装配式钢吊箱在高桩承台施工中的应用

吴凯军，蔡 田

（中交第二公路工程局有限公司泉州湾跨海大桥A3合同段项目经理部，福建泉州 362122）

1 工程概况

泉州湾跨海大桥南岸深水区引桥承台均为高桩承台，承台底标高为-1.4 m，封底混凝土厚度为80 cm，封底混凝土底标高为-2.2 m，海床面标高处于-2.5 m～-6.5m之间。承台均为矩形带圆弧倒角结构，承台尺寸为9.1 m×8.0 m×3.5 m。工程所属区域海面开阔，海床面覆盖层为淤泥层和中细砂层，潮汐属于正规半日潮，最高潮位3.36 m，最低潮位-2.85 m，平均潮位下普遍水深1.4 m～5.7 m。桥址区为典型季风区，施工阶段设计风速35.1 m/s，最大波浪高2.44 m。承台施工具有工程数量多，承台底标高在水面以下且距海床面较高等特点。结合以往施工经验，确定选择装配式钢吊箱法进行承台施工。

2 装配式钢吊箱相关设计

钢吊箱作为临时结构为承台施工提供无水的施工环境，同时又是承台施工模板，考虑到承台施工数量多、潮水水位高、施工工期紧等特点，吊箱底模采用钢筋混凝土预制板代替钢模板，待承台浇注完成拆除吊箱侧壁。为避免涨潮时海水由吊箱顶进入吊箱内部，吊箱侧模设计高7.5 m。吊箱采用C20水下混凝土进行封底，封底厚度80 cm，承台浇筑方量56.2 m3，封底混凝土与钢吊箱之间的粘结力不足以满足承台混凝土荷载作用，需要在钢护筒外侧设置剪力件伸入封底混凝土[1-2]。

2.1 侧模设计

侧模为三层结构，第一层面板采用厚度为8 mm的优质钢板，第二层横肋采用[10#型钢，间距40 cm；第三层竖肋采用][20b#型钢，间距75 cm；法兰为100×14 mm的扁钢。设置两层内撑桁架，第一层设置于模板的中间距底部4.5 m，第二层设置于距顶部0.2 m处，桁架采用I40b型钢进行构造支撑。外桁架采用I40b型钢对吊箱进行加固锁紧，与模板竖肋之间采用螺栓进行连接，桁架按间距1 m进行布置。侧模共分为42块，沿高度方向分3层，每层由12块模板拼组而成，单块模板最大尺寸2.25 m×2.5 m。

2.2 底模设计

底模由四块钢筋混凝土预制板组成，每块板设置两个预留孔，四个吊点，预留孔孔径50 mm。每块预制板在对应桩基位置设置比桩基钢护筒外径大20 cm的预留孔，方便拼装。为满足受力需求，预制板厚度为16 cm，内设两层φ16 mm的钢筋，层间距10 cm；上层钢筋网钢筋间距20 cm，下层15 cm。

2.3 封底混凝土设计

封底混凝土厚80 cm，承台及钢吊箱自重荷载远大于封底混凝土与钢护筒之间的握裹力。为满足受力要求需设置剪力件，剪力件由φ28钢筋外加φ16钢筋加强圈构成，每根钢护筒上布置16个剪力件，剪力件大样如图1所示。

图1 剪力件大样图（单位：mm）

2.4 受力分析

2.4.1 设计荷载工况

综合考虑海水高低潮水位、吊箱内清淤及排水、封底及承台混凝土浇筑前后施工情况，共需分5个工况进行吊箱受力验算，具体如下：

工况1：吊箱下放加固完成，浇注封底混凝土；工况2：封底混凝土达到设计强度后，低潮水位时，吊箱内抽水；工况3：封底混凝土达到设计强度后，高潮水位时，吊箱内抽水；工况4：低潮水位时浇注承台混凝土；工况5：高潮水位时浇注承台混凝土。工况1为吊箱底板受力最不利情况，工况3和工况4为吊箱侧模荷载最不利工况。封底混凝土浇注完成后，去除吊挂系统，依靠封底混凝土与钢护筒间的粘结作用来维持结构体稳定，因此需在工况3和工况4下进行封底混凝土受力验算。

2.4.2 侧模受力分析[3-4]

采用MIDAS建立有限元模型，分别在工况3和工况4下进行侧模的受力计算，建立的有限元模型如图2所示，计算结果参见表1所列。由计算结果可知，在两种工况下各杆件组合应力均小于允许应力188.5 MPa，受力满足要求。允许挠度[w]=L/500，取高度方向杆件L=7.5 m为最小尺寸，允许挠度[w]=15 mm，计算整体结构最大位移为w=7 mm[w]，变形满足要求。

图2 承台侧模计算模型

表1 承台模板结算结果一览表

2.4.3 底板受力分析

封底混凝土厚度为80 cm，在工况1情况下，底板依靠吊挂系统悬吊在钢护筒顶，底板主要受封底混凝土、侧模及底板的自重荷载。侧模自重按60 t计，以均布荷载的形式加载于承台吊箱底板四周，新浇注封底混凝土对吊箱底板作用荷载为20 kN/m2，吊箱底板混凝土重度取25 kN/m2。

2.4.4 封底混凝土受力分析

钢护筒直径为2.8 m，封底厚度80 cm，封底混凝土与钢护筒之间的粘结力按照k=15 t/m2计算，则封底混凝土与钢护筒之间的握裹力f=4220.2 kN。吊箱自重G1=999 kN，80 cm厚封底混凝土自重G2=1377.6 kN，承台混凝土自重G3=7187.5 kN，高潮位时水对吊箱浮力F=5781 kN。分别在工况3和工况4情况下计算封底混凝土受力能否满足要求。

工况3：此工况钢吊箱为抗浮计算，吊箱结构体自重荷载G=G1+G2=2376.6（kN），封底混凝土与钢护筒之间需要提供的握裹力为F-G=3404.4 kN

工况4：设置剪力件后，工况4情况下剪力件需承受荷载为G-f=5143.9 kN，平均每个剪力件受力80.4 kN，远小于φ28钢筋能够抵抗荷载（126 kN）。封底混凝土内设置的剪力件受力满足要求，结构安全。

3 装配式吊箱施工工艺

3.1 搭设临时拼装平台

为了钢吊箱安装方便、安全，确保拼装精度，在钢护筒上设置临时拼装平台进行钢吊箱的拼装施工（见图3）。拼装平台采用I25b型钢贯穿钢护筒为承力梁，工字钢与钢护筒中心线距离为15 cm，确保吊杆的穿越。最高潮水位+3.36 m，临时拼装平台需搭设在最高潮位之上，确保钢吊箱拼装不受潮水影响，从而将施工环境变为干施工，提高钢吊箱拼装精度。该项目临时拼装平台标高确定为+4.5 m。

图3 临时拼装平台型钢布置图（单位：mm）

3.2 吊箱拼装

底板的初步拼装采用汽车吊进行，底板分为四块，每块都有独立的编号，对应安装到位后，利用手拉葫芦和撬杆进行微调，使四块板在同一水平面拼装成整体（见图4）。完成后将板与板之间的预埋件焊接牢固，确保板的整体性。在吊装孔内穿上精轧螺纹钢吊杆。吊杆外套PVC管，套管与底板之间接缝采用胶布进行包裹密实，保证浇筑混凝土的过程中不污染吊杆，方便吊杆拆卸。底板拼装完成后利用全站仪及钢尺标识出模板安装轮廓线，以及位置控制线，再采用70 t履带吊拼装吊箱侧模，拼装时采用分块分层进行，模板拼接缝之间采用10 mm厚的橡胶条再涂刷1～1.5 mm的胶水进行拼接，保证拼缝严密不漏水。拼装完第一层后要进行吊箱位置的调整精确定位，保证以后拼装的模板位置及垂直度等能精确控制（见图5）。

图4 底板拼装完成实景

图5 吊箱拼装完成实景

3.3 设置吊挂系统

吊挂系统由分配梁和吊杆组成，分配梁为I40b双拼，吊杆为Φ32精轧螺纹钢。钢护筒顶需设两个分配梁，液压千斤顶放置在两层分配梁之间。吊挂系统设置完成后，吊箱承力由临时搭设平台转化到吊挂系统，如图6所示。

图6 设置吊挂系统实景

3.4 钢吊箱模板下放定位

吊挂系统完成后，经过各项详细检验合格后方可进行下放作业，吊箱下放采用8台50t千斤顶进行多点同步下放。下放时要在退潮时进行作业，尽量在整个下放过程中吊箱处于水面以上不受水流力和波浪力影响，如图7所示。

图7 吊箱下放实景

千斤顶设置在钢护筒顶分配梁和措施分配梁之间，下放过程如下：（1）将精轧螺纹钢在下层分配梁顶端锁死，在上层分配梁顶端放松。（2）顶升千斤顶，顶升过程中保证每台千斤顶负荷均衡。（3）将精轧螺纹钢在上层分配梁顶端锁死，在下层分配梁顶端放松。（4）将千斤顶卸荷，实现模板下放，卸荷缓慢进行，确保承台底模板水平。重复（1）至（4）步，直到承台模板下放到设计标高，将精轧螺纹钢在下层分配梁顶端锁死，上层分配梁周转至下一承台模板下放施工。吊箱下放到位后，将模板与内侧钢护筒及周围钢管桩焊接支撑梁加固，确保在海浪作用下吊箱模板不发生位移。

3.5 封底混凝土施工

钢吊箱封底混凝土为C20水下混凝土，封底厚度80 cm，浇筑方量52.6 m3，采用导管进行水下浇筑。

3.5.1 焊接剪力件

吊杆拆除后，钢吊箱将依靠封底混凝土与钢护筒之间的粘结力保持稳定，为保证封底混凝土与钢护筒之间的握裹力满足要求，需在钢护筒上焊接剪力件，根据前述设计可知，剪力件焊接在封底混凝土顶面以下10 cm钢护筒上，沿钢护筒周长需均匀布置16个。剪力件由φ28钢筋外加φ16钢筋加强圈构成，剪力件直接焊接在钢护筒侧壁上，焊接采用双面焊接，焊接长度为15 cm，每个钢护筒焊接16个剪力件。所有焊件均进行镀锌防腐处理，焊缝采用环氧粉末进行喷涂，如图8、图9所示。

图8 剪力件镀锌处理实景

图9 剪力件焊接完成实景

3.5.2 封堵底板缝隙

混凝土预制板进行预制时，为了便于预制板安装，预留的钢护筒孔洞直径比钢护筒直径大20 cm，因此底板与钢护筒之间有10 cm的空隙需要封堵，防止混凝土浇筑时漏掉。采用3 mm钢板加工三段圆弧，圆弧宽度15 cm，内径与钢护筒外径相同，将圆弧钢板在空隙处拼接，并与钢护筒焊接牢固。将钢护筒外壁焊渣及其他杂物进行清理，使其表面杂物清除干净，如图10所示。

图10 堵漏钢板实景

3.5.3 导管布置及浇筑工艺

封底混凝土采用导管分次对称浇筑，整个平台在钢护筒边缘约50 cm处布置4根导管。导管悬空底板控制在10～20 cm之间，用拔板法进行封底，封底完成后采用卧泵直接泵送混凝土入导管进行浇筑。封底混凝土导管采用内径φ275 mm、壁厚δ=8 mm的无缝钢管制作，管节之间连接采用快速螺纹接头。导管由临时导管定型卡固定在操作平台上，操作平台主要由I25b型钢、平台木板及栏杆组成，如图11所示。导管上部系白棕绳，控制导管倾斜，并挂设手拉葫芦控制导管高度，导管顶口与小集料斗相接。

图11 混凝土浇筑操作平台实景

3.5.4 封底混凝土浇注

混凝土采用生产能力120 m3/h的搅拌站拌制。水下封底混凝土采用大集料斗集料，溜槽分配到小料斗，大集料斗容量按导管封底要求控制。为了保证封底混凝土施工质量，混凝土浇筑选择在落潮时进行，封底前在小漏斗内涂抹黄油、铺塑料薄膜，用塞子堵住管口并用浮吊挂住塞子，待封口大集料斗内储满后开启阀门往小料斗内放料，小料斗满后拔塞封底，通过溜槽连续供料，使封底不间断地进行。

封底混凝土施工时，作好测深工作并做好记录；每根导管封口结束后应及时测量其埋深与流动范围。导管封底完成后，及时补料，同一导管两次灌入混凝土的时间间隔控制在30 min以内。封底混凝土厚度0.8 m，为保证导管有一定埋深，混凝土灌注顺利时，一般不随便提升导管，即使需要提管，每次提升的高度都严格控制导管的埋深不小于40 cm。灌注过程中根据灌注量，每隔一定时间测一次标高，以指导布料，使混凝土均匀上升。混凝土浇注临近结束时，全面测出混凝土面标高，根据测量结果，对混凝土面标高偏低的测点附近的导管增加灌注量，直至所测结果满足要求。当所有测点的标高满足控制要求后，结束封底混凝土灌注。封底过程中钢围堰侧模上的连通器应打开，保证钢围堰内外水位差基本一致，保证封底混凝土不受水头压力作用而破坏。

3.6 拆除吊挂系统

待封底混凝土强度达到22 MPa后便可进行吊箱内抽水，抽水时封闭连通器，尽量在低潮位时进行。抽水完成后拆除吊挂系统。吊杆回收时先松钢护筒顶部分配梁上的螺母，然后再松承台底部承重分配梁的螺母，抽出吊杆，将下承重系统掉入水中，逐根回收。割除钢护筒顶分配梁，周转至下一承台施工。

3.7 钢吊箱模板拆除

封底混凝土浇筑完成，拆除吊挂系统后，承台围堰安装完成，将承台施工由水上施工变为“陆地施工”，施工工艺比较常规。待承台混凝土强度达到设计要求时进行模板拆除，承台钢吊箱侧板使用履带吊自上而下分块拆除，承台底板将作为承台封底混凝土一部分不进行拆除。

4 结论与建议

（1）混凝土预制底板应在保证能进行模板侧壁拼装的原则下尽量减小平面尺寸，保证承台的外观美。

（2）装配式吊箱在临时搭设平台上进行拼装，平台应设置在最高潮水位1m以上，可以防止潮水对拼装作业的影响，能保证吊箱拼装精度，提高施工质量。

（3）在吊箱下放施工中，千斤顶尽量保证同步性，避免不均匀下放影响模板的拼装质量。

（4）在封底混凝土中设置剪力件，可有效地提高混凝土与钢护筒的粘结力。剪力件应确保不深入承台混凝土，以免加速承台混凝土的腐蚀，破坏承台混凝土强度。

[1]JTGT F50-2011，公路桥涵施工技术规范[S].

[2]范立础.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，2003.

[3]周水兴，等.路桥施工计算手册[M].北京：人民交通出版社，2004.

[4]张俊义.桥梁施工常用数据手册[M].北京：人民交通出版社，2005.