温州七都大桥北汊桥主墩钢吊箱设计及施工关键技术

许国杰 吴建伟 肖忠诚 王玉涛

(1.上海市基础工程集团有限公司，上海 200433; 2.浙江明康工程咨询有限公司，浙江 杭州 310009)

1 工程概况

1.1 工程概况

温州市七都大桥北汊桥主桥为双塔中央索面叠合梁斜拉桥，主桥总长680 m，主跨360 m，跨径布置为58+102+360+102+58 m，采用五跨连续半漂浮体系，空间密索型布置。主塔采用独柱形式，截面为长圆形变截面设计，塔高118.6 m。主梁采用钢梁与混凝土桥面板组合梁，桥面板宽度37.62 m，梁高(钢箱梁)3.5 m。主桥结构形式图见图1，主塔及承台形式图见图2。

主塔承台采用六边形承台。承台外轮廓尺寸为43.4×26.8 m(横×顺)，厚度为6 m。承台顶面设计标高为+5.9 m，底标高-0.1 m。承台采用C40海工耐久性混凝土，总方量为5 832 m3。承台封底厚度为1.0 m，采用C30混凝土，方量为792 m3。主墩承台平面布置图及立面布置图见图3，图4。

1.2 水文、气象条件

大桥桥位位于瓯江上游，处江面宽约950 m，其中滩涂宽约100 m，桥位处一般水深在4.0 m～10.0 m左右，水深大于5.0 m深槽宽约770 m，最大水深13.2 m左右，两岸桥头地形平坦。桥址断面实测的最大落潮测点流速2.01 m/s，最大涨潮测点流速2.10 m/s，最大潮差为5 m～6 m。百年一遇高潮位为+5.38 m，低潮位为-3.28 m。

年平均降水量在1 300 mm～1 750 mm左右，是浙江省内降水量较多的区域，施工季节正值4月、5月的雨季，最长连续降水日数有18 d～27 d。初夏7月～9月又多台风侵扰，是省内暴雨强度最大的区域之一。

工程区域河水为CI·SO4-Mg型。对混凝土结构为弱～中腐蚀，钢吊箱易长期浸水微腐蚀、干湿交替中腐蚀。

2 钢吊箱设计及计算

2.1 设计方案

根据水文监测，施工期间最高水位(20年一遇)按设计高潮位+4.90 m、最低水位为-3.0 m，平均高潮位为+2.56 m，平均低潮位为-1.99 m。主墩墩位处实测河床标高为-9.1 m～-7.2 m，而承台底标高为-0.1 m，承台处于悬空状态，故需采用有底钢吊箱。封底厚度为1 m，吊箱底面板标高设计为-1.1 m。承台顶标高为+5.9 m，吊箱顶标高设计为+6.0 m。对吊箱承受的水流力、混凝土浇筑侧压力等的验算，确定钢吊箱的壁厚为1.2 m[1]。

根据上述承台形式、水文条件、施工方式等因素，确定主墩承台采用有底钢吊箱，总平面尺寸为45.8 m(长)×29.2 m(宽)，总高度7.1 m，壁厚1.2 m。钢吊箱结构主要由侧板系统、底板系统、内支撑系统、下放系统和固定系统五部分组成[2]。侧板系统重量约217.6 t，底板系统重量约169.4 t，内支撑约24.6 t，固定钢板、下吊点、固定钢板等18.8 t，共计约432.1 t。钢吊筒结构示意图见图5，实体图见图6。

2.2 侧板系统

侧板系统包括面板、加劲肋、水平环板、水平桁架和钢箱，面板与加劲肋、水平环板以及水平桁架通过焊接连接[3]。侧板高6.5 m，厚度为1.2 m。内外面板采用6 mm厚钢板，面板竖向加劲肋采用[8槽钢，横向间距为35 cm；水平环板采用12 mm厚钢板，竖向间距为100 cm或125 cm，水平桁架采用双拼[8槽钢，八字形布置；钢箱布置在内支撑处，主要为12 mm环板和10 mm竖向加劲板。侧板单位面积重量为267 kg/m2。侧板结构图见图7。

2.3 底板系统

底板系统自上往下由主梁、次梁、加劲肋以及钢面板组成。钢吊箱底板主梁HN600×200×11×17型钢，次梁为HN350×175×7×11型钢，加劲肋为Ⅰ25a工字钢和∠100×80×8角钢，底板面板采用8 mm厚钢板。底板单位面积重量为213 kg/m2。吊箱采用底包侧的形式，底板边缘支撑侧板位置，钢面板位于主梁顶面。其余部位，钢面板位于主梁底面。底板主梁与封底混凝土浇筑在一起，形成整体。底模边缘HN350下侧通过外套板包围，用于止水。底板结构图见图8。

2.4 内支撑系统

本吊箱共设置6道内支撑，支撑长度为26.8 m和17.9 m，内支撑采用φ700×10钢管，内支撑中心标高为+5.0 m，在吊箱组拼成整体后焊接。底板、侧板和内支撑，形成一个稳定的结构。钢管两段支撑在侧板钢箱上，支撑与钢箱加垫厚钢板，防止应力集中。主墩承台第一次浇筑完成后，将钢管内支撑拆除。

2.5 下放系统

在吊箱组拼完成后进入下放阶段，底板系统通过下放系统改善受力[4]。下放系统组成部件为φ2.8 m桩基钢护筒、双拼Ⅰ56工字钢扁担梁(见图9)、10套100 t级千斤顶、钢绞线、底板主梁下放吊点。

利用桩基钢护筒顶部，开口放置双拼Ⅰ56工字钢，工字钢与钢护筒壁采用梯形筋板焊接加固。钢绞线采用抗拉强度1 570 MPa的15.2 mm钢绞线，每个吊点分别设置7束或9束钢绞线，对称布置左旋和右旋钢绞线。下放吊点采用马凳结构外包门字形钢板加劲。马凳立板采用2 cm钢板，水平钢板采用4 cm厚钢板，外侧采用钢板加劲，9孔锚具锚固在厚钢板上，吊点结构与底板主梁焊接(见图10)。10个吊点中，受力最大的吊点力为47.6 t。下放千斤顶采用连续液压千斤顶，10套系统有一台计算机控制。

2.6 固定系统

为了承受吊箱在高潮位时的抗浮能力，以及承受封底混凝土和第一次打设混凝土的所有重量，钢吊箱采用固定系统(钢板)使吊箱与钢护筒之间进行连接，传递吊箱自重、封底混凝土、第一次打设承台混凝土自重至钢护筒[5]。

固定钢板尺寸为400 mm×200 mm(H600型钢上端)和400 mm×175 mm(H300型钢上端)，厚度均为20 mm。一个护筒四周焊接4块400 mm×200 mm钢板和4块400 mm×175 mm钢板，总共232块固定钢板。

2.7 计算工况及结果

根据施工流程分析，钢吊箱底板、侧板和内支撑受力不利工况主要为[6,7]：

1)钢吊箱组拼完毕后整体下放状态，吊箱底板受力、变形和吊点受力；

2)钢吊箱下放到位与钢护筒固定后，浇筑封底混凝土0.6 m和1.0 m厚时，钢吊箱底板和固定系统的受力和变形；

3)封底混凝土强度达到设计要求后，吊箱内完成抽水时，吊箱侧壁和内支撑的受力和变形；

4)承台第一层混凝土浇筑阶段，吊箱和内支撑的受力和变形；

5)承台第二层混凝土浇筑阶段，吊箱和内支撑的受力和变形。

针对上述五种不利工况，对钢吊箱结构进行计算，结果为底板、侧板、内支撑、固定系统各型钢或钢板受力及变形符合要求，并保证安全系数。

3 钢吊箱施工中的关键技术环节

3.1 钢吊箱加工制作

在钢吊箱制作场地内设置1台10 t龙门吊和1台50 t履带吊用于原材料及半成品的吊装。

考虑到栈桥宽度、运输车载重以及起重设备性能，钢吊箱底板分为8块制作，平整场地上进行底板放样，铺设底板钢板，依次安装HN600型钢主梁、HN350次梁、Ⅰ25a工字钢次梁、∠100×80×8角钢，底板面板上焊接与主梁和次梁进行焊接。结合钢护筒实际位置进行底板面板开洞，钢护筒在标高+5.0和标高-1.1的两圆在钢吊箱底板上的投影面积为底板开洞的最小面积，进行适当放大。底板所有材料焊接成整体后，进行焊接加强，特别是最外侧主梁、次梁和钢板的部位必须满焊，防止江水浸入[8]。

钢吊箱侧板分为24块，共7种类型。直线段侧板依次进行面板铺设、水平环板、竖向加劲板、水平加劲桁架焊接。圆弧段在定制胎架制作，圆弧型壁体需制作角度靠模，以保证制作精度。侧板制作时按每1.5 m加放1 mm收缩量配料，另外再加放50 mm长度余量。为防止封底期间内外水头差过大，于钢吊箱侧板上下游方向分别设置1根连通管。

钢吊箱内支撑采用φ700×10 mm钢管，钢吊箱侧板现场拼接完毕后，焊接内支撑与侧板连接，内支撑焊对准钢箱焊接。

3.2 钢吊箱现场拼装

主墩钻孔桩全部施工完后，拆除承台范围内平台结构，保留承台四周栈桥及平台。根据潮位，于钢护筒+4.5 m标高横穿双拼Ⅰ25工字钢作为吊箱拼装平台，拼装之前需对焊设在钢护筒上的所有拼装平台型钢的高程进行二次精确复测调控，并在钢牛腿上测设出壁体的理论外廓线和装配定位线[9]。

分块制造完成并验收及检测合格后，采用运输船或者平板车运输车运输至主墩平台。采用履带吊吊装、人工配合分节分块安装钢吊箱底板、侧板和内支撑，完成钢吊箱整体拼装并验收合格后，开始进行钢吊箱下放工序[10]。

3.3 钢吊箱整体下放

钢吊箱下放采用10台100 t千斤顶同步下放，下放前先用千斤顶提升钢吊箱，使其脱离平台30 cm高度。钢吊箱重量由拼装平台转移至钢护筒顶部千斤顶承受，完成第一次受力体系转换(见表1)。

表1 10台千斤顶受力统计表

钢吊箱下放利用落潮时段缓慢进行下放，始终保持钢吊箱底高于水面约30 cm～50 cm，尽量控制吊箱内无水状态。钢吊箱内上下游各一根钢护筒外侧分别焊接一根Ⅰ20a工钢，作为下放导向。10台下放千斤顶由电脑同步控制，观察每个千斤顶下放长度，相邻吊点之间的高差在5 cm以内，整个吊箱总体偏差不超过20 cm，出现偏差较大则及时调整钢吊箱姿态[11](见图11)。

在钢吊箱下放到位后，于低潮位期间安排多人焊接固定钢板，将吊箱重量由千斤顶转移至钢护筒承受，完成第二次受力体系转换。

3.4 钢吊箱封底施工

钢吊箱封底混凝土为C30混凝土，总厚度为1.0 m，总方量约792 m3。根据对潮汐的调查，封底采用分层分仓干封底形式，第一层分三仓分别浇筑0.7 m厚混凝土，第二层整体浇筑0.3 m厚混凝土并找平。

根据桥址潮位情况(封底期为农历初七、初八、初九)[12]，潮位为小潮汐，最低潮位为-2.3 m，从落潮时-1.1 m的标高至涨潮时-1.1 m的标高约4 h。第一次封底混凝土划分，横桥向以吊箱底板主梁为间隔分为三仓。每仓混凝土约182 m3，191 m3，182 m3，施工平台可布置的泵车数量为2台，1台泵车每小时可泵送35 m3～40 m3混凝土，4 h浇筑量达到280 m3～320 m3，可以满足要求。

分仓混凝土浇筑，浇筑开始时间为落潮至仓内剩余5 cm水位后即可进行，两台泵车分别从上下游两侧向中间浇筑。由于瓯江水含泥量较高，潮水退去后仓内存在较多的淤泥，浇筑过程中，混凝土挤压淤泥往中间跑，在钢护筒周边封闭环上留有排泥孔，确保淤泥都从排泥孔中流出。封底混凝土采用普通C30混凝土，坍落度控制在120 mm～140 mm，和易性要求好。第一仓浇筑完成后，江水仍可以通过其余两仓进入吊箱内。待后续落潮期分别进行第二仓和第三仓封底混凝土浇筑。第一层共三仓封底混凝土浇筑完毕其混凝土养护72 h后，低潮位时封堵吊箱侧板连通孔，并进行封底混凝土清洗。

第二层一次性浇筑0.3 m厚混凝土并找平，总方量为237 m3。浇筑完成后，注入自来水进行养护，待强度达到后，方可进行后续施工。

4 存在的问题和解决措施

1)钢吊箱现场拼装，侧板钢面板采用双面焊接，底板钢面板采用单面焊接，侧板和底板拼接处必须满焊，对现场临水面的焊缝进行检测，防止出现漏水现象。在满足吊装和运输要求的情况下，可适当减少分块数量。

2)钢吊箱下放采用10个吊点同步下放，根据10台千斤顶的受力统计，中间两个点受力较小，因此可进一步优化吊点布置，8台～9台千斤顶即可满足下放要求。

3)瓯江水含泥量大，封底过程中须注意仓内淤泥，易影响封底混凝土质量。封底过程中，可采用水泵吸泥外排，加快仓内淤泥外排。第一层封底混凝土浇筑养护后，排水清洗，发现钢吊箱边缘处存在少数渗水点，可采用堵漏王进行封堵，避免出现渗水点扩张。

4)通过对潮位的调研分析，选用分层分仓干封底的形式，而不采用常规水下封底的形式，确保了封底混凝土的质量。同时也考验材料供应、现场组织、设备维护等方面的能力，施工过程中避免出现混凝土浇筑中断的现象。

5 结语

温州市七都大桥北汊桥工程主墩钢吊箱结构体量庞大，施工环境复杂，影响施工方案实施的因素多。合理的结构设计和细部优化，确保钢吊箱受力明确，结构整体刚度和稳定性高，模型计算结果与实际情况相符合。

钢吊箱施工采用后场分块制作，现场拼装的安装方式，采用10台连续液压千斤顶同步下放的施工方法，操作安全简便，经济高效，可靠度高。利用低潮位期间，分层分仓进行干封底施工，极大地保证了封底混凝土的质量。在完成承台第一次浇筑后，钢吊箱安全度过所有不利工况。钢吊箱制作、安装、下放、封底，于三个月时间内顺利完成，也为后期承台、主塔施工夯实了基础。