鄧興貴 謝支鋼 張家宇 李澐瓏 唐小兵

（1.宜昌通衢公路建設(shè)有限責(zé)任公司 宜昌 443100； 2.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063）

1 工程背景

百歲溪大橋全長368.0 m，設(shè)計(jì)橋型為95 m＋170 m＋95 m連續(xù)剛構(gòu)，橋梁全寬10.0 m，1，2號(hào)下構(gòu)主墩采用雙薄壁形式，墩高39 m，主墩承臺(tái)尺寸為順橋向12.4 m，橫橋向10.5 m，承臺(tái)高4 m，承臺(tái)底標(biāo)高149.2，主墩設(shè)置4根直徑2.5 m的鉆孔樁，樁長37 m。三峽庫區(qū)水情特點(diǎn)為：每年的10月初至次年的3月底，庫區(qū)水位在175 m，4月初至9月底，庫區(qū)水位在（175～145～175）m漲落，年度水位變化±30 m，在汛期7月初至8月中旬，庫區(qū)水位在（145～163～145）m，漲落頻繁，日最大漲落3.21 m，月最大漲落約18 m。下構(gòu)施工采用浮動(dòng)鉆孔平臺(tái)，插打鋼護(hù)筒進(jìn)行樁基施工，利用鋼護(hù)筒做鋼吊箱支撐平臺(tái)，配合自制的水上浮吊安裝鋼吊箱，采用鋼吊箱施工高樁承臺(tái)。

2 吊箱法結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

百歲溪鋼吊箱分為單壁和雙壁2種結(jié)構(gòu)，由底板、壁板、內(nèi)支撐、懸吊及定位等系統(tǒng)組成。

主要結(jié)構(gòu)尺寸為：單壁鋼吊箱長×寬×高為12.5 m×12.5 m×12 m；雙壁鋼吊箱長×寬×高為12.5 m×12.5 m×16.8 m。

2.1 單壁鋼吊箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單壁鋼吊箱四角均用L18×18加強(qiáng)角鋼，M22螺栓連接，螺栓連接間距為15 c m。

底板采用δ＝8 mm鋼板，主承重梁采用5組雙肢36 A工字鋼，次梁采用25 A工字鋼，間距100 c m，次梁間用L7.5×5×5角鋼作肋，間距25 c m。

側(cè)板采用δ＝8 mm鋼板，豎向采用I18工字鋼作梁，間距100 c m，中間布L7.5×5×5角鋼作肋，間距25 c m。

內(nèi)撐和圈梁共分4層，均采用2I36 A工字鋼，其中內(nèi)撐第2～4層設(shè)立柱，4層內(nèi)撐和圈梁其高度分別距離底板4，6.7，9和12 m處。

上吊梁各由4片貝雷梁組成，支撐在護(hù)筒上，與護(hù)筒接觸處墊20 mm鋼板。

單壁鋼吊箱吊桿共15個(gè)吊點(diǎn)，每個(gè)吊點(diǎn)1根直徑32 mm精軋螺紋鋼。

2.2 雙壁鋼吊箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙壁鋼吊箱四角均用L18×18加強(qiáng)角鋼，M22螺栓連接，螺栓連接間距為15 c m。

底板采用δ＝8 mm鋼板，主承重梁采用5組雙肢36 A工字鋼，次梁采用25 A工字鋼，主次梁長度14.5 m。

鋼吊箱壁板高16.8 m，厚1 m，分為15 m高的雙壁結(jié)構(gòu)和1.8 m高的單壁結(jié)構(gòu)2部分，坐落于鋼吊箱底板之上。面板肋采用I16工字鋼，按間距1 m進(jìn)行布置。

雙臂結(jié)構(gòu)分13層，第1，2層高1.0 m，第3～7層高0.8 m，第8～13層均為1.5 m高。每層環(huán)形板均為8 mm鋼板制作。

內(nèi)撐共分4層，采用2I36 A工字鋼，內(nèi)撐平面布置與單壁鋼吊箱相同。在與內(nèi)撐聯(lián)接位置的內(nèi)側(cè)板設(shè)置3層2I28 A工字鋼的圈梁。

上吊梁各由4片貝雷梁組成，支撐在護(hù)筒上，與護(hù)筒接觸處墊20 mm鋼板。

單壁鋼吊箱吊桿共15個(gè)吊點(diǎn)，每個(gè)吊點(diǎn)1根直徑32 mm精軋螺紋鋼。

3 鋼吊箱材料規(guī)格型號(hào)參數(shù)取值及計(jì)算荷載考慮

3.1 鋼吊箱材料規(guī)格型號(hào)參數(shù)取值

鋼吊箱和混凝土材料規(guī)格型號(hào)參數(shù)取值分別見表1和表2。

表1 鋼吊箱材料規(guī)格型號(hào)參數(shù)取值表

表2 混凝土材料相關(guān)參數(shù)取值

3.2 鋼吊箱計(jì)算荷載

（1）鋼吊箱計(jì)算荷載［1］。①水平荷載。靜水壓力，流水壓力，封底混凝土側(cè)板側(cè)壓力；②豎直荷載。吊箱自重，封底混凝土重量，承臺(tái)混凝土重量，浮力，封底混凝土與護(hù)筒之間的粘結(jié)力。

（2）單壁鋼吊箱和雙壁鋼吊箱高分別為12 m和16.8 m，雙壁鋼吊箱外水位距離底板15 m，因此單位面積上的最大靜水壓力分別按12 k N／m2和15 k N／m2計(jì)，按線性分布。

（3）封底混凝土按2.0 m加0.5 m調(diào)平層計(jì)算，側(cè)板最大側(cè)壓力按29 k N／m2（有水）和49 k N／m2（無水）計(jì)算。

（4）封底混凝土容重γ1＝24.5 k N／m3。

（5）水的浮力或重力密度γ＝10 k N／m3。

（6）封底混凝土與護(hù)筒之間的粘結(jié)力取經(jīng)驗(yàn)值150 k N／m2［2］。

（7）單位迎水面積流水壓力。據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD60－2004）式（4.3.8），有

式中：F流水為鋼吊箱所受的流水壓力標(biāo)準(zhǔn)值，k N；K為擋水形狀系數(shù)，方形采用1.5；γ為水的重力密度，10k N／m3；A為鋼吊箱入水部分在垂直于水流方向上的平面投影，取1 m2計(jì)算；v為水的流速，百歲溪大橋鋼吊箱取值v＝1.0 m／s；g為重力加速度，g＝9.81 m／s2。

4 計(jì)算模型及計(jì)算工況

為了簡化計(jì)算，鋼吊箱側(cè)板和底板的L7.5×5×5角鋼均按0.5 m間距作用，用等效的截面積和慣性矩的梁單元模擬；δ＝8和6 mm的側(cè)板和底板用薄殼單元模擬；單壁鋼吊箱流水壓力作用在12.5 m×12 m＝150 m2迎水面上；單壁和雙壁懸吊系統(tǒng)的吊桿長度取值分別為14和17 m，頂部固定；底板主梁和次梁、側(cè)板豎梁和橫梁（圈梁）及吊桿均用梁單元模擬；封底混凝土澆注時(shí)的混凝土重量及對側(cè)板壓力用面載荷作用，澆注完成后的封底混凝土用8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元模擬。底板主梁和次梁的兩端作鉸接處理，側(cè)板豎梁和橫梁（圈梁）與側(cè)板均為焊接成整體結(jié)構(gòu)。

圖1給出了鋼吊箱底板主梁2I36 A、底板次梁I25 A及吊點(diǎn)布置。計(jì)算采用COSMOS軟件，單壁鋼吊箱有限元模型見圖2，雙壁鋼吊箱有限元模型見圖3，表3列出了鋼吊箱各種不利受力工況［3］。

表3 百歲溪大橋鋼吊箱施工計(jì)算工況

圖1 （單壁）鋼吊箱底板布置示意圖（單位：c m）

圖2 單壁鋼吊箱有限元模型圖

圖3 雙壁鋼吊箱有限元模型圖

5 計(jì)算結(jié)果分析（僅表示危險(xiǎn)點(diǎn)）

（1）各工況下雙壁鋼吊箱吊桿拉力和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 雙壁鋼吊箱各工況下吊桿拉力和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由表4可見，水下澆注封底混凝土和干澆封底混凝土部分吊桿應(yīng)力超過直徑32 mm精軋螺紋鋼的許用應(yīng)力。

（2）各工況下單壁鋼吊箱底板主梁2I36 A最大彎矩和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 單壁鋼吊箱各工況下底板主梁2I36A最大彎矩和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由5可見，水下澆注封底混凝土所有主梁2I36 A應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。但在干澆封底混凝土工況下部分主梁2I36 A應(yīng)力超過許用應(yīng)力。

（3）各工況下單壁鋼吊箱側(cè)板豎梁I18工字鋼最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 單壁鋼吊箱各工況下側(cè)板豎梁I18工字鋼最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由表6可見，在澆注封底混凝土過程中及鋼吊箱外水位下降3 m而箱內(nèi)一次性抽水完畢情況下（工況3-1和工況3-3），側(cè)板豎梁的應(yīng)力均不超過許用應(yīng)力。但在鋼吊箱外水位沒有下降（水位在箱頂）而箱內(nèi)一次性抽水完畢情況下（工況3-2），側(cè)板豎梁的應(yīng)力將超過許用應(yīng)力。

比較工況3-3與工況3-1可見，側(cè)板豎梁基本沒有受到側(cè)板流水壓力的影響。

（4）封底混凝土抗滑力驗(yàn)算。

①工況3。封底混凝土抽水后外部水面達(dá)到設(shè)計(jì)高潮位，F(xiàn)1＝浮力＋封底混凝土自重＋鋼吊箱自重＋粘結(jié)力；

②工況4。4 m承臺(tái)混凝土澆筑后外部水面處在設(shè)計(jì)低潮位，F(xiàn)2＝承臺(tái)混凝土自重＋封底混凝土自重＋鋼吊箱自重＋粘結(jié)力。

（5）雙壁鋼吊箱封底混凝土抗滑力驗(yàn)算。

①工況3。粘結(jié)力／（浮力＋2.5 m封底混凝土重力＋鋼吊箱重力）＝13 188／（31 538－8 062－2 747）＝0.63＜1，不滿足要求。

②工況4。粘結(jié)力／（2.5 m封底混凝土重力＋4 m承臺(tái)重力＋鋼吊箱重力）＝13 188／（8 062＋15 625＋2 747）＝0.50＜1，不滿足要求。

（6）鋼吊箱施工過程穩(wěn)定性分析。封底混凝土澆注完畢，強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行承臺(tái)混凝土澆注前，鋼吊箱外水位沒有下降（水位在箱頂）而箱內(nèi)一次性抽水完畢，且一個(gè)側(cè)板增加760 Pa的流水動(dòng)壓力［4］。經(jīng)過對單壁鋼吊箱穩(wěn)定性的屈曲計(jì)算分析，其穩(wěn)定性安全系數(shù)為7.73，可以滿足施工要求。

6 計(jì)算結(jié)論及建議

6.1 單壁鋼吊箱結(jié)論

（1）在水下澆注封底混凝土工況下，鋼吊箱主要部件吊桿、底板主梁2I36 A、側(cè)板豎梁I18、內(nèi)撐梁2I36 A、側(cè)板圈梁2I36 A及8 mm底板和側(cè)板均能滿足強(qiáng)度要求，但在鋼護(hù)筒附近底板的7號(hào)次梁和10號(hào)次梁I25A（與1號(hào)和5號(hào)主梁交叉的吊點(diǎn)位置）局部不滿足強(qiáng)度要求，進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)后可以滿足要求。

（2）在干澆封底混凝土工況下，吊桿、底板主梁2I36A和次梁I25A不能滿足強(qiáng)度要求。

（3）封底混凝土澆注完畢后，在鋼吊箱外水位沒有下降（水位在箱頂）而箱內(nèi)抽水完畢情況下，側(cè)板豎梁I18和側(cè)板圈梁2I36 A不能滿足強(qiáng)度要求。

（4）封底混凝土澆注完畢后，在鋼吊箱外水位下降3 m而箱內(nèi)抽水完畢情況下，側(cè)板豎梁I18、內(nèi)撐梁2I36 A、側(cè)板圈梁2I36 A及8 mm側(cè)板均能滿足強(qiáng)度要求。

（5）封底混凝土澆注完畢后，鋼吊箱外水位沒有下降（水位在箱頂）而箱內(nèi)一次性抽水完畢，且一個(gè)側(cè)板增加760 Pa的流水壓力情況下，單壁鋼吊箱穩(wěn)定性安全系數(shù)為7.73，穩(wěn)定性滿足要求。

（6）單純靠封底混凝土與鋼護(hù)筒之間的粘結(jié)力不足以滿足最不利條件下的抗滑力施工要求，需要在一定水深條件下進(jìn)行承臺(tái)混凝土的澆注施工。

（7）封底混凝土澆注完畢后，4 m承臺(tái)混凝土澆注前和一次性澆注過程中鋼吊箱外的理想水位與安全系數(shù)之間存在一定的關(guān)系，可以據(jù)此確定最佳的施工時(shí)間。

（8）封底混凝土澆注完畢后，一個(gè)側(cè)板增加760 Pa的流水動(dòng)壓力對鋼吊箱的強(qiáng)度和穩(wěn)定性基本沒有影響。

6.2 雙壁鋼吊箱結(jié)論

（1）在水下澆注封底混凝土工況下，鋼吊箱主要部件底板主梁2I36 A、底板次梁I25 A、內(nèi)外側(cè)板豎梁（面板肋）I16、內(nèi)撐梁2I36A、側(cè)板圈梁2I28 A、8 mm底板和外側(cè)板及6 mm內(nèi)側(cè)板均能滿足強(qiáng)度要求，但部分吊桿不能滿足強(qiáng)度要求。

（2）在干澆封底混凝土工況下，吊桿、底板次梁I25 A和內(nèi)側(cè)板豎梁I16不能滿足強(qiáng)度要求。

（3）封底混凝土澆注完畢后，在鋼吊箱外水位沒有下降（水位距離底板15 m）而箱內(nèi)一次性抽水完畢情況下，鋼吊箱主要部件均能滿足強(qiáng)度要求。

（4）單純靠封底混凝土與鋼護(hù)筒之間的粘結(jié)力不足以滿足最不利條件下的抗滑力施工要求，需要在一定水深條件下進(jìn)行4 m承臺(tái)混凝土的澆注施工。

（5）封底混凝土澆注完畢后，4 m承臺(tái)混凝土澆注前和一次性澆注過程中鋼吊箱外的理想水位與安全系數(shù)之間存在一定的關(guān)系，可以據(jù)此確定最佳的施工時(shí)間，理想水位關(guān)系式與單壁的相同。

7 結(jié)語

單壁和雙壁的各種工況下的有限元計(jì)算結(jié)果說明：在動(dòng)態(tài)水位變化的情況下，優(yōu)化后鋼吊箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性與施工水位有著極大的關(guān)系，且與完成該分項(xiàng)工程工序所需的必要時(shí)間有關(guān)。因此在該必要時(shí)間內(nèi)，在所需的理想水位變化范圍內(nèi)、完成承臺(tái)施工，其施工技術(shù)是安全的，違背這一原則，鋼吊箱施工將存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)重點(diǎn)考慮的有：

（1）懸吊系統(tǒng)強(qiáng)度不夠，須重新布置懸吊系統(tǒng)，增加吊桿數(shù)量和增強(qiáng)吊桿的強(qiáng)度。

（2）底部和側(cè)板變形，須增大底部和側(cè)板主梁和次梁的鋼材規(guī)格和型號(hào)。

（3）封底后的鋼吊箱上浮和下沉，表現(xiàn)在施工的非理想水位時(shí)，鋼吊箱的重力與浮力不能平衡，須在封底混凝土施工前水下焊接鋼護(hù)筒的牛腿，增強(qiáng)封底混凝土和鋼護(hù)筒之間的粘結(jié)力。

（4）若在干處施工，須增設(shè)第二次懸吊系統(tǒng)，再把第一次懸吊系統(tǒng)下移，承臺(tái)混凝土分2層澆筑，第二次懸吊系統(tǒng)也須埋置于承臺(tái)中。

（5）三峽庫區(qū)的水情變化是有規(guī)律可循的，合理有效的施工組織，在鋼吊箱的理想水位范圍內(nèi)，采用先進(jìn)的施工工藝及設(shè)備，如大型浮吊船和商混船配合施工，可控制性地把握工程進(jìn)度。

［1］ 徐 偉，呂鳳梧.深水區(qū)域特大型施工平臺(tái)與鋼吊箱結(jié)構(gòu)分析方法［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［2］ 方詩圣，丁仕洪.鋼圍堰封底混凝土與樁基鋼護(hù)筒間的粘結(jié)力研究［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，32（2）：241-244.

［3］ 徐 偉，高吉龍.特大型鋼吊箱圍堰施工過程中各工況的受力特性分析［J］.建筑施工，2008，30（6）：487-488.

［4］ 徐 偉，宋 燦，駱艷斌，等.深水高樁承臺(tái)鋼吊箱在風(fēng)荷載作用下的動(dòng)力性能分析［J］.工業(yè)建筑，2007，37（7）：82-84.