海域高桩承台钢吊箱结构设计

赵 冉，陈森泉

（1.中交二航局第二工程有限公司，重庆 401121；2.中铁建港航局第四工程分公司，重庆 401121）

钢吊箱作为桥梁承台施工的辅助措施目前已经被广泛应用[1]。大尺寸钢吊箱施工工艺较多，且在海域区受波浪力及水流流速的影响下，钢吊箱施工风险较大。因此如何在复杂施工环境的影响下设计出安全合理的钢吊箱存在较大困难。故以东雷高速通明海特大桥引桥32#墩为背景，对海域高桩承台有底钢吊箱各构件及封底混凝土应力进行详细的验算分析。

1 工程概况

通明海特大桥主桥桥跨布置为（146+338+146）m，桥型为钻石型索塔斜拉桥。桥址位于深水区，且常年受风浪影响。引桥32#墩承台尺寸较大，基础采用承台+群桩基础。承台为圆端形承台，承台尺寸为30.75 m（长）×9 m（宽）×3 m（高）。承台基础采用12根直径为2.0 m的钻孔灌注桩。承台分层浇筑，第一层浇筑高度为1 m，第二层浇筑高度为2 m。结合现场施工条件，承台采用单壁钢吊箱施工工艺。

2 设计条件

钢吊箱顶标高+6.7 m；承台顶标高+3.0 m；承台底标高+0.0 m；封底砼底标高-1.0 m；封底砼厚度1.0 m；设计高潮位+4.5 m，设计低潮位-1.0 m；常水位+1.5 m；水流速度V=0.44 m/s；下放期波浪H=0.7 m，T=4.1 s；施工期波浪H=1.1 m，T=4.1 s；台风期波浪H=4 m,T=4.1 s；护筒外径2.2 m；封底砼握裹力120 kPa；封底砼浮容重14 kN/m3，封底砼干容重24 kN/m3；承台砼干容重25 kN/m3；钢材容重78.5 kN/m3；封底砼强度等级C25。

3 设计概况

钢吊箱不仅作为承台施工时的挡水结构，还作为浇筑承台混凝土时的模板结构[2]。钢吊箱结构主要有壁板、底板、内支撑、下放系统组成。钢吊箱内轮廓尺寸为承台结构尺寸，吊箱壁体总高度为7.7 m，竖向不分节，壁体共分12块。壁体各单元块间通过螺栓连接，底板不分块，焊接连接。钢吊箱内部竖向设置二道钢管支撑。为下放钢吊箱及防止钢护筒偏位，底板需在钢护筒位置处预留孔洞，开孔尺寸比护筒半径大15 cm[3]。沿钢护筒周长设置2[14拉压杆。钢吊箱采用穿心千斤顶下放施工工艺。钢吊箱施工流程：钢吊箱制作、拼装→下放、定位钢吊箱→安装拉压杆→浇筑封底混凝土→抽水→浇筑第一层承台→浇筑第二层承台→拆除壁体。

钢吊箱壁体结构：壁板8 mm钢板，壁体次梁HN150×75，壁体主梁 HN300×150，围檩 HM588×300，内撑Φ800×12；底板结构：底板6 mm钢板，底板次梁HN175×90，壁体主梁HN350×175，拼接槽钢轻型[36，拉压杆2[14。壁体内周长76.92 m，钢吊箱内面积274.82 m2，钢护筒总面积：75.36 m2封底混凝土总面积237.14 m2。钢吊箱构件均采用Q235B材料。

钢吊箱平面及立面布置图见图1、图2。

图1 钢吊箱平面布置图（尺寸单位：mm）

图2 钢吊箱立面布置图（尺寸单位：mm）

4 荷载及工况分析

4.1 荷载计算

结合施工工艺及现场施工条件，为确保结构具有较高的可靠性，钢吊箱在设计计算时主要考虑以下几种荷载：吊箱自重、混凝土荷载、静水压力、水流力、波浪力。静水压力垂于吊箱壁体，呈三角形分布[4]；水流力垂直于吊箱壁体，近似取均布荷载考虑；波浪力垂直于吊箱壁体，近似取梯形荷载考虑。

静水压力为p=γwh。根据《港口工程荷载规范》[5]计算，查得Cw=1.1，作用于钢吊箱上的水流力荷载标准值

根据《港口与航道水位规范》[6]计算作用于钢吊箱上的波浪力如下：下放期潮位+2.8 m，波浪H=0.7 m，T=4.1 s时，水深6.3 m，吊箱吃水深度3.8 m，水面处的波浪力强度为7.00 kPa，静水面以上0.75 m处波浪力为0；施工期低潮位-1.0 m，波浪H=1.1 m，T=4.1 s时，水深2.5 m，吊箱吃水深度0 m，水面处的波浪力强度为9.63 kPa，吊箱底波浪力强度为9.63 kPa，静水面以上1.1 m处波浪力为0；施工期高潮位+4.5 m，波浪H=1.1 m，T=4.1 s时，水深8.0 m，吊箱吃水深度5.5 m，水面处的波浪力强度为11.19 kPa，吊箱底波浪力强度为5.52 kPa，静水面以上1.2 m处波浪力为0；渡台期低潮位-1.0 m，波浪H=4.0 m，T=4.1 s时，水深2.5 m，吊箱吃水深度0 m，水面处的波浪力强度为39.98 kPa，吊箱底波浪力强度为39.98 kPa，静水面以上7.6 m处波浪力为0；渡台期高潮位+4.5 m，波浪H=4.0 m，T=4.1 s时，水深8.0 m，吊箱吃水深度5.5 m，水面处的波浪力强度为39.12 kPa，吊箱底波浪力强度为19.6 kPa，吊箱顶波浪力强度为25.03 kPa。

吊箱底板的波托力或波吸力取吊箱壁体侧面波压力在吊箱底部处的波浪力值。

4.2 工况分析

根据钢吊施工工艺考虑以下7个工况：钢吊箱下放工况、下放到位工况、浇筑封底混凝土工况、抽水工况、第一层承台浇筑工况、第二层承台浇筑工况、台风工况。

1）工况1：钢吊箱下放工况。钢吊箱壁体及底板在墩位处整体拼装，采用穿心千斤顶与钢绞线配合整体同步下放，下放千斤顶拟采用8个吊点。下放前在钢护筒顶部布置下放承重架，在壁体上焊接下放挂腿。本工况计算吊箱下放至水面+2.8 m时，在自重和波吸力作用下底板结构应力。

2）工况2：钢吊箱下放到位工况。钢吊箱下放到位后，在未安装拉压杆之前，结构受力最不利。本工况计算吊箱下放到位后，在施工期高潮位+4.5 m，H=1.1 m最不利情况下壁体各构件的应力。

3）工况3：浇筑封底混凝土工况。全部拉杆安装后，低潮位割除下放挂腿，拆除下放系统，安装钢吊箱底板与钢护筒间的抱箍，防止混凝土淌漏。抱箍安装完成后，选择低潮位焊接剪力牛腿，准备浇筑1 m厚封底混凝土。本工况计算在施工期低潮位-1.0 m，H=1.1 m最不利情况下，浇筑封底混凝土时，钢吊箱底板结构各构件和拉压杆的安全性。

4）工况4：抽水工况。封底混凝土达到设计强度后，钢吊箱内抽水，割除封底外部的拉压杆、钢护筒，清理桩头，在吊箱内部形成干施工工作环境。本工况计算在施工期高潮位+4.5 m，H=1.1 m最不利情况下抽水，壁体各构件的应力。

5）工况5：浇筑第一层承台工况。封底混凝土达到设计强度后，浇筑第一层承台（1.0 m）。本工况在施工期低潮位-1.0 m，H=1.1 m最不利，主要验算封底混凝土的应力及封底与钢护筒的握裹力。封底混凝土顶面由承台混凝土产生的竖向压力及侧向压力荷载25 kN/m2。

6）工况6：浇筑第二层承台。待第一层承台混凝土达到设计强度后，绑扎第二层承台钢筋，浇筑第二层承台混凝土（2.0 m）。本工况在施工期低潮位-1.0 m，H=1.1 m最不利，主要验算壁体各构件应力及第一层承台的承载力。第一层承台顶面由浇筑混凝土产生的竖向压力荷载50 kN/m2。

7）工况7：台风工况。台风期H=4.0 m。本工况在钢吊箱封底浇筑完成，拉压杆割除后高潮位+4.5 m遭遇台风时最不利。主要验算壁体各构件应力和封底混凝土的应力。

5 结构计算

利用Midas Civil软件整体建模计算，采用整体结构加荷载的形式对钢吊箱结构的强度进行计算，整体模型见图3。

图3 钢吊箱整体模型图

模型中壁体面板及底板面板为板单元，壁体主次梁、底板主次梁、围檩及拉压杆均为梁单元，内撑为桁架单元，混凝土为实体单元。材料自重及各种荷载的荷载系数均由软件计入，工况1及工况2约束吊点位移，工况3拉压杆与钢护筒焊接处固结，工况4、工况5及工况7封底混凝土与钢护筒接触面固结。工况6封底混凝土与钢护筒接触面固结、承台与钢护筒接触面固结。根据《钢结构设计标准》规定，钢吊箱各构件采用以概率理论为基础的极限状态设计方法计算[7]。

钢吊箱各构件最不利计算结果统计见表1。

根据上述计算结果可知：底板面板的组合应力最大，其值为150.8 MPa，小于钢材的组合强度设计值f=215 MPa；围檩HM588的剪应力最大，其值为35.8 MPa，小于钢材的抗剪强度设计值fv=125 MPa；封底混凝土最大拉压应力1.0 MPa小于1.78 MPa，最大压应力0.9 MPa小于16.7 MPa，均在安全范围内；钢护筒最大反力为1430 kN（压力），最大握裹力为227.7 kPa大于120 kPa，故需设置剪力牛腿增大钢护筒握裹力承载能力。单根钢护筒上剪力牛腿需承担剪力V=1430-2×1×120π=676.46 kN，共设置15块肋板传递剪力，单个肋板焊缝剪应力，小于角焊缝的抗剪强度设计值ffw= 160 MPa，故剪力牛腿满足设计要求。

表1 钢吊箱各构件计算结果统计

6 结语

为保证钢吊箱结构满足施工要求，设计和施工时还需注意以下事项：

1）钢吊箱下放及浇筑封底混凝土时均应选取在风平浪静、水流力较小的良好天气条件下进行，避开最不利设计条件增加结构安全性。

2）浇筑封底混凝土过程中须保持连通器打开，以保证吊箱内外水位保持一致，避免吊箱受拉。

3）浇筑封底混凝土前应清除钢护筒表面及底板上的淤泥和杂物，增强封底混凝土的握裹力。

目前32#承台钢吊箱已顺利施工完成，整个过程基本可控，经实际工程检验，证明了该吊箱结构设计安全可靠，可为今后类似吊箱设计提供参考。