库区高水头单壁钢吊箱围堰设计与施工

费志高中交一公局厦门工程有限公司

摘 要：广连高速公路5标A1分部北江特大桥主墩9号、10号墩为高桩承台，采用钢吊箱围堰施工，围堰内外最大水头差9.5 m,针对高水头差围堰结构安全及底板龙骨回收困难等难题进行设计，采用有限元分析软件对钢吊箱各工况进行受力验算，保证施工安全，并介绍库区高水头钢吊箱的关键施工过程，可为相同类型钢吊箱围堰的设计与施工提供借鉴。

关键词：桥梁工程;钢吊箱围堰;可拆除;底龙骨;高水头;库区;

1 工程概况

钢吊箱围堰壁板、底板结构形式多样，很多为施工方便或结构安全，常将底板结构焊接成整体，围堰施工完成后，仅对壁板进行拆除回收，底板均不拆除，这样造成资源浪费。北江特大桥钢吊箱围堰实现了底板主龙骨可拆除回收，且保证了结构安全，施工方便快捷，节约施工成本。

北江特大桥桥址处属于飞来峡水库管辖范围内，桥位处水面宽约640 m, 主桥采用(88+160+88)m PC连续刚构跨越主航道。其中9号、10号主墩承台平面尺寸为15.4 m×9.5 m, 厚度4 m, 见图1。承台顶标高+22.5 m, 水深1113 m。围堰设计水位考虑施工期5年一遇的高、低水位作为设计水位，设计高水位为+26 m, 设计低水位为+24 m。

图1 9号、10号墩承台平面

单位：mm

2 钢吊箱围堰设计与受力分析2.1钢吊箱围堰结构设计(1)钢吊箱围堰设计参数见表1。

表1 钢吊箱围堰设计参数

(2)钢吊箱围堰总体结构设计。

9号和10号主墩钢吊箱围堰主要由底板、侧板、支撑系统、吊挂下放系统、封底等5大部分组成[4],见图2(a)。

①钢吊箱侧板采用I32a竖肋@8090 cm+[14横肋+8 mm钢板组成。钢吊箱壁板竖向分块，块间通过螺接连接，并加止水橡胶条，横向不分块[5],见图2(b)。

②内支撑设置2层，为避免钢吊箱下放时钢护筒的干扰及围堰内安装承台钢筋的方便，1、2层内支撑在割除钢护筒后换撑，见图2(c)。

图2 钢吊箱围堰

单位：mm

③吊挂系统采用在钢护筒上安放2HN500型钢扁担梁，利用吊杆连接底板下的主龙骨；吊箱设置12个吊挂点，下放时，仅四周8个吊挂点处各配置1台50 t液压千斤顶+?32 mm精轧螺纹钢筋进行下放；中间4个吊挂点仅配置?32 mm精轧螺纹钢筋，下放到位后锁住精轧螺纹钢筋做吊挂用，见图3。

图3 下放系统平面

(3)底板结构特殊设计及主龙骨拆除工艺原理。

①底板采用6根2HN500主龙骨+I12.6次龙骨@300mm+5 mm钢板组成。次龙骨放置在主龙骨上，与主龙骨不焊接，便于拆除主龙骨，次龙骨与5 mm钢板焊接在一起，见图4。

②主龙骨拆除工艺原理：壁板放置于底板上，侧板与底板通过?25圆钢锁住，并在底板外设置限位，保证整个钢吊箱壁板与底板的整体性，见图5。拆除时，用钢丝绳挂住底龙骨，解开侧板与底板的?25圆钢锁定杆，然后拖拽出主龙骨，即可完成主龙骨拆除。

图4 主墩底板平面布置

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图5 底板与壁板连接

单位：mm

2.2荷载及工况分析2.2.1静水压力(1)最大静水压力。

设计高水位为+26 m, 主墩封底混凝土底面标高+16.5 m, 水头按9.5 m计算。

(2)最小静水压力。

设计低水位为+24 m, 主墩封底混凝土底面标高+16.5 m, 水头按7.5 m计算。

2.2.2水流力

根据《港口工程荷载规范》[3],采用式(1)计算水流对钢吊箱的作用力，计算结果见表2。

Fw=CWρ2V2A?????????(1)Fw=CWρ2V2A?????????(1)

式中：Fw为水流力；Cw为水流力系数；ρ为密度；V为流速；A为遮流面积。

表2 水流力计算结果

2.2.3封底混凝土与钢护筒黏结力

混凝土与钢护筒的黏结力按150 kN/m2计。

2.2.4风荷载

围堰拼装和下放时，最大容许风速6级(13.8 m/s)。其他工况最大风荷载按50年一遇风压取值，根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)附表E.5中桥位处(清远市)50年一遇风速为28.6 m/s, 对应风压值为500 Pa。

风荷载按根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)[2],计算风荷载采用式(2)和式(3):

Fwh=k0k1k3WdAwh (2)

Wd=γVd22g?????????(3)Wd=γVd22g?????????(3)

式中： k0为设计基准期重现期换算系数；k1为风载阻力系数；k3为地形、地理条件系数；Wd为设计基准风压；Awh为横向迎风面积；Vd为高度z处的设计基准风速；γ为空气重力密度；g为重力加速度。

6级、50年一遇风荷载计算结果见表3。

表3 钢吊箱承受风荷载

2.2.5荷载组合(1)工况1、围堰拼装：

围堰结构自重+风荷载(6级风)。

(2)工况2、围堰下放：

水流力(小于1 m/s)+风荷载(6级风)+自重。

(3)工况3、封底混凝土浇筑：

20年1遇水流力+风荷载(50年一遇)+自重。

(4)工况4、抽水工况：

20年1遇水流力+高水位静水压力+风荷载(50年一遇)+自重+黏结力[7]。

(5)工况5、承台浇筑：

20年1遇水流力+低水位静水压力+风荷载(50年一遇)+自重+黏结力。

2.3有限元分析

采用有限元软件midas civil建立实体有限元模型，最不利工况4和工况5,其计算模型见图6。计算结果见表4。

图6 工况4和5(抽水工况)围堰有限元模型

表4 钢吊箱受力计算结果汇总

3 钢吊箱围堰施工3.1拼底板、安装吊挂系统

拆除钻孔平台后，在钢护筒上焊接吊箱拼装牛腿。后场在主龙骨底部焊接吊挂精轧螺纹钢筋的固定螺母，在拼装牛腿上安装底板主龙骨，在主龙骨上安放次龙骨，焊接钢面板及限位[6],见图7。

3.2安装内支撑、拼壁板

壁板高度10 m, 安装时需确保稳定性。按照设计标高，在钢护筒上焊接牛腿，安装第2层围檩。以第2层围檩为导向，将侧板的位置线投到底板上，并做好标记，预先焊接临时限位器，开始拼装侧板第一块，侧板定位好后，应检查侧板倾斜度和端头垂直度，并加缆风防止倾倒。依次拼装其他的侧板直至合龙。

图7 底板安装

围堰合龙后，安装第2层内支撑和第1层围檩内支撑，见图8。

图8 壁板安装

3.3壁板简易创新联通器装置

常规的联通器[8],见图9(a),是在吊箱壁板上安装，需要水下拧阀门，打开关闭联通器，多数情况，压力大，或阀门生锈而打不开。

本工程创新的联通装置，见图9(b),通过钢丝软管的自由端及大气连通平衡原理控制连通器开关，软管提起来，相当于联通器关闭，放下去，围堰内外联通，操作方便，能快速平衡内外高水头差，降低浮力对钢吊箱下放时的影响。

3.4安装下放、导向系统

安装下放系统，含下放扁担梁、精轧螺纹钢筋、千斤顶，在下层内支撑和底板位置焊接型钢导向装置。通过千斤顶将吊箱提升少许与牛腿脱开接触，并调平。

3.5钢吊箱下放

割除钢护筒上的拼装牛腿，打开吊箱侧板上的联通器；通过千斤顶缓慢下放围堰至设计标高，下放过程中保持所有吊点同步。下放前在精轧螺纹钢筋上划线做好标记，以20 cm间距为一循环，直至使钢吊箱下放到预定的位置，见图10。

图9 联通器装置

图10 钢吊箱下放

3.6水下浇筑封底混凝土

封底混凝土采用单导管多次剪球方式进行浇筑，导管设计作用半径为4.0 m。封底从四周往中间底部进行封口，见图11。

图11 封底浇筑

3.7抽水拆吊挂及围堰拆除

待封底混凝土强度达到设计80%,进行围堰内抽水。抽干后，旋转精轧螺纹钢筋进行精轧螺纹钢筋拆除，拆除吊挂系统，并割除承台底以上钢护筒，凿桩头。

来源：交通科技