东海大桥承台混凝土套箱分块拼接施工安全分析

黄向平，莫景逸

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海市 200030）

0 前言

东海大桥是举世瞩目的上海国际航运中心洋山深水港区最主要的工程之一。大桥从芦潮港开始至洋山深水港区，总长度达31.053 km，工程规模巨大。大桥所处海区海况恶劣，一年中海上安装工程有效作业天数为180 d,可供混凝土浇筑的天数也仅为240 d。整座大桥从2002年8月开始施工，须在2005年底竣工完成。

非通航孔桥梁的承台套箱分两类：圆套箱和方套箱。其中圆套箱施工已顺利展开，一天最多可安装4个套箱，积累了一定的经验；方套箱长27.85 m，宽 10.2 m，高 4.35 m，体积较大，原计划采用钢套箱方案。混凝土圆套箱的顺利安装增强了施工单位采用混凝土套箱的信心，提出大套箱是否能采用混凝土套箱，将混凝土圆套箱的施工工艺推广到大套箱上。这样，整个非通航孔的承台安装的工期都可得到保证。

1 承台套箱施工方案

国内大江大河上的桥梁承台套箱大都采用钢套箱，工艺较成熟。但是，在东海大桥使用钢套箱有其自身的特点：一是东海大桥属外海工程，拆除钢套箱成为一道难度和风险较高的工序；二是东海大桥桥墩工程量大，钢套箱需周转才能保证施工方案的经济性，从安装到拆除需几个月的时间，这期间螺栓可能锈蚀且位置在封底混凝土底部，须选择在天气好、潮位低的时候进行。受天气潮位的影响，钢套箱的周转次数很难保证。

若采用混凝土套箱，承台浇完后不用拆除，受天气潮位的影响相对小，施工更安全，经济更合理。但是混凝土套箱重量较大，对运输和起吊设备的要求较高。若采用整体吊装方案，需要大型浮吊，现有的吊装设备不能充分利用；而采用分两块拼接方案，每一块的重量与整个圆套箱的重量相当，能够充分利用现有的设备条件，实现快速安装承台套箱的目的。

经过认真权衡钢套箱和混凝土套箱的优缺点，本着尽可能减少海上作业时间，尽快提高套箱刚度的原则，提出了将方套箱分两U形吊装，水上拼接的施工方案，施工流程如下：

陆上分片预制套箱→方驳上拼装U形套箱→起吊U形套箱→将两片U形套箱正确定位并支撑在桩上→连接好桩顶和钢扁担，焊好拼装部分钢梁、钢板→浇灌封底混凝土→现浇套箱壁湿接头→封底混凝土达到85%强度后，拆除部分钢扁担，浇筑第一层承台混凝土→第一层承台混凝土达到85%强度后，拆除全部钢扁担，浇筑第二层承台混凝土。

2 套箱构造

整个套箱长27.85 m，宽10.2 m，承台内布置16根钢桩，空间有限元模型见图1。套箱中间处设置钢扁担（见图2），并搁置在桩上，套箱吊装时吊点设在钢扁担上；套箱底部采用钢底板结合钢底梁来承受浇筑混凝土的重量；在桩间的钢扁担与钢底梁设吊杆以减小底梁跨径。因套箱分块吊装，则半个套箱呈开口U形，开口处设桁架（见图3）保证套箱具有足够的刚度以防变形。

3 计算分析

3.1 荷载标准

图1 方套箱空间有限元模型

图2 方套箱钢扁担布置图(单位：mm)

图3 方套箱桁架布置图（单位：mm）

从开始安装套箱到施工完承台只需经历几十天时间，取过大的波浪可能造成套箱设计上的浪费，过小的波浪则可能不满足施工安全。不同的工序其施工风险性也不一样，经过研究，套箱拼接前的水位采用施工期水位及波高，套箱拼接后的水位施工期水位与使用期的水位都考虑，波高采用5 a一遇的波高，取最不利控制计算。

（1）施工水位：1.86 m

（2）施工期波流：表层流速为2.53 m/s（套箱）；垂线平均流速为1.93 m/s（基桩）；波浪要素H4%：2 m，T:5.05 s，L:38.6 m

（3）设计高水位：2.48 m

3.2 计算工况

套箱吊装、安放须选择较好的天气，在波浪不大，低潮位的时候进行。因此，吊装、安放两阶段仅考虑套箱自重。

考虑到海上自然条件较差，受风浪、流、潮水影响大，在一个潮水内把两个U形连接好，但不一定都能当天浇完封底混凝土，这样未浇封底混凝土的套箱就要经受风浪荷载的考验。

浇完封底混凝土到封底混凝土达到设计强度这段时间，封底混凝土作为荷载，暴露在海上有一定的时间段。此时结构是否能承受得了大浪，是否会影响封底混凝土的凝结质量，是计算的关键。

封底混凝土达到设计强度，拆除部分钢扁担和吊杆，封底混凝土作为结构的一部分计算。封底完成后须抽水，因此这两个阶段的计算都需考虑静水浮力。静水浮力和波浪浮托力的叠加可能控制底板的配筋。表1为各计算工况。

表1 计算工况

3.3 受力特点

（1）与圆套箱相比，大套箱受波浪作用方向的影响更大，长度宽度方向的刚度不同，波浪控制方向为宽度方向。

（2）圆套箱壁为拱形，受波浪作用后，受力表现出轴力大弯矩小的特征，大套箱的长边为直线形，受浪后表现出轴力小弯矩大的特征。

（3）大套箱由两个U形拼接而成，吊装、搁置的初始偏位可能造成拼接困难，整个过程需注意位移控制。需足够刚度的桁架保证吊装搁置过程的U形不产生过大的变形。

（4）封底混凝土达到强度前，套箱内刚度取决于套箱内钢结构，含钢扁担、钢底板及底梁，钢扁担、钢底梁是结构刚度的关键；封底混凝土达到强度后，整个套箱具有一定的刚度，钢扁担的变形较小，受力就相应变小，钢底梁、底板成为混凝土底板的一部分，封底混凝土是结构刚度的关键。

（5）承台内桩间距离不大，竖向荷载在混凝土底板引起的弯矩远小于水平荷载。竖向荷载作用下，在应力图上表现为桩周顶部受拉，跨中底部受拉；在水平波浪力作用下，桩周一侧顶部受拉，另一侧底部受拉。

（6）套箱与承台相比，具有同样的受浪面，但套箱的竖向力及刚度比承台小得多，因此桩的应力变形都较大，应考虑这个施工阶段的桩的受力及变形是否超过使用阶段。使用套箱法施工承台时，桩基设计须考虑因套箱吊放可能造成桩基变形而引起的永久内力因素。

4 套箱设计施工要点

（1）承台的重量通过底板传递到桩上，计算中偏安全地假定桩与底板之间的连接为铰接。施工中要采取一定措施保证桩与底板之间力的有效传递。封底混凝土达到设计强度前，可采取钢底梁与桩焊接或加抱箍等措施，封底混凝土设计时，可在封底混凝土中适当配筋保证桩与底板的连接。可根据不同的桩型采取不同措施，直桩应采取更多的措施，因为直桩桩周封底混凝土将承受很大的剪力，通过适当配筋，既保证力的有效传递又保证桩周的封底混凝土不被剪坏。对于斜桩，这部分力除了由封底混凝土与桩之间的粘接力承担外，还有斜桩的弹力支承，故比直桩安全。

（2）当套箱安装后，如果两个U形套箱安上后未拼接而遇到较大波浪作用，桩基弯矩以及桩顶位移都是较大的，故在套箱安装后应尽快拼接，尽量缩短中间间隙时间，降低在此期间出现较大波浪作用的概率，防止在此期间遇到较大波浪而使套箱产生位移，造成控制套箱安装精度不便。

（3）原则上在套箱安装就位后，应抓紧完成各种钢结构联结、塞缝、排水，在预埋底板钢筋、吊筋与预埋件后，尽快浇筑封底混凝土，以使桥墩基础及早成为整体，以抵抗可能发生的较大波浪荷载，并应避免空箱情况下承受较大波浪荷载的情况，确保工程安全。

（4）由于底板开孔原因，钢底板上的次梁均断开，为保证底板结构刚度，在套箱安放后，应考虑在每个桩上设置抱箍，并与钢底板的次梁进行联结，抱箍应与桩夹紧，以改善这部分钢底板上的受力，也可改善桩与钢底板之间力的可靠传递。

（5）东海大桥在海洋中，钢桩经过防腐，因此不能在钢桩上焊接型钢，以免成为锈蚀通道。封底混凝土与钢桩的连接必须采取其他措施，可通过在桩顶设置小扁担，通过角钢将作用在封底混凝土的部分力传至桩上，增加结构施工过程的安全度。

（6）承台混凝土体积较大，大体积混凝土的水化热不仅对承台混凝土自身的质量有影响，同时可能会造成套箱内外壁受热不均，产生较大的温度应力。因此有条件的情况下，应尽量分层浇筑承台混凝土，同时采取冷凝，调整混凝土配合比等措施降低水化热。

5 结语

（1）根据东海大桥的海况条件，对东海大桥混凝土套箱施工过程进行细致全面的分析，分析套箱在各种工况下的受力特点，提出了套箱设计施工的要点，对指导施工具有较大的现实意义。在条件差、工期紧的情况下，下部结构工期比预计提前3个月，为东海大桥的顺利施工走出关键的一步。

（2）分两片U形吊装水上拼接的做法的顺利实现，是一种创新，不仅使套箱结构经济合理，而且降低了作业人员水上工作的风险，具有较大的借鉴意义。