尤田，郭佳嘉

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040）

0 引言

作為水中承臺(tái)施工的重要阻水結(jié)構(gòu)，圍堰為承臺(tái)施工創(chuàng)造了干作業(yè)的施工環(huán)境，目前用于橋梁承臺(tái)基礎(chǔ)施工的圍堰類型主要包括：土石圍堰、鋼板樁圍堰、鎖扣鋼管樁圍堰、套箱圍堰、吊箱圍堰等[1-3]。各種圍堰類型均有其適用性，其中吊箱圍堰帶有底板主要用于高樁承臺(tái)，隨著我國(guó)跨海大橋的修建不斷增多，涉及深水高樁承臺(tái)施工項(xiàng)目也在不斷變多，導(dǎo)致了吊箱圍堰的材料類型和結(jié)構(gòu)形式也變得越來(lái)越多[4-5]。徐啟利[6]對(duì)平潭海峽公鐵大橋通航孔橋橋塔墩圍堰進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一種雙壁鋼吊箱圍堰，利用主體防撞箱作圍堰側(cè)板，并增加底板、系梁桁架、單壁隔倉(cāng)、內(nèi)支撐等施工結(jié)構(gòu)，以節(jié)省造價(jià)；宋書(shū)東等[7]對(duì)深中通道西人工島岸壁的主體結(jié)構(gòu)鋼圓筒進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一種鋼材與鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)的圓筒圍堰方案來(lái)取代鋼結(jié)構(gòu)圓筒，其應(yīng)用結(jié)果表明組合結(jié)構(gòu)圓筒圍堰方案可靠性高且成本較低；黃劍鋒[8]對(duì)港珠澳大橋淺水區(qū)非通航孔橋無(wú)內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的雙壁鎖口鋼套箱圍堰進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，把圍堰設(shè)計(jì)成可拆裝式結(jié)構(gòu)，并用有限元軟件對(duì)其施工過(guò)程中的位移及應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果表明圍堰在施工過(guò)程中受力安全、結(jié)構(gòu)合理。為了進(jìn)一步豐富高樁承臺(tái)圍堰的結(jié)構(gòu)形式，提高工程質(zhì)量和作業(yè)工效、降低工程成本、減少施工安全風(fēng)險(xiǎn)，本文依托寧波舟山港主通道（魚(yú)山石化疏港公路）公路工程的某標(biāo)段，對(duì)該項(xiàng)目高樁承臺(tái)采用基于裝配化設(shè)計(jì)的新型組合吊箱圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。

1 工程概況

寧波舟山港主通道（魚(yú)山石化疏港公路）公路工程主線起于富翅互通，接甬舟高速，跨越富翅門(mén)水道，登陸后設(shè)岑港互通，全長(zhǎng)27.969 km。其中DSSG02標(biāo)起點(diǎn)樁號(hào)為K13+000，終點(diǎn)樁號(hào)為K18+345，里程長(zhǎng)度5.345 km，主要包含南通航孔橋（半座）、南非通航孔橋、長(zhǎng)白互通三大部分。橋址區(qū)位于浙江東北部沿海海域，施工所在地氣象條件惡劣，受季風(fēng)、臺(tái)風(fēng)及降水影響大。該標(biāo)段橋梁下部結(jié)構(gòu)施工為本項(xiàng)目施工關(guān)鍵線路，進(jìn)度安排相對(duì)緊迫，機(jī)械設(shè)備、材料和半成品構(gòu)件均需通過(guò)船舶運(yùn)輸。其中南非通航孔橋共計(jì)105個(gè)啞鈴形斜樁承臺(tái)，承臺(tái)數(shù)量較多且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此為了提高承臺(tái)施工效率，節(jié)約成本，保障安全，本文對(duì)承臺(tái)施工中對(duì)施工效率和成本影響較大的吊箱圍堰的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行研究。

2 吊箱圍堰底板方案研究

由于本工程同類型承臺(tái)數(shù)量多，承臺(tái)施工中吊箱圍堰的選型對(duì)本項(xiàng)目施工進(jìn)度、成本、質(zhì)量的控制以及安全管理都起到非常關(guān)鍵的作用。考慮到吊箱圍堰的壁體結(jié)構(gòu)形式相對(duì)固定，因此吊箱圍堰的選型關(guān)鍵在于底板，對(duì)于本工程吊箱圍堰底板的選型主要有4種設(shè)計(jì)方案，結(jié)合結(jié)構(gòu)自重、施工工效、安全風(fēng)險(xiǎn)及工程造價(jià)等方面對(duì)4種吊箱圍堰底板方案進(jìn)行比選，見(jiàn)表1、表2。

表1 吊箱圍堰底板的選型方案對(duì)比Table 1 Comparison of selection scheme of bottom plate of hanging box cofferdam

表2 單個(gè)吊箱圍堰材料用量及工程造價(jià)對(duì)比Table 2 Comparison of material consumption and project cost of single hanging box cofferdam

為了方便比較費(fèi)用，應(yīng)考慮底板回收后還可以周轉(zhuǎn)使用，單個(gè)可回收底板按重復(fù)使用7次，單次回收率按90%來(lái)估算。吊箱圍堰材料單價(jià)（含原材料+制作+安裝費(fèi)用）如下：鋼結(jié)構(gòu)為7500元/t，C35混凝土總單價(jià)可參考投標(biāo)價(jià)格按620元/m3考慮。由于部分混凝土底板可以作為C20封底混凝土來(lái)計(jì)量，該部分混凝土的實(shí)際成本應(yīng)扣除可計(jì)量部分，底板混凝土單價(jià)調(diào)整為620-120=500元/m3。

可見(jiàn)，單個(gè)橋墩采用方案2費(fèi)用最高，采用方案3和方案4費(fèi)用相當(dāng)，約為方案1的80%，且方案4的結(jié)構(gòu)自重比方案3減少了33.7%，結(jié)構(gòu)較為輕巧。綜合以上因素考慮，采用方案4的新型梁板式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)底板更優(yōu)。

3 新型圍堰裝配化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)優(yōu)化底板的新型組合吊箱圍堰由鋼結(jié)構(gòu)的壁體、挑梁、吊桿、鋼支撐以及梁板式鋼筋混凝土的底板結(jié)構(gòu)組成[9]。圍堰壁體設(shè)計(jì)成可拆裝式結(jié)構(gòu)，分別由2塊壁體一、4塊壁體二和2塊壁體三分塊加工而成，各分塊之間采用螺栓+榫頭式鎖口連接成整體，見(jiàn)圖1。單塊壁體結(jié)構(gòu)均采用14的環(huán)向次梁以及HN400×150的環(huán)向主梁2與HN 350×175的縱梁交叉焊接于8 mm壁板上作為內(nèi)模板，采用HM588×300的環(huán)向主梁1與縱梁焊接于模板外側(cè)作為主要支撐梁系，內(nèi)側(cè)采用φ426×6的鋼管作為鋼支撐，各側(cè)壁板之間用2排M20螺栓連接。

圖1 圍堰壁體及支撐結(jié)構(gòu)平面布置圖（cm）Fig.1 Layout of cofferdam wall and support structure(cm)

底板采用混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40的梁板式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，同等荷載情況下，結(jié)構(gòu)更加輕巧，受力更加明確。底板板厚為10 cm，考慮到鋼管樁施工誤差，為確保吊箱順利下放，將底板沿鋼管樁投影面域外擴(kuò)20 cm。底板主梁高30 cm，寬20 cm，為防止底板主梁因鋼管樁阻擋被截?cái)?，底板主梁沿鋼管樁四周分別呈環(huán)狀和輻射狀布置，并在承臺(tái)系梁位置設(shè)置3根主梁將2個(gè)圓形底板梁連成整體，見(jiàn)圖2?？紤]到設(shè)計(jì)低潮位低于底板位置，為避免封底混凝土澆筑過(guò)程中由于吊箱內(nèi)外水頭差的變化而導(dǎo)致封底混凝土離析，底板上設(shè)置有連通器。底板在吊桿對(duì)應(yīng)位置設(shè)置焊接預(yù)埋件，通過(guò)吊桿將底板與挑梁連接成整體；底板與壁體結(jié)構(gòu)相連位置設(shè)置環(huán)向封邊槽鋼，確保壁體和底板密貼，滿足止水要求。壁體與底板之間采用對(duì)拉鋼筋連接，同時(shí)為避免接觸面出現(xiàn)滲漏，接觸面連接縫處夾塞5 mm厚的膨脹型止水條防止?jié)B水。

圖2 梁板式鋼筋混凝土底板結(jié)構(gòu)布置示意圖（cm）Fig.2 Reinforced concrete floor structure layout diagram(cm)

底板沿鋼管樁切向和徑向分別布置有強(qiáng)度等級(jí)為HRB400的受力鋼筋，鋼筋直徑為8 mm，局部位置采用直徑為12 mm的鋼筋補(bǔ)強(qiáng)，并在開(kāi)孔處采用拉筋補(bǔ)強(qiáng)，考慮到結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，本文僅列出1/3區(qū)域的配筋圖，見(jiàn)圖3。

圖3 鋼筋混凝土底板配筋示意圖（cm）Fig.3 Reinforcement diagram of reinforced concrete bottom plate(cm)

吊點(diǎn)設(shè)置在挑梁上，為提高圍堰的安拆工效和施工精度，挑梁與壁體結(jié)構(gòu)采用法蘭連接，吊桿與挑梁采用銷軸連接，采用對(duì)拉鋼筋將壁體結(jié)構(gòu)與底板連成整體，見(jiàn)圖4。承臺(tái)澆筑時(shí)，設(shè)置厚度為0.8 m的C25封底混凝土，封底混凝土無(wú)配筋，依托封底混凝土與鋼管樁之間的握裹力將承臺(tái)施工的荷載傳遞至鋼管樁上。

圖4 組合吊箱圍堰結(jié)構(gòu)斷面圖Fig.4 Structure section of composite hanging box cofferdam

4 組合圍堰結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 有限元模型及計(jì)算工況

為分析新型梁板式鋼筋混凝土底板圍堰施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的受力狀況，運(yùn)用大型通用有限元軟件ANSYS分工況建立有限元模型，為有效保證計(jì)算精度，模型中單元及網(wǎng)格劃分長(zhǎng)度均小于0.3 m，模型共84728個(gè)節(jié)點(diǎn)，147946個(gè)單元，吊箱圍堰對(duì)應(yīng)構(gòu)件的單元類型及力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。主要分4種工況進(jìn)行計(jì)算，各工況有限元模型見(jiàn)圖5。

表3 吊箱圍堰對(duì)應(yīng)構(gòu)件的單元類型表Table 3 Element library of the hanging box cofferdam's component

圖5 各工況下的有限元模型Fig.5 Finite element model under various working conditions

4種工況分別為：

工況1：整體起吊下放工況。該工況分2組鋼絲繩起吊，每組鋼絲繩用吊具與4根鋼絲繩相連，4根鋼絲繩通過(guò)卸扣與挑梁的吊耳連接，見(jiàn)圖5（a）。

工況2：澆筑封底混凝土工況。該工況主要驗(yàn)證封底混凝土澆筑時(shí)底板、吊桿和挑梁的承載力。澆筑前鋼管樁頂口設(shè)置墊塊，挑梁落在鋼管樁墊塊上，完成結(jié)構(gòu)的體系轉(zhuǎn)換，有限元模型通過(guò)將鋼管樁底端固結(jié)，并將挑梁與鋼管樁的接觸節(jié)點(diǎn)和鋼管樁頂口節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合來(lái)模擬該工況的邊界條件[10]，見(jiàn)圖5（b）。

工況3：承臺(tái)澆筑工況。該工況主要驗(yàn)證承臺(tái)澆筑時(shí)封底混凝土的承載力及與鋼管樁之間的握裹，見(jiàn)圖5（c）。

工況4：極端工況。該工況主要驗(yàn)證封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，在現(xiàn)場(chǎng)極端風(fēng)浪作用下的承載力，見(jiàn)圖5（c）。

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)計(jì)算后，對(duì)應(yīng)的每種工況的最大應(yīng)力和變形統(tǒng)計(jì)如表4所示，從計(jì)算結(jié)果中可以看出整體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力出現(xiàn)在壁板及鋼支撐處，分別達(dá)到了89.8 MPa、82.8 MPa，均小于規(guī)范允許的最大應(yīng)力210 MPa；結(jié)構(gòu)最大變形發(fā)生在壁板及縱梁區(qū)域，分別達(dá)到了1.8 mm、1.7 mm，也均小于規(guī)范允許的最大變形75 mm。其中工況2作用下梁板式鋼筋混凝土底板的最大拉應(yīng)力為0.37 MPa，最大變形為1.6 mm，也均小于相關(guān)規(guī)范的要求，因此圍堰及封底混凝土結(jié)構(gòu)的最大位移及最大應(yīng)力均滿足結(jié)構(gòu)安全及使用功能要求。

表4 壁體各構(gòu)件位移及應(yīng)力匯總表Table 4 Summary of displacement and stress of each component of the cofferdam wall

5 裝配化施工關(guān)鍵技術(shù)

新型的組合吊箱圍堰壁體結(jié)構(gòu)在工廠分塊加工后運(yùn)至臨時(shí)碼頭，底板結(jié)構(gòu)在臨時(shí)碼頭上整體澆筑，在臨時(shí)碼頭上將吊箱圍堰拼裝成整體后通過(guò)浮吊吊裝至駁船，然后經(jīng)駁船運(yùn)至安裝現(xiàn)場(chǎng)，最后采用浮吊整體吊裝下放安裝到位[10]，如圖6所示。封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，在承臺(tái)澆筑前，解開(kāi)吊桿的銷軸，割除吊桿，解開(kāi)挑梁與壁體結(jié)構(gòu)的法蘭，從而拆除挑梁。待承臺(tái)澆筑完成后，通過(guò)松開(kāi)與壁體結(jié)構(gòu)和底板相連的對(duì)拉鋼筋，松擰壁體分塊間的螺栓，即可完成壁體結(jié)構(gòu)的分塊拆除[10]。

圖6 裝配化現(xiàn)場(chǎng)施工圖Fig.6 The site construction drawing of assembly

6 結(jié)語(yǔ)

目前該工程使用新型的組合圍堰結(jié)構(gòu)對(duì)承臺(tái)基礎(chǔ)的施工已順利完成并達(dá)到了預(yù)期效果，施工過(guò)程中證明了新型組合吊箱圍堰具有工程造價(jià)相對(duì)較低、方便拆裝、受力明確、結(jié)構(gòu)整體性好等特點(diǎn)。在降低了施工風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，大幅度地提高了施工工效，減輕了項(xiàng)目的工期壓力，特別適用于跨海大橋同類型承臺(tái)較多的高樁承臺(tái)施工，該新型組合圍堰的結(jié)構(gòu)形式及裝配化施工方法也可為后續(xù)類似工程承臺(tái)基礎(chǔ)施工提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。