钢吊箱围堰拼装平台力学特性分析

柏红元

（中铁十一局集团第五工程有限公司，重庆 400037）

桥梁深水基础的修建，主要困难在于防水、防土，甚至防冲刷、防滑坡等。使用围堰配合施工的目的，就是在堰内施工和修筑基础时，使堰外的水和土不至于大量涌进堰内，并且待基础、墩台修筑出水面后又可将其拆除，避免堵塞水流和航道。随着深水基础施工技术和机械的发展，吊箱围堰在高桩承台施工中的应用日益广泛。大型钢吊箱围堰在工厂整体制造成型、整体下水并浮运至墩位进行定位，是现代特大型桥梁深水基础施工的一个发展方向，其可以提高钢吊箱围堰的制造精度，减少在墩位处现场拼装的水上作业量。整体制造浮运的钢吊箱围堰集钻孔桩施工平台、钢护筒插打导向结构及承台、墩身施工挡水围堰等多种功能于一身，可以大大缩短钻孔桩施工完毕后至开始承台施工的工序转换时间，缩短整个基础的施工时间。但围堰整体制造成型后结构庞大，对锚定系统投设及围堰的精确定位标准等均有特殊的要求，并给围堰浮运拖带及定位等带来一系列的困难。文章以武汉天兴洲长江大桥2#墩深水基础为工程实例，详细介绍了大型钢吊箱整体浮运锚墩预施拉力定位、兼作钻孔平台施工技术，主要包括大型钢吊箱围堰和锚墩系统的设计、大型钢吊箱围堰的制作和整体下河、大型钢吊箱围堰的浮运及初定位、大型钢吊箱围堰的精确定位等一系列施工方法。

1 工程概况

该工程钢吊箱的设计外观尺寸为：31.3m（长）× 22.3m（宽）×30.9m（高），吊箱内外壁之间相距2.0m，钢吊箱总重2077.81t，内外壁板厚度δ=8mm，高度方向分为四节（其中第一节高7500mm、第二节高7500mm、第三节高7500mm、第四节高8400mm）。壁板内分三次浇筑8.5m 高井壁砼，封底C30 混凝土厚3.5m（见图1）。

2 拼装平台设计

拼装平台必须设置在水位以上，满足拆除条件。底板拼装平台利用钢护筒作为承重基础，采用工字钢横穿钢护筒在护筒内侧焊接承重牛腿设计形式。其布置形式与数量综合底板分块方式确定，底板平台顶标高设置在175m 位置。

根据钢吊箱设计方案，底板龙骨横向大龙骨采取通长布置。根据底板结构设计形式，钢吊箱拼装平台采用横穿护筒悬挑型钢+焊接型钢的形式，并在型钢下焊接加强牛腿确保受力安全。

图1 主墩钢吊箱模型示意图

钢吊箱拼装平台结构由工字钢组成，为使钢吊箱在拼装平台受力工况与钢吊箱在拉压杆吊挂受力工况相一致，其受力形式按与拉压受力一致的原则进行平台结构设计与计算。拉压杆受力点作为拼装平台工字钢悬臂端加载点，拉压杆截面型心与钢护筒边缘距离30cm，因此拼装平台工字钢悬臂长理论值30cm，考虑实际施工中钢护筒垂直度因素，拼装平台工字钢悬臂端长按50cm 进行计算（见图2）。

图2 拼装平台工字钢加载点

3 拼装平台力学特性分析

3.1 平台有限元分析

采用Midas civil 计算软件对钢吊箱底板、第一节侧板与拉压杆进行建模，以拉压杆顶端作为约束点模拟钢吊箱底板、第一节侧板吊挂工况，并计算出其竖直方向约束反力，将该约束反力加载至工字钢加载点位置进行工字钢计算并选型（见图3）。

图3 钢吊箱受力体系有限元模型

3.2 平台承重构件验算

由拉压杆反力计算结果可知，钢吊箱拼装时，外围12 根钢护筒受力较大，最大值23.8t，中间6 根钢护筒受力较小，中间6 根钢护筒受力最大值2.7t。外围12 根钢护筒上所安装的工字钢按双拼I40a 工字钢进行布置，中间6 根钢护筒上所安装的工字钢按I20a 工字钢进行布置（见图4）。

图4 钢吊箱拼装拼台工字钢布置图

按照《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》取值：Q235 钢材的允许弯曲应力：[σ] ＝145MPa；Q235 钢材的允许剪应力：[τ]＝85MPa。

I40a 工字钢检算：

I40a 工字钢悬臂端长度50cm，悬臂端荷载23.8t，则：

M=F×L=23.8t×0.5m=119kN.m；

Wx=M÷σ=119kN.m÷145MPa=820.6cm3；

拼I40a 工字钢Wx=2172cm3＞820.6cm3，抗弯强度满足要求。

双拼I40a 工字钢抗剪验算：τmax=FS÷bI=3F÷2A= 3×238kN÷（2×0.0172224）=20.73MPa ＜[τ]=85MPa，抗剪强度满足要求。

I20a 工字钢检算：

I20a 工字钢悬臂端长度50cm，悬臂端荷载2.7t，则：

M=F×L=2.7t×0.5m=13.5kN.m；

Wx=M÷σ=13.5kN.m÷145MPa=93.1cm3；

双拼I20a 工字钢Wx=474cm3＞93.1cm3，抗弯强度满足要求。

双拼I20a 工字钢抗剪验算：τmax=FS÷bI=3F÷2A= 3×135kN÷（2×0.0172224）=11.76MPa ＜[τ]=85MPa，抗剪强度满足要求。

4 结论

拼装平台作为钢围堰的组装平台，一方面决定了围堰的拼装精度；另一方面，也是为了提供干作业操作环境。其平台的安全与稳定性起到了至关重要的作用。本文采用了MIDAS/Civil 有限元软件加手算相结合的方式对吊箱围堰的力学特性进行了验算，其强度满足要求。