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九江长江公路大桥双壁整体式钢吊箱设计

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l58 公 路 与 汽 运 Highways&Automotive Applications 第4期 2011年7月 九江长江公路大桥双壁整体式钢吊箱设计 费伦林 ,邓江维 ,江祥林。 (1.江西省高速公路投资集团有限责任公司,江西南昌 330025;2.江西省高速公路投资集团 有限责任公司温沙管理处,江西南昌 330096;3.江西省交通厅科学研究院,江西南昌 330038) 摘要:随着跨江、跨河、跨海湾特大型桥梁建设的快速发展,桥梁深水基础越来越平常化,而作 为深水施工临时止水结构的钢吊箱对深水基础施工起着至关重要的作用。文中对丸江长江公路 大桥北主塔22 主墩承台钢吊箱设计与施工关键技术进行了研究。 关键词:桥梁;深水承台;钢吊箱;设计与施工 中图分类号:U443.25 文献标志码:A 文章编号:1671--2668(2011)O4一O158一O7 九江长江公路大桥处于长江中下游,是国家发 改委规划确定的7O座长江过江通道之一,为规划的 “五纵七横”国道主干线北京至福州中的关键工程, 也是7918高速公路网福州至银川主线的重要组成 斜拉桥(长江两岸大堤间距2.23 kin),在同类型斜 拉桥中其主跨居“世界第六、国内第四”。北塔22 主墩采用哑铃形承台,横桥向总宽度82 m,圆形部 分直径30 m,承台高8 ITI,系梁宽14 1TI。承台的每 个圆形部分布置19根桩基,系梁下布置5根,承台 下共布置43根直径2.5 1TI、长88 1TI的钻孑L灌注桩。 桩基在承台下呈梅花形布置,按摩擦桩设计。北塔 基础结构见图1。 部分。位于已建九江公铁大桥上游10.8 km处。 1 工程概况与水文条件 九江长江公路大桥为主跨818 1TI双塔混合梁 8 8 ∞ (a)立面图 (b)侧面图 (c)平面图 图1北塔基础的构造(单位:标高m,其他era) 公 路 与 汽 运 总第145期 Highways&Automotive Applications 159 22 主墩承台采用钢吊箱作为施工止水结构。 湖出流影响,汛期为5~10月。表1为近6年长江 考虑加工、定位误差,钢吊箱内部尺寸与永久结构尺 水位(九江站)统计。 寸相比,每边各扩大5 cm。钢吊箱呈哑铃形,双壁 实测水流速:2009年10月10日约为1.7 m/s; 结构厚度1.4 m,总长84.9 m,宽32.9 m,双壁部分 2009年11月10日约为1.8 m/s;2009年12月5 高16 m,起吊重量达1 761 t。 日约为1.8 m/s;2010年6月2O日约为2.12 m/s; 桥址处所在河段上承上游径流来水,下受鄱阳 2010年9月12日约为1.87 m/s。 表1 近6年长江水位九江站统计结果(黄海高程) 2钢吊箱总体施工方案比选 钢吊箱施工。钢吊箱呈哑铃形,外壁长l17.95 m、 宽52.30 m,壁间宽2 m,高16 m,沿高度方向分3 2.1 国内类似特大型桥梁承台施工钢吊箱方案 节(6.6 m+3.8 m+6.0 m),总重5 316 t。 2.1.1润扬长江公路大桥北汊斜拉桥 钢吊箱制作、施工工艺:先搭设钻孔平台进行钻 润扬长江公路大桥北汉桥为175.4 m+406 m 孔施工,施工完成后拆除钻孔平台梁系,搭设钢吊箱 +175.4 m三跨连续钢箱梁斜拉桥,索塔采用花瓶 拼装平台。钢吊箱第一次下放重量超过2 800 t,提 形砼结构。承台采用钢吊箱进行施工,钢吊箱内口 升下放选用DL—S液压系统,共采用16个DL一 尺寸36.1 m×23.5 m,外口尺寸39.1 m×26.5 m, ¥410液压千斤顶提升下放。钢吊箱入水自浮定位 总高度14.408 m,分4个节段制作,自下而上的分 稳定后,拼装接长钢吊箱的二、三节壁体,注水下沉, 段模式为2.5 m+3.0 m+7.3 m+1.2 m,首节段 直至钢吊箱下沉就位。 钢吊箱重约260 t,钢吊箱总重766.65 t。 2.1.3南京长江三桥 钢吊箱制作、施工工艺:底节段2.5 m在距桥 南京长江三桥主桥为钢索塔钢箱梁双索面五跨 位下游1.5 km的某船厂进行散拼,300 t起重船配 连续斜拉桥,其跨径布置为63 m4-257 m+648 m 合气囊整体下水,拖轮拖带浮运到桥位,采用2艘 +257 m+63 m,南、北塔索塔承台呈哑铃形。南塔 (150、300 t)起重船配合整体吊装;二、三、四节工厂 钢吊箱为双壁自浮式结构,平面形状呈哑铃形,总长 分片加工,桥位进行接高。 84 m,圆端直径29 m,系梁宽13.8 m,总高22.1 2.1.2苏通长江大桥 m,钢吊箱总重3 i00 t。 苏通长江大桥为主跨1 088 m的双塔双索面钢 南塔钢吊箱制作、施工工艺:钢吊箱首节在船厂 箱梁斜拉桥,承台为哑铃形结构。承台采用自浮式 制作,通过船台滑道下水,浮运至施工现场,利用锚 16O 公 路 与 汽 运 Highways&Automotive Applications 第4期 2011年7月 碇系统定位,钢套箱接高下放后与钢护筒连接形成 钻孔平台施工钻孔桩,最后完成封底和承台施工。 钢吊箱竖向分3个节段制作,自下而上的分段模式 为7.8 m+6.5 m+7.8 m,首节段7.8 m整体加工 及下水,浮运重量约1 500 t。 2.1.4南京长江四桥 装,拼装完成后将底板骨架吊放在墩位上的拼装平 台上对称进行壁体拼装。拼装完成后由2台大型起 重船(1 200、l 000 t)整体抬吊安装。 2.1.5上海崇明越江通道长江犬桥 上海崇明越江通道长江大桥B5标段PM61 墩、PM62 墩承台钢吊箱为双壁结构,长76.4 m,宽 南京长江四桥为主跨1 418 m的双塔三跨悬索 41.4 m,高10 m,吊装重量约1 400 t。 钢吊箱制作、施工工艺:钢吊箱在船厂分块加 工、整体拼装,滑道下水后由拖轮拖带至施工现场, 采用2艘大型起重船抬吊就位。 2.2方案比选 桥,南塔承台为哑铃形。钢吊箱长84.5 m,宽39.0 m,高14.9 m,重约1 800 t。 钢吊箱制作、施工工艺:先搭设钻孔平台进行钻 孔施工,施工完成后拆除钻孔平台梁系,搭设钢吊箱 拼装平台。钢吊箱壁体在车间分块加工后运至现 场。钢吊箱底板骨架在墩位附近的拼装船上进行拼 参考其他类似工程的施工经验,结合自身特点, 确定九江长江公路大桥钢吊箱施工方案(见表2)。 表2九江长江公路大桥钢吊箱施工方案比较 确保工程进度掌 提高经济效益,最终选定方案一,为 兰 程,F为3整体式钢吊箱设计IFI 一 一 …一 一  诒柙、钢吊箱在加工厂分段加工、整体拼装,气囊法下水后 浮运至现场,采用3艘起重船抬吊进行安装。 3.1 总体设计思路 以钢吊箱施工流程为基础、钢吊箱施工过程中 公 路 与 汽 运 总第145期 Highways&Automotive Applications 3.4钢吊箱基本尺寸 161 不同状态为分析对象对钢吊箱结构加以优化。 22 主墩钢吊箱的施工流程为后场加工拼装、 整体下水、拖带浮运、起重船抬吊安装、现场定位、拉 压杆固定、浇筑封底砼、抽水、施工承台,施工过程中 钢吊箱壁体厚度1.4 m;吊箱高度17.5 m;壁 体外周长218.765 m;壁体内周长210.289 m;吊箱 外面积2 048.558 m。;吊箱内面积1 748.022 m ;夹 壁内面积300.536 rfl ;护筒的总面积272.392 m ; 护筒的总周长383.651 rfl。 3.5钢吊箱结构布置(见图2、图3)。 3.6吊箱重量 钢吊箱双壁结构重1 192 411 kg;封底隔舱重 存在可能导致吊箱结构破坏的因素,需对其加以分 析,根据计算结果对相对薄弱的地方进行加强,确保 钢吊箱施工过程的安全性。 3.2设计关键点 根据钢吊箱施工流程,从保证钢吊箱结构安全 角度出发,设计过程中主要考虑以下几点: (1)钢吊箱底板的控制工况为气囊下水(刚度 及强度)、起吊(刚度)及浇封底砼(强度)。 (2)钢吊箱壁体(刚度及强度)及封底砼(强度 及握裹力)的控制工况为抽水及浇筑承台。 (3)抽水时钢护筒的握裹力及浇筑承台时桩基 的抗压。 19 894 kg;底板结构262 867 kg;钢管支撑39 915 kg;起吊吊耳16 432 kg;拉压杆160 402 kg;连通器 1 136 kg;导向装置8 020 kg;底板桁架39 046 kg; 底板桁架端加强结构5 144 kg;拖拉吊耳2 814 kg; 顶推架8 832 kg;壁体与底板问联系梁3 576 kg;吊 箱起吊重量1 760 489 kg;钢吊箱单壁结构24 162 kg;钢吊箱入水底板垫板188 990 kg;吊箱总用钢量 1 973 641 kg。 3.3 吊箱设计基本参数 吊箱双壁顶标高+16.0 m;吊箱单壁顶标高+ 17.5 rrl;第一层承台顶标高+7.00 m;承台底标高 +3.00 rrl;首层承台浇筑厚度4.0 m;封底砼底标高 +0.00 m;封底砼厚度3.0 ITI;钢护筒顶标高+18.5 m;护筒规格西2 840 mm(外径);砼握裹力150 kN/rn (按已实施桥梁经验取值);封底砼强度等级 C25;素砼容重24 kN/m。;钢筋砼容重25 kN/m。; 钢材容重78.5 kN/m。;起吊能力,整体吊装,1 200、 3.7钢吊箱结构计算工况及计算结果 3.7.1计算工况 计算工况如下:工况一,钢吊箱气囊下水阶段结 构强度验算;工况二,钢吊箱浮运时结构稳定性验 算;工况三,钢吊箱吊装阶段结构强度验算;工况四, 钢吊箱封底阶段结构强度验算;工况五,抽水工况结 构强度验算;工况六,承台第一次砼浇筑阶段结构强 度计算及封底砼承载力计算。 800、500 t起重船;设计水位,设计高水位(抽水及施 工承台)+17.14 m,设计低水位+13.00 ITI;设计水 流流速2.0 m/s。 对上述6个工况分别进行计算,结果显示,除工 况六需要进行体系转换加固外,其他均能满足设计 要求。下面说明工况三和工况六的计算。 84 900 1 400卜_。--j Z 3) U I 1Z: ’ l 1 : I 了 ■— ’IZ:)  i lZ: — — = —了 ■ j lZ3 j lZ) — ■ 1 4oo 钢吊箱顶柱 j IZD j l 3 Z 3)U 8 714 In 一 . 一 .50c 一一 +17.50o +1 k.r一 设计高水位8一 o里! . 7 窿 遵 拉白 顶标 /钢管支撑 ̄800xlO 一 一 ,连逼 一 r低水位: + X钢自 , /,2 8・ }0 承占-顶标高1.000/钢管支撑 1 000×12 ,-7+10 “ .( 0 —— 一 勾水位 夏 iC 0 箱壁体 8‘仕  姜 I 岛 +8. 爱 曷1 × 訇 I , r 、~ 1 3 l< /, \  < < ) </  , 鹰 板析 刭  【承台底粝 谚 辩 层 承台 +3.o(垃 j -  蠢 J匿 舱 ● / ● j 衙 垢毒 ・ :± ・‘ ● I 钢吊: +O. 尉 嚆 3. 0 +U.U( D 一 体底 板次粱HN175x9( ̄ 底主板梁面H板N4t0-06x 2mN0  ̄ (a)钢吊箱下沉到位时 e圭 一 ~E砼扈 ;  一 每 0 (b)钢吊箱内干施工时 。l 图2钢吊箱的剖面图[单位:水位和高程为m(85高程系),其他为mm3 162 公 与 汽 运 Highways&Automotive Applications 1 2 550 3 125。 3 125. 3 125. 3 125, 6 750 .6 750. 3 125. 3 125. 3 125. 第4期 201 1辛 月 3 125.1.400 莩 二 }l2 底板面板 12 6 750 I …‘6 750 1 = §l2 §1列 . 板10 m ̄一: 底板桁架  z 43 ∞’ ¨m- ̄IO(U'/S y5 、 /; 一 = / ∞ 口 0 n凸凸凸 『\7 t I t I● {l } 0虹 {r I l I々 零 ●●|●l I|’● 磊 胤曩 肇 I 、 /2-主0x 2Q0 n 、\ 一 拉压 √ 1 4OO/ ,,l L \/ \八/\/W、 L / / \/W! , \/V 、 封底隔舱/偌 1二 景暑 , 、 /、 , m ,q- 嬲’’’’’’’ I, 一 、 \/ \/,V\\/rV\ /V、八八/W\ 竺 一 》 麟I l I’ I I lII|’ Ul 锕护衙 垦 ,,, /、 , l口 。I 出 L厶 。 ,q- In一 \犯。∞= = l 嘲头区 30 564 I 二  ̄一圆头区30: ;64 4…,3 2OO莩 -一 { I 系粱区23 772 (a)+0.O0~+3.O0 m标高处 ~ =_【∞g咕I_【 8_【= g!_【=_I∞ 一 (b)+3.00~+17.O0 m标高处 图3钢吊箱的平面布置[单位:水平和高程为m(85高程系),其他为mini 3.7.2钢吊箱吊装阶段结构强度验算 该工况计算钢吊箱起吊时结构强度,其分析模 型见图4。对索上端(起重船起吊吊点处)取固结约 束。钢吊箱起吊约1 761 t,采用l 200、500、800 t 3 艘起重船同步抬吊进行安装。计算结果见表3。 3.7.3承台第一次砼浇筑阶段结构强度计算及封 底砼承载力计算(+8 m施工水位) 计算时,取最不利情况低水位+8.0 m,夹壁水 位取+2.5 m,验算浇筑首层承台4.0 m时封底砼 强度及握裹力。 图4钢吊箱吊装阶段结构有限元模型 公 路 与 汽 运 总第145期 Highways Automotive Applications 163 表3钢吊箱吊装阶段结构强度计算结果 力) 力) 注:钢丝绳最大拉力1 172 kN,最小拉力为870 kN。 (1)验算条件。钢吊箱浇筑第一层4.0 m承台 弯强度要求。 时验算条件如下:封底底标高一0.1 m;封底砼厚度 (5)封底砼与钢护筒握裹力计算。钢护筒处节 3.0 m;垫层0.2 m;施工水位+8.0 m。 点编号见图8,各节点(钢护筒)处的握裹力见表4。 (2)施加载荷。1)由于钢吊箱浇筑首层承台 时钢护筒已经切割,钢吊箱重量、钢吊箱夹壁内水的 重量(竖直向下)与水对钢吊箱夹壁的浮托力(竖直 向上)相互抵消;2)3.0 m封底砼自重(由计算程序 自行考虑);3)0.2 m垫层自重;4)浇筑首层承台 4.0 m对封底砼的压力;5)水对封底砼的浮托力; 6)作用于封底砼顶面的压力的合力为25×4+24× 0.3—1O×[8一(一0.1)]一26.2 kPa。 (3)边界条件。浇筑首层承台时,取封底砼与 钢护筒的接触面为固结约束。 浇筑首层承台时封底砼各向主应力见图5~7。 图6浇筑首层承台时封底砼第二向主应力(单位:Pa) 图5浇筑首层承台时封底砼第一向主应力(单位:Pa) 图7浇筑首层承台时封底砼第三向主应力(单位:Pa) 由图5~7可以看出:封底砼的最大拉应力为 钢护筒所能承受的最大握裹力 1.16 MPa,最大压应力为1.12 MPa。封底砼等级 F=150A:==150×(7r×2.84X2.8)一3 747 kN 取C25,其轴心抗压强度为lI。9 MPa,轴心抗拉强 由表4可以看出:55481、55482、55483、55503、 度为1.27 MPa。故采用厚度为3.0 m、等级为C25 55504节点处的钢护筒握裹力均超过钢护筒所能承 的封底砼能满足首次浇筑4.0 m承台时封底砼抗 受的最大握裹力;5 5470、5 5477、55492及5 54 9 9 公 路 与 汽 运 Highways Automotive Applications 第4期 164 图8钢护简处节点编号 表4各节点(钢护筒)处的握裹力 节点编号 节点编号 55462 0.289 73 55484 0.289 76 55463 0.252 67 55485 0.252 68 55464 0.257 81 55486 0.257 81 55465 0.252 95 55487 0.252 95 55466 0.346 76 55488 0.346 75 55467 0.337 95 55489 0.337 95 55468 0.252 67 55490 0.252 67 55469 0.252 53 5549i 0.252 52 55470 0.355 92 55492 0.355 92 55471 0.289 67 55493 0.289 66 55472 0.337 79 55494 0.337 80 55473 0.290 64 55495 0.290 65 55474 0.337 95 55496 0.337 90 55475 0.252 67 55497 0.252 66 55476 0.252 51 55498 0.252 51 55477 0.355 88 55499 0.355 90 55478 0.289 62 55500 0.289 65 55479 0.337 86 55501 0.337 85 55480 0.290 63 55502 0.290 61 55481 0.502 36 55503 0.502 46 55482 0.502 48 55504 0.502 41 55483 0.544 32 注:总握裹力为0.138 22×10。N。 节点处的钢护筒握裹力为3 560 kN,与封底砼所能 承受的最大握裹力相差不大;其余钢护筒最大握裹 力为3 468 kN。需对55481、55482、55483、55503、 55504及55470、55477、55492、55499共9根护筒上 的拉压杆进行体系转换。 实际施工过程中,对所有拉压杆都进行了体系 转换,以确保钢吊箱结构安全。拉压杆体系转换后, 依靠厚度为3.0 m、等级为C25的封底砼能满足首 2011年7月 次浇筑4.0 m承台时钢护筒握裹力设计要求。 4 结语 九江长江公路大桥钢吊箱于2010年4月开始 加工制造,10月4日运抵施工现场,10月5日成功 吊装就位;11月2日完成水下砼封底,12月19日完 成首层4 m承台浇筑施工。从开始吊装到具备水 下砼施工条件仅用时20 d,其中下放到位9 h,精确 定位8 h,哈佛板安装与堵漏1个潜水组1个潜水员 6个台班,工效高,有效地缩短了主线施工时间。 通过加大技术攻关投入,对设计进行多次优化, 很好地解决了主墩承台大型钢吊箱施工中面临的关 键技术难题。通过对施工过程中各不利工况进行受 力分析与计算,确定材料合理截面形式,确保钢吊箱 整体强度、刚度及稳定性。钢吊箱采用船厂分段加 工、整体拼装,解决了施工场地狭小的问题,且不占 主线工期。承台钢吊箱施工中首次采用三船抬吊整 体同步吊装施工工艺,吊装过程中通过对吊耳及绳 索受力进行实时监控,确保了钢吊箱吊装安全。 该工程钢吊箱重达1 761 t,其吊装成功创造了 长江中上游桥梁施工中体积最大、重量最重、浮运距 离最远的“三项国内之最”,对后续类似特大型桥梁 深水承台施工具有借鉴意义。 参考文献: [1]福银高速公路九江长江公路大桥1 761 t双壁整体式 钢吊箱设计与施工关键技术研究课题研究报告[R]. 南昌:江西省高速公路投资集团有限责任公司,2011. 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