西江特大桥双壁钢吊箱设计与施工

朱勇战

1 工程概况

西江特大桥是广珠城际轨道交通工程的重难点控制工程。本文主要针对142号桥墩,研究大型钢吊箱在施工过程中各工况的受力特性。根据勘察和设计资料,施工水位达到21 m,因此设计时采用双壁吊箱结构。

2 吊箱结构

钢吊箱围堰为双壁圆角矩形,其平面尺寸为：24.53 m×18.9 m(水流方向)×21.5 m(高度),吊箱内外壁之间相距 1.4 m。吊箱在高度方向上分三节(6 m,7.5 m,8 m),吊箱内部在高度方向上设有两道内支撑。根据现场起吊和运输能力可对吊箱每节进行分块,以便钢吊箱的吊装、运输和拼组;壁板为6 mm厚钢板,壁板水平方向设置加劲角钢,竖向在壁仓内设置隔舱板,隔舱板与壁板相交处设置10 mm×300 mm补强板,同时在隔舱板上设置加劲肋;底板厚度 6 mm,大龙骨为焊接工字钢600(500×20/560×16/500×20)mm,小龙骨为焊接工字钢 400(300×20/360×12/300×20)mm,小龙骨为间断,并在间断处与大龙骨焊接连接;水平设两道水平支撑,采用φ 720×12 mm;设26根抗压(拉)柱,每根柱由2[36a槽钢拼成箱形断面,长20.894 m,每根抗压(拉)柱都要与中间内支撑用钢板焊接连接,以便减小自由长度,增加抗压(拉)柱的稳定性。在抽水过程中,间隔3 m用20a槽钢两根与钢护筒之间焊接一道连接杆件;封底采用C25混凝土,厚度为3 m。

3 工况计算与应力分析

3.1 有限元结构分析

本文借助大型通用有限元软件MSC-Patran/Nastran,考虑整体结构对称性,选取二分之一结构,建立三维空间有限元结构模型。钢材材料参数：弹性模量 E=210 GPa,泊松比 v=0.3,密度ρ=7 850 kg/m3,采用线弹性本构模型模拟。单元选取时除了底板加劲肋和水平桁架采用梁单元以外,其余所有构件均采用板单元模拟,使有限元模型尽量接近实际结构,计算结果更准确。

3.2 工况及载荷分析

工况一：钢吊箱下沉及封底混凝土浇筑。吊箱为双壁结构,通过壁仓注水下沉,靠浮力来抵制吊箱结构重力,此时壁板和底板主要承受由于壁间内外水头差产生的水压力。考虑3.4 m封底混凝土一次浇筑时,由于封底混凝土未固结,没有刚度,底板还承受封底混凝土产生的压力。

工况二：封底混凝土固结后,抽干吊箱内部的水。为了使得上浮力较小,往壁舱内注水与壁仓外水位相平,此时只有吊箱内壁受水压力作用。封底混凝土固结,与底板结合成整体,整体上浮力靠封底混凝土与钢护筒之间的粘结力和拉压杆一起承受。

工况三：底节支撑拆除。为了有足够的空间进行桥墩施工,第一节承台(5 m)混凝土固结后拆除底节支撑,承台替代下层支撑受力。主要验算壁板、隔舱板、上层支撑的变形和受力。

工况四：调整顶节支撑形式。承台顶面与施工水位相差13 m,不能直接拆除顶节支撑进行墩身施工,第一次墩身施工到顶节支撑附近后调整支撑形式后再进行墩身施工,同时往吊箱内部注水至施工位置,减小内外水头差。

设计载荷除了考虑由于水头差产生静水压力和混凝土对壁板压力以外,还考虑沿水流方向引起的流水压力,设计流速按v=2 m/s计算,在水流方向产生的流水压力为0.004 MPa,按均布载荷加载。

3.3 吊箱计算结果及分析

分四种工况形式对整个施工过程进行了计算,计算结果列入表1。

表1 应力分布表 MPa

从表1的计算结果可以看到,结构的最大应力和最大变形都出现在工况一,主要是由于封底混凝土未固结前对底板的竖向压力而产生的,封底混凝土固结后与钢吊箱底板以及大小龙骨组合成整体一起受力,因此工况二、三、四计算中不用考虑底板的破坏,工况一为底板最不利工况;壁板、隔舱板、水平角钢及围檩的最大应力分别为128 MPa,143 MPa,134 MPa和149 MPa,出现在工况二,工况二为封底混凝土固结后抽水工况,吊箱内外水头差接近18 m,为吊箱施工最不利工况,相比而言水平桁架受力较小,内外壁板的传力主要通过隔舱板来连接,设计时通过沿壁仓周长方向间隔1.5 m～2 m设置一道隔舱板,从位移变形可以看到,吊箱围堰的整体变形很小,水平桁架主要起保持结构整体稳定性作用;工况三与工况二相比,承台替代了底节支撑,除了内支撑应力有所减小外,其余构件受力没有明显变化;整个计算过程除了底板局部最大应力达到172 MPa外,其余构件应力均在170 MPa以内,并且整体结构变形也相对较小,满足施工要求,为安全施工,可以采取对封底混凝土分两次浇筑,从而可以减小封底混凝土对底板作用,减小底板应力。

4 整体计算

4.1 整体屈曲分析

对四种工况进行对比分析,工况二与工况三两种情况下,壁舱与吊箱内的水头差最大分别为17.9 m和12.9 m,从计算也可以看到,内支撑、围檩以及隔舱板所受压应力相对较大。因此分别选择工况二与工况三两种情况进行屈曲分析。同样借助MSCNastran进行分析。

最后计算得到,工况二与工况三两种情况下的屈曲系数分别为4.1和 4.77,均大于4,说明整体结构的稳定性也能得到保证。

4.2 整体抗沉浮计算

26根拉压杆按均匀受力考虑,吊箱总重 G=760 t,吊箱底面积St=344.96 m2,壁仓底面积 S2=107.2 m2,护筒面积 S3=90.5 m2,钢吊箱的沉浮主要由拉压杆控制,混凝土与钢护筒的粘结力作为安全储备,计算工况一、二单根拉压杆的受力分别为F1=61.5 t和 F2=-102.8 t。压杆长度按10 m考虑,拉压杆的承载力为：F拉=207 t和 F压=153 t,因此整体抗沉浮满足要求。

4.3 桩的抗弯与抗拉验算

当封底混凝土固结后与钢护筒结合成整体,吊箱所承受的水流冲击力为非对称力,使得桩承受一定的弯矩,流水压力按前面计算取最大值0.004 MPa,为倒三角形式分布,同时竖直方向吊箱底部承受水压力为0.135 MPa。直径2.8 m的钻孔桩承受的最大轴力和弯矩分别为：3.85×106N 和3.96×108N◦mm,桩的最大拉应力为0.81 MPa＜1.42 MPa,不考虑桩配筋作用下都满足安全要求。

5 吊箱围堰的下沉过程

双壁钢吊箱采取注水悬浮方式下沉,整体施工主要分以下几个过程：1)在钢护筒上焊接牛腿作为拼装平台,根据底板分块在钢护筒上设置吊架,并且用吊架分别吊住每块底板,吊放设备采用手葫芦。在牛腿上拼组焊接,第一节吊箱焊接好后(包括底板、壁板和拉压柱),检查拼接焊缝,确保泌水;2)采用手葫芦(20 t手葫芦 36个)将第一节钢吊箱提起,拆除牛腿,使钢吊箱下沉,36个手葫芦同步操作,每次下放1.22 m,倒换一次手拉葫芦的链条;3)吊箱下沉到干悬高度接近1 m时,停止下沉,通过手葫芦以及拉压柱将吊箱吊放在钢护筒上,拼装并焊接第二节钢吊箱;4)重复操作直到钢吊箱全部拼装并下沉至设计标高,通过连接钢板将拉压柱与钢护筒焊接相连;5)在每个钢护筒外侧套入两个半圆形堵漏圈,沿护筒下放到底板上堵住底板与护筒缝隙,然后进行封底混凝土浇筑;6)封底混凝土凝固后开始抽水,凿除拉压柱与护筒见混凝土,将拉压柱下端用连接板与钢护筒焊接,割除混凝土以上钢护筒及拉压杆;7)进行承台与墩身施工。

6 结语

西江特大桥双壁钢吊箱施工水位高,施工难度大,设计时采用板壳结合形势,与桁架形势相比刚度要大,并且加工方便。通过对整个施工过程的分析与计算可以得到：钢吊箱结构的应力在材料的允许应力范围以内,并且结构变形很小,拉压杆受力能够抵制吊箱结构的下沉与上浮,吊箱结构在施工过程中不会发生屈曲,满足安全施工要求。

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