港珠澳大桥埋置式预制承台安装体系转换的设计与施工

王德文 肖世波 文建勇

(1.湖北汉十城际铁路有限责任公司，湖北武汉 430062；2.中铁大桥局集团有限公司，湖北武汉 430050)

1 工程概况

港珠澳大桥CB05标非通航孔桥下部结构采用钢管复合桩基础，为了满足桥位10%阻水率的要求，承台采用埋置式基础。CB05标浅水区非通航孔桥在九洲航道桥以东有53孔，以西有11孔，共62个墩位。其中，墩高≤27 m为低墩区，有桥墩49个(每个墩分为两节预制、安装)；墩高>27 m为高墩区，有桥墩13个(每个墩分为三节预制、安装)。全桥共计137节(承台及底节墩身62节)，其单件最重约23 500 kN，承台尺寸为15.6 m×11.4 m×4.5 m，每个承台设预留孔6个，直径为2.8 m，预制构件构造如图1所示。

图1 低墩区与高墩区示意(单位：m)

2 工程概况

2.1 潮汐

桥址处的潮汐属于不规律半日潮型，设计高水位为+1.65 m，设计低水位为-0.78 m，平均水位为0.54 m，高潮时水深5.0～7.0 m，低潮时水深3.5～5.5 m。

2.2 地质

海床面较为平坦，其高程为-6.2～-3.5 m，地层主要为淤泥、粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土夹砂等。

2.3 气候

桥址区气候温暖潮湿，年气温变化不大，降水量多且强度大，风向以东南偏东和东风为主。桥址区处于热带气旋路径上，据1949年至2008年60年间资料统计，每年有2～6个热带气旋袭击桥位，4～12月均有可能发生，主要集中在6～10月。

3 总体施工方案

(1)基坑开挖：在桥址对应墩位处安装围堰，提供无水的施工作业环境。

(2)钢管桩体系转换：待围堰封底止水后，抽水并清除围堰内杂物，同时对钢管复合桩桩头进行凿毛处理，在复合桩钢管上焊接剪力环，再进行桩顶体系转换及设施调整。

(3)挂桩施工：吊船载运承台预制构件至墩位处，抛锚定位，将承台挂在6根钢管复合桩的顶部，此时承台自重荷载均通过桩顶钢立柱等设备传递至钢管复合桩，完成挂桩施工。

(4)承台预留混凝土施工：调整承台墩身的高程、垂直度后，进行承台预留孔钢筋混凝土的施工。承台预留孔钢筋混凝土分两层浇筑，完成第一层钢筋混凝土浇筑后，待混凝土达到设计强度，拆除桩顶转换体系，此时承台荷载均通过预留孔第一层混凝土与钢管复合桩及承台预留孔侧壁粘结作用承担，实现体系转换；最后进行预留孔第二层钢筋混凝土的施工工作。其施工流程如图2。

图2 承台安装施工流程

4 承台墩身安装技术

4.1 基坑及围堰施工

为减少基坑内吸泥工作量，在墩位处提前进行基坑开挖，开挖参数如图3所示。基坑开挖过程中禁止碰撞复合桩钢管。为保证围堰下放准确，在围堰运输至墩位前，将导向架安装到复合桩钢管上(平面位置偏差50 mm，垂直度控制在1/250内，扭角控制在0.5°)。

图3 基坑开挖(单位：m)

整体起吊围堰，套入导向支架(如图4所示)，调节其平面位置与垂直度，使其达到设计要求。对围堰进行混凝土封底、抽水、清除围堰内杂物等工作。

图4 导向架结构(单位：mm)

4.2 桩头处理及体系转换的设计与施工

钢管复合桩切割至设计高程并进行桩头处理，采用水泥砂浆找平(平整度达到3 mm/1 m)，安放六个钢立柱至桩顶(保证钢立柱自身平整度)。利用浮吊船依次将钢立柱、三向调节装置及6 000 kN千斤顶安装至桩顶，如图5所示。

图5 体系转换设施

钢管复合桩顶部区域设有4道剪力环，剪力键采用厚度为20 mm的钢板与复合桩焊接而成。剪力键的高度为50 mm。其结构形式如图6所示。

图6 桩顶剪力键布置(单位：mm)

承台挂桩过程中，承台自重由吊船转换至钢管立柱上，再通过立柱传递到钢管复合桩。根据计算，单根立柱承担竖向荷载为5 040 kN(如表1)，利用有限元程序对立柱进行建模，如图7所示，采用板单元模拟立柱各板件，经计算，立柱最大组合应力为178 MPa，如图8所示。

表1 立柱及吊点荷载

图7 立柱模型

图8 立柱应力

根据承台安装施工计算，立柱采用Q235钢，抗拉、压设计值为205 MPa，故立柱承载力满足规范要求。

采用四点吊装预制承台，吊点布置在承台桩基预留孔处。吊点结构由一根扁担梁、两根平行钢丝束(材质：PESH7-139)、两根φ130连接钢棒等组成。其布置及连接情况如图9、图10所示。

图9 承台吊点布置(单位：mm)

图10 承台吊装示意

承台安装精度应满足表2。承台吊放到位后，进行第一层孔洞混凝土浇筑，并对此部分的孔洞混凝土进行强度验算。

表2 承台墩身安装的允许偏差和检验方法

承台的最大重量为25 000 kN(含安装承台时一些临时构件)，一个承台共有6个孔洞，每个承台孔洞受力大小为

[T]=G/n=2 500/6=4 167 kN

(1)孔洞混凝土与钢管复合桩之间受力分析

孔洞混凝土与钢管复合桩之间竖向剪力主要由剪力键断面受压及复合桩与混凝土之间的粘接力组成，其各自计算公式为

T1=nA1fcd

(1)

T2=A2τ

(2)

式中n——剪力键数量，n取4；

A1——剪力键截面积；A1=126 920 mm2;

fcd——C45混凝土受压强度允许值，取12.0 MPa;

A2——钢管复合桩与混凝土之间接触面积，A2=10×106mm2；

τ——混凝土与钢桩之间粘结应力设计值，τ取0.2 MPa。

计算可得

T1=nA1fcd=4×126 920×12=6 092 kN

T2=A2τ=10×106×0.2=2 000 kN

按钢管复合桩周圈混凝土受剪计算，其受剪承载力为

T′=A2τ′=10×106×0.98=9 800 kN>[T]=

4 167 kN

式中τ——C45混凝土受剪承载力允许值；τ取0.98 MPa。

由计算可知，其结构强度满足要求。

(2)孔洞混凝土与预制承台之间受力分析

考虑预制承台预留孔部位混凝土受压，不考虑混凝土之间的粘结力，有

T=A1fcd=1 036 725×12=12 440 kN>[T]=

4 167 kN

式中A1——承台预留孔截面积，A1=1 036 725 mm2；

fcd——C45混凝土受压强度允许值，fcd取12.0 MPa；

由计算可知，其结构强度满足要求。

(3)模型细部受力分析

采用有限元程序，建立三维实体模型，进行受力分析。第一层浇筑混凝土整体模型如图11所示。

图11 计算模型

图12 第一层混凝土浇筑完成

模型中，采用第一层浇筑混凝土与原承台接触面处固结，并考虑与桩接触面处无平面位置变形(见图12)；其荷载直接加于第一层浇筑混凝土与桩之面的接触面上，以平均方式加载。第一层浇筑混凝土受力计算结果如图13、图14所示。

图13 主拉应力(单位：MPa)

图14 剪应力(单位：MPa)

由图13、图14可知，第一层新浇筑混凝土主拉应力为0.96 MPa，竖向剪应力为0.45 MPa。满足设计要求。

完成承台预留孔第一层混凝土浇筑后，对混凝土进行养护，待混凝土达到设计强度95%(42 MPa)后，方可拆除吊挂装置(体系转换设备)，如图15所示。

图15 体系转换(扁担梁拆除)示意

绑扎第二层钢筋(如图16所示)，进行第二层混凝土的浇筑(如图17所示)，完成预制承台的安装。

图16 第二层钢筋绑扎完成

图17 第二层混凝土浇筑完成

[1] 谭少华.港珠澳大桥主体工程浅水区非通航孔桥埋置式承台设计与施工[J].中外公路，2014，34(6)：121-126

[2] 张海燕.海上复合桩钢管打设施工技术[J].桥梁建设，2014，44(2)：112-117

[3] 中铁大桥勘测设计院集团有限公司，合乐集团有限公司.港珠澳大桥主体工程桥梁DB02标段施工图设计[Z].武汉：中铁大桥勘测设计院集团有限公司，合乐集团有限公司，2012

[4] 张强，刘德军，李小珍.四线铁路刚架系杆拱桥静动力性能试验研究[J].铁道标准设计，2018(1):78-83

[5] 中交第一公路工程局有限公司.JTG/T F50—2011 公路桥涵施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2011

[6] 中华人民共和国建设部.GB50017—2003 钢结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2003

[7] 中华人民共和国交通运输部.JTS 167—4—2012 港口工程桩基规范[S].北京：人民交通出版社，2012

[8] 中交公路规划设计院.JTG D62—2012 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京：人民交通出版社，2012

[9] 黄剑锋.港珠澳大桥浅水区非通航孔桥围堰设计[J].桥梁建设，2015，45(4):88-93

[10] 罗扣，王东晖，张强.港珠澳大桥浅水区非通航孔桥组合梁设计[J].桥梁建设，2013，43(3):99-102

[11] 郭熙冬.港珠澳大桥承台墩身工厂化预制施工技术[J].桥梁建设，2014，44(2):107-111

[12] 景强，苏权科，陈东兴.港珠澳大桥海中桥梁工程埋置式承台施工方案[J].世界桥梁，2015，43(2)：29-33

[13] 邱顺冬.桥梁工程软件MIDAS Civil应用工程实例[M].北京：人民交通出版社，2011

[14] 王国华，庄正毅，诸浩杰.海上60 m非通航段墩柱整体预制施工工艺[J].中国市政工程，2007(3):35-37

[15] 朱岩，陈雨，甘万强.有机硅烷浸渍高性能海工混凝土防腐蚀性能的研究[J].混凝土，2007(10):77-80