海上承台单壁钢吊箱设计

梁磊磊 孙艳明 骆彦兵

(中交二公局第二工程有限公司，陕西西安 710119)

1 工程简介

1．1 工程概况

大连星海湾跨海大桥位于大连市星海湾南部海域，是大连市交通网规划中的重要组成部分，其中海上主桥为双塔三跨地锚式悬索桥，主梁为双层钢桁架结构，单层四车道，跨度布置为180 m+460 m+180 m=820 m。

索塔每根塔柱下设一个承台，承台之间不设横系梁，承台由12根φ2．5 m的钻孔灌注桩支撑，承台尺寸为17．3 m×23．6 m×6．05 m;承台顶标高为 +2．05 m，底标高为 －4．0 m，承台厚6．05 m，采用C45高性能混凝土。

1．2 水文气象条件

水位:施工所处区域水深12 m～15 m，设计高水位1．66 m(高潮累计频率10%)，设计低水位:－1．38 m(低潮累计频率90%)，施工水位0．3 m。

潮汐:据历年潮汐资料，大潮升2．9 m，小潮升2．3 m，平均海面1．6 m，最大潮差3．9 m，平均潮差3．7 m。

波浪:据波浪观测资料显示，勘区以风浪为主，涌浪为次。星海湾海区大部分时间的波浪小于0．5 m(占70%)，大于1 m波高的时间仅占5．7%，大于2 m波高仅占0．4%，相对较平静。

气象:全年平均风速5．3 m/s，台风最大风速31．0 m/s，50年一遇:本市基本风压0．65 kN/m2。

2 设计条件及荷载工况

2．1 设计条件

索塔承台所在位置海床标高在－11．5 m～－12．5 m，钢吊箱底部标高为－6．0 m，顶标高为+4 m，承台顶面标高+2．05 m，底面标高－4．0 m，承台高度6．05 m。封底混凝土厚度2．0 m。

2．2 荷载工况

根据钢吊箱在施工过程中的不同阶段及受力状态，有以下几种荷载工况:

1)下放阶段。钢吊箱在缓慢下放过程中，与外侧海水保持连通，钢吊箱内外水压力平衡。

2)封底混凝土浇筑阶段。水下浇筑封底混凝土阶段，内外静水压力同样保持平衡，封底混凝土重量通过吊杆最终传递至钢护筒上。

3)抽水后承台施工阶段。封底混凝土达到强度后关闭侧板上的连通管开始抽水，抽水完成时，外侧静水压力、波浪力、水浮力均由钢吊箱整体承担，整个钢吊箱达到最不利荷载状态。

承台分两次浇筑，第一次浇筑2．3 m，第二次浇筑3．75 m。

3 钢吊箱结构构造

3．1 钢吊箱总体结构

钢吊箱是一种为海上承台施工提供无水作业环境的围堰结构，其阻水原理是通过钢吊箱侧壁板和封底混凝土形成一个密封空间，达到和陆地承台施工同样的效果。钢吊箱主要由壁板(侧板)、底板、悬吊系统、内支撑等组成。钢吊箱整体结构如图1，图2所示。

图1 钢吊箱整体平面图（单位：cm）

图2 钢吊箱整体立面示意图（单位：m）

3．2 钢吊箱底板

钢吊箱底板主承重梁采用双支H型钢，承重梁上设置工字钢分配梁，间距控制在50 cm左右，在钢护筒附近留出10 cm空隙，考虑到钢吊箱施工完成后，底板很难回收，故底板面板采用组合钢模板，组合钢模板与工字钢分配梁满焊连接。钢吊箱底板构造如图3所示。

3．3 单壁钢吊箱壁板

单壁钢吊箱侧板厚为81 cm，高10 m，面板采用10 mm钢板，肋板采用∠75等边角钢，在肋板上焊接整体式桁架，桁架横向使用∠75等边角钢的水平斜撑，将内外两道角钢连接成横向的桁架，桁架竖向使用∠75等边角钢的竖向斜撑，将内外两道竖向角钢连接成竖向的桁架，在连接处使用∠100等边角钢连接，竖向增加［20型钢提高单壁钢吊箱抗弯能力。钢吊箱壁板结构如图4所示。

图3 钢吊箱底板分配梁整体布置图

图4 单块壁板结构图（单位：cm）

3．4 内支撑

内支撑设置两层，分别设置在－0．5 m和+3．0 m处。第一次浇筑完成后将下面第二层内支撑拆除;内支撑材料选取钢管结构，内支撑围檩为双支H型钢。

3．5 悬吊系统

悬吊系统底板承重梁和钢护筒上承重梁均采用双支H型钢，吊杆采用φ32精轧螺纹钢，共设置40根吊杆，在钢吊箱整体下放的过程中，为了保证各个下放吊点下放的同步性，下放吊点的选择应尽可能少，综合考虑只使用其中的18根，其他22根吊杆在浇筑封底混凝土时参与受力。

4 设计计算

针对钢吊箱施工的过程中各阶段不同的荷载工况进行受力分析计算，计算采用MIDASCivil2012对结构整体建模计算。

4．1 荷载取值

1)流水压力。流水压力标准值按照JTS144-1-2010港口工程荷载规范进行计算，然后以均布压力荷载施加在侧壁板上。

2)波浪力。波浪力的计算按照JTJ 213-98海港水文规范进行，计算时静水位标高取高潮水位+1．66 m，海床标高取－12．5 m。查取水文资料，取设计波高H=2．03 m，波浪平均周期

对照波浪对建筑物的作用，分波峰和波谷两种形态分别计算波浪力，绘制波浪压力分布如图5所示。

图5 波浪压力分布图

3)静水压力。海水的容重取10．25 kN/m3，静水压力计算按最高水位 +1．66 m计算，最大净水压力p静=γH=10．25×(1．66+6)=78．5 kPa，按倒三角形压力荷载加载到壁板上。

4．2 计算内容

1)钢吊箱下放过程中底板及悬吊系统受力计算;2)封底混凝土浇筑过程中底板及悬吊系统计算;3)抽水后，钢吊箱壁板的受力计算;4)封底混凝土计算。

4．3 计算结果

1)钢吊箱下放阶段。下放过程中，将侧板自重换算成均布压力荷载施加在底板上，偏安全不考虑水浮力作用。

计算结果为:φ32精轧螺纹钢吊杆应力为367 MPa，底板悬吊系统主承重梁最大应力118 MPa，钢护筒上悬吊系统承重梁最大应力106 MPa。

2)封底混凝土浇筑阶段。在封底混凝土浇筑完成后，尚未与钢护筒产生粘结力之前，底板及悬吊系统达到最不利受力状态。

吊杆最大应力为516 MPa，底板悬吊系统主承重梁最大应力126 MPa，钢护筒上悬吊系统承重梁最大应力118 MPa，能够满足要求。

3)钢吊箱内抽水完成。抽水完成后，钢吊箱壁板在水流力、波浪力、静水压力共同作用下达到最不利状态，壁板及板后的角钢竖肋、横肋用板单元建立，其余用梁单元模拟。经过分析:在封底混凝土顶面位置处，壁板有应力集中，最大应力166 MPa，外侧桁架最大应力为121 MPa，内支撑最大应力为98 MPa，满足使用要求。

4)封底混凝土计算。封底混凝土达到强度后，受力点转换到了封底混凝土与钢护筒之间的粘结力上，它抵抗封底混凝土自重、钢吊箱自重、第一次浇筑承台混凝土重量及水浮力，须对其进行抗浮计算。

抗浮计算分两个阶段:一个阶段是钢吊箱内抽完水后浇筑承台混凝土前;另一个阶段是浇筑完承台混凝土后承台混凝土初凝前，分别计算封底混凝土与钢护筒间粘结力及钢吊箱围堰的上浮力，使其满足下式要求:

其中，K为抗浮安全系数;P为封底混凝土与钢护筒间的粘结力，按经验值150 kN/m2计算;F1为钢吊箱围堰抽水后浇筑承台混凝土前高潮位时的浮力;F2为钢吊箱围堰浇筑完承台混凝土后初凝前低潮位时的浮力;F3为封底混凝土自重;F4为钢吊箱自重;F5为承台混凝土自重。

［k］=1．1，计算结果如下:

第一阶段:K=3．55＞1．1，满足要求，钢吊箱整体不会在高潮位上浮;

第二阶段:K=1．14＞1．1，满足要求，钢吊箱整体不会在低潮位浇筑第一层承台混凝土时下沉。

5 结语

海上承台单壁钢围堰设计，要充分考虑海洋环境对单壁钢吊箱产生的影响，从现场组织施工结果来看，能够很好的满足使用要求，工艺操作简单，材料用量合理，并能回收再利用，做到了节约工期，施工安全可靠，为后序施工奠定良好的基础。

［1］ JTG/T F50-2011，公路桥涵施工技术规范［S］．

［2］ JTJ 213-98，海港水文规范［S］．

［3］ JTS144-1-2010，港口工程荷载规范［S］．

［4］ 黎建宁，鲜 亮．海域深水区混凝土底板钢吊箱围堰施工技术［J］．施工技术，2012(5):7-8．

［5］ 张雪松，张明闪．之江大桥2号墩矩形承台单壁钢吊箱设计与施工［J］．公路交通科技，2012(12):9-10．