caps and underwater parts used, this article introduces 8 # pier steel box design idea and the basic calculation process, provide a reference for similar bridge construction.

Key words: large bridge; Steel box; The construction plan; Design train of thought

中图分类号：U448.27文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

一、工程概况

大冲邕江特大桥系南宁外环公路跨越邕江的一座特大桥，其主桥为三跨连续高低塔混凝土斜拉桥，主桥全长598m，跨径布置为153m+332m+113m，该桥8#墩位于邕江中（图1），桥塔基础采用承台接钻孔灌注桩基础。高塔下设两个19.6×18.5m矩形钢筋混凝土承台，厚度6m。每个承台下各设12根φ250cm的钻孔灌注桩。桥位区属珠江流域西江水系邕江干流，桥位内呈西至东流向，河床宽缓，江面宽阔，约400～500m，水深5.0～10.0m，河床纵坡小于10％，其水流流速约2.0m/s，流量约为6000 m³/s。该河在桥位区段内常水位为62.00m；最低水位为60.88m，最高洪水位为76.7m。其水位高程及流量主要受降雨量的控制。桥址采用洪水重现期10年一遇水位71.64m作为最高通航水位，设计最低通航水位58.62m。

图1 水中承台总平面图

二、大桥双壁钢套箱设计思路及基本计算过程

大冲邕江特大桥8#墩钢套箱按照以下思路进行设计：调查地质水文资料确定计算水位高度选择总体结构形式确定平面尺寸拟定内部结构形式结构受力计算。其中，双壁钢套箱围堰平面尺寸根据承台尺寸及钢围堰下沉误差确定,立面高度根据承台标高及其施工水位确定，壁厚根据制造空间必要尺寸、抽水时受力情况等条件确定，确保满足强度、刚度要求。

（1）调查地质水文资料：桥位区属珠江流域西江水系邕江干流，桥位内呈西至东流向，河床宽缓，江面宽阔，约400～500m，水深5.0～10.0m，河床纵坡小于10％，其水流流速约2.0m/s，流量约为6000 m³/s。该河在桥位区段内常水位为62.00m；最低水位为60.88m，最高洪水位为76.7m。其水位高程及流量主要受降雨量的控制。桥址采用洪水重现期10年一遇水位71.64m作为最高通航水位，设计最低通航水位58.62m。据地表调查和钻探提示，桥位区为剥蚀丘陵及河谷地貌单元，由山丘与邕江组成，地形波状起伏，冲沟发育，地面高程65～207.8m，地表坡度15～400。河岸一般高度5～10m，两岸为冲积阶地，高程在65～72m之间。据该桥区钻探揭示，8#承台为泥盆系中统郁江组泥岩、下统那高组泥岩，中风化深灰色，岩石软～较硬，岩体完整，钻进慢，岩芯呈短～长柱状。

（2）确定计算水位高度：根据我单位实测水位以及水文分析报告等相关资料，，钢套箱安排在枯水期施工，综合考虑封底混凝土厚度及通航水位高程，充分考虑不可预见风险，选定钢套箱顶面高程为67.1m（最高水位上限），钢套箱底标高54.1,计算水位高度为64.1,计算水压10m进行设计（表1），如图1所示。

图2承台标高、封底、常水位、围堰顶标高示意图

表 1 大冲邕江特大桥钢套箱标高一览表

（3）选择总体结构形式：根据已经确定水文地质资料，确定大冲邕江特大桥主跨8#墩位于是深水基础，覆盖层较薄、平坦的岩石河床上。采用双壁钢套箱施工。

（4）确定平面尺寸：钢套箱内板平面尺寸按照承台平面每一侧加宽10cm作为套箱定位误差调整量，钢套箱内壁尺寸采用19.7×18.6m；外壁尺寸21.7×20.6m，内外壁间距1m。沿高度方向分为3节段，组合为：4+4.5+4.5=13m，每节段分为12个拼装块（每边3块）。

（5）拟定内部结构形式：

图3 钢套箱平面设计图（单位：cm）

钢套箱由：壁板、竖肋、横肋、双壁内支撑、钢套箱内支撑组成。

内外壳板采用8mm钢板。

竖向加劲角钢：∠70×70×6mm，【8槽钢，水平间距500mm。

横肋：采用板宽15cm，厚1cm的扁钢带，竖向间距1200mm，遇到竖向加劲角钢时开孔穿过，并与角钢焊接。

套箱内水平支撑：设两道水平内支撑，下道内支撑设在距套箱底面往上5800mm处，上道支撑设在距下道支撑4800mm位置。水平内支撑断面为螺旋焊钢管，上道支撑为Ф400×8mm钢管，下道支撑为Ф600×8mm钢管。在支撑位置设12mm厚连接钢板，进行套箱内壁与钢管支撑的焊接加强，确保支撑连接可靠。钢套箱下沉前在施工平台上焊接组装成型，下沉稳定后内侧灌筑1.8m厚混凝土，外侧在开挖基坑内灌筑不少于1.2m厚混凝土。

（6）结构受力计算：

套箱受力的最不利情况为套箱封底1.8m厚度抽水之后，钢套箱计算水位采用64.1m，封底混凝土底面标高为54.1m，套箱壁受力的水压力分布图如下：

图 4 钢套箱侧压力示意图

1.封底砼的计算

套箱水下封底后，施工抽水时，封底砼须承受基底的向上浮力。封底砼标号为C20，其容重：γ砼=2.3t/m3，厚度为1.8m。并取施工水位作为控制荷载，作用在封底混凝土底面的净竖向荷载：Q=γ水h水-γ砼h砼=10×10-23×1.8 =58.6KN/㎡；钢套箱自重为282t。

封底砼按均布荷载作用下，以桩基护筒之间的部分作为计算模式，简化为四向固结板：M0x=0.0513qlx2=0.0513×58.6×72 =147.3KN.m，取单宽进行验算：

Wx=bh2/6=1.8×1.8×1/6=0.54(m3)

δmax=Mx/Wx=147.3/0.54=0.27MPa＜[δ]=0.5MPa

2.封底砼与护筒剪切计算：

每根桩受剪面：A=2.8×3.14×1.8=15.8m2

每根桩与护筒产生的握裹力：；握裹应力取0.2MPa

套箱产生的浮力： F浮=ρgν=1×21.7×20.6×10=4470t

套箱及封底砼自重：F自=ρνg+282=2.3×1.8×19.7×18.6+282=1799t

护筒握裹力为:P×N=316×12=3792t

抗浮稳定系数：K=P/F=(1799+3792)/4470=1.24＞1.0（稳定）

2.竖向角钢受力验算

第二、三、四节模板竖向角钢采用∠702×6（图5），间距为50cm，横肋间距为1.2m，竖向角钢按三跨连续梁验算，竖向跨度为1.2 m，当考虑与堰壁板共同受力时：

图 5竖向角钢示意图

计算组合截面惯性矩：

角钢截面参数：A角=8.16cm2 ，Z0=1.95cm

设矩形截面的面积为A矩，对组合截面形心轴取矩，

则有：A矩×(7-yc+0.3)- A角×(yc-1.95)=0

其中：A矩=36×0.6=2.16×10-3m2，A =81.6×10-4m2，

有上式可得yc=5.833cm，则Zc=7.0+0.6-5.833=1.767cm

设矩形截面对自身形心轴的惯性矩为I矩，角钢截面对自身形心轴的惯性矩为，则组合截面对自身形心轴的惯性矩为：

I组=I矩+ A矩×(Zc-0.3)2+I角+A角×(yc-1.95)2

=

=208cm4

作用在竖向角钢上的水压力，均以水头差h0=5m的压力来考虑，假设宽0.5m的荷载q均由组合截面的竖向角钢承受，竖向角钢计算图示：

图 6 竖向角钢计算示意图

跨内最大弯矩为：

Mmax=0.08h0γab2=0.08×10×5×0.5×1.22=2.88KN·m

最大剪力为：

Q=0.6h0γab=0.6×10×5×0.5×1.2=18KN

截面的惯性模量为：

W=

截面受到的最大正应力为：

σ=

τ=

其中S=21.6×(7.6-5.883-0.3)+0.6×(7.6-5.883-0.6)2×=32.1cm2

τ=，因此，竖向角钢安全。

3.水平方向杆件验算

水平撑采用∠802×6的角钢，承受横肋传来的力F=1.0×50×1.2=60KN，应力验算：

∠802×6截面特性：A=9.4cm2=9.4×10-4m2

轴向应力为σ=,因此，水平撑安全。

4. 钢套箱内支撑验算

钢套箱内支撑采用φ600mm,δ=8mm的螺旋钢管，选取受力最大下层内支撑进行计算。

回旋半径：

长细比：

查表得

，满足要求。

三、结语

本工程采用理论计算方法，进行了双壁钢套箱围堰的设计和施工控制，效果比较理想，在增大了大冲邕江特大桥8#墩在施工过程中的安全保证的同时，也相应地节省了工程投资，为同类桥梁施工提供参考。

参考文献

[1] 南宁外环公路两阶段施工图设计文件．广西交通规划勘察设计研究院．2010年编制；

[2] 《桥梁设计与计算》，人民交通出版社，邵旭东主编。

作者简介：黄文龙，男，结构工程师，广西吉泰投资有限公司