外海无掩护海域桥梁高桩没水承台钢吊箱设计

周华，乔光，朱炜炜

（中交一航局第三工程有限公司，辽宁 大连 116001）

1 工程概况

大连南部滨海大道工程二标段承台共131座，其中海上120座，均为矩形承台。海上承台主要以结构尺寸9.1 m×9.1 m×3.05 m为主，顶标高为+0.55 m（黄海标高），承台四角带半径0.5 m的圆弧倒角（图1）。

图1 钢吊箱效果图Fig.1 Design sketch of steel boxed

承台施工采用单壁有底钢吊箱施工方案。钢吊箱既作为止水围堰又作为承台混凝土模板，侧模采用钢结构，底板采用预制混凝土结构[1]。

施工时，先将吊挂系统安装在钻孔桩钢护筒顶部，预制混凝土底板在标高+1.8 m位置进行组装并安装钢吊箱侧壁，利用吊挂系统将钢吊箱整体吊放至水中，浇筑0.8 m厚封底混凝土，待封底混凝土强度满足要求后，吊箱内抽水后干法施工承台。

2 钢吊箱设计

2.1 设计基本参数

设计基本参数见表1。

2.2 钢吊箱设计最不利工况

钢吊箱结构的受力组合最不利工况为：工况一封底混凝土抽水阶段；工况二承台混凝土施工初凝阶段。

2.3 荷载计算

1） 风荷载取值

采用JTS 144-1—2010《港口工程荷载规范》[3]

表1 基本参数表Table1 Basic parameters

3） 波浪荷载

采用 JTS 145-2—2013《海港水文规范》[5]波浪对直墙式建筑物的作用计算方法，将钢吊箱等效为直墙结构，波态为立波，基床为暗基床[6]。

钢吊箱在波峰作用时受到波压力作用，在波谷作用时受到波吸力作用，且底部一直受到浮托力的影响，计算结果见表2。

表2 波浪荷载参数计算值表Table2 Calculation valueof waveload parameter

4） 静水压力

静水压力计算见表3。

表3 静水压力计算值表Table 3 Calculation value of hydrostatic pressure

波峰和波谷受力工况荷载示意图如图2。

3 钢吊箱有限元分析

3.1 有限元模型建立

采用MIDAS/Civil有限元软件进行受力计算。建立钢吊箱有限元模型如图3、图4，通过加载模拟各个不同施工工况，分析钢吊箱在不同工况下的变形和受力状况[6]。

3.2 钢吊箱结构静力分析和整体稳定性分析

通过分析，钢吊箱围堰结构在最不利工况一下受外荷载最大，此时钢吊箱内封底混凝土浇筑完成，其荷载组合有：自重+风荷载+波浪荷载+静水压力+水流荷载+封底混凝土重量+封底混凝土侧压力+浮托力。

1）波峰时钢吊箱受力分析

波峰时钢吊箱应力计算结果见表4。

可以看出钢吊箱顶口的环形圈梁应力最大，超过允许值，为了减小整体结构用钢量，实际加工时在此处添加了肋板和局部补强钢板，计算结果满足设计要求。

图2 最不利工况一波峰和波谷时受力图Fig.2 Stressof the wave peaksand troughsin the worst operating condition

图3 承台钢吊箱有限元模型Fig.3 Finiteelement model of thecap steel boxed

图4 钢吊箱混凝土底板有限元模型Fig.4 Finite element model of the steel boxed concrete slab

2） 波谷时钢吊箱受力分析

表4 波峰时应力计算结果Table 4 Stress results of wave peak

波谷时钢吊箱应力计算结果见表5。

表5 波谷时应力计算结果Table5 Stressresultsof wavetrough

3） 工况荷载分析

钢吊箱混凝土底板在工况二作用下受力最大，此时承台混凝土浇筑完成，但是并没有终凝，结构除了受到工况一的外荷载外，箱内还有混凝土自重荷载[7]。混凝土底板有限元分析结果见表6。

表6 混凝土底板有限元分析结果Table 6 Finite element analysis results of concrete slab

设计时，根据有限元计算结果进行配筋计算，不再赘述。

4 结语

本次钢吊箱设计充分考虑各种可能出现的最不利施工工况，分析结构在波峰时的最不利工况，优化设计钢吊箱围堰结构；分析波谷时的最不利工况，增设了内十字支撑，增强结构整体稳定性；分析各种工况下的波浪浮托力，设计了混凝土底板，有效抵抗外海无掩护水域风急浪大、浮托力大的不利因素。

本次钢吊箱设计做到了用料省、结构安全、工艺简单，在实际施工过程中，各结构单元分块组装，轻便快捷，本工程共投入30套钢吊箱，施工周期约2 a，遇到多次大风巨浪恶劣海况，未发生结构破坏或被吹入海中等情况，取得了良好的施工效果，可推广使用。