复杂海域单壁钢吊箱围堰设计及整体吊装方法研究

罗九林

【摘 要】平潭海峡公铁两用大桥位于福建省平潭县,其主体位于东海海域,气候和海况复杂.从自然条件分析入手,对荷载和工况组合进行了系统分析;并提出了一种可拆装式单壁钢吊箱围堰结构及整体吊装施工方法,围堰的重复利用率达80％,有效减小了施工投入;同时采用该整体吊装方法,一次吊装到位,可及时锁定围堰,有效避免强台风、较大波浪力和涨落潮的影响. 【期刊名称】《铁道建筑技术》 【年(卷),期】2016(000)001 【总页数】6页(P20-24,46)

【关键词】跨海大桥;钢吊箱;装配式结构;整体吊装 【作 者】罗九林

【作者单位】中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京102600 【正文语种】中 文 【中图分类】U443.162

Abstract Pingtan Strait Highway-Railway Combined Bridge is located in Pingtan County，Fujian Province，the main body is located in the East China Sea，with complex climate and sea state. The combinations of load and working conditions are analyzed systematically starting from the analysis of natural conditions. Then a kind of construction method with

detachable single-walled steel suspending cofferdam and the overall hoisting is put forward. The cofferdam recycling rate reaches 80％，which effectively reduces the construction investment. Meanwhile，a lifting in place can be achieved and the cofferdam can be timely locked by adopting the integral hoisting method. It can effectively avoid the effects of strong typhoon，the larger wave force，and ebb and flow.

Key words bridge over sea；steel hanging box；assembly structure；integral hoisting

平潭海峡公铁两用大桥位于福建省平潭县，总长3 713. 475 m，连接大连乡与苏澳镇两地，水陆交通不便。桥止属于丘陵及浅海区，海蚀现象明显。主体位于东海海域，水位受潮汐影响［1］。

桥位海域潮型属正规半日潮，海峡内海流呈往复形态。桥址处各重现期潮差，P＝0. 3％为7. 05 m，P＝1％为6. 91 m，P＝2％为6. 82 m、P＝ 5％为6. 71 m，P＝10％为6. 62 m，P＝20％为6. 52，P＝50％为6. 38 m。

平潭强波浪向为ESE向，实测H1／％波浪高最大4. 3 m，周期7. 4 s，年平均波高为1. 1 m，平均周期为5. 4 s。桥址处10年一遇设计波浪要素：SW方向H5％＝2. 71 m，T＝6 s，L＝56. 1 m。海水深度多在10～40 m范围。

桥区为典型的海洋性季风气候，风向变化明显，全年超过6级风以上的天气有309 d，超过7级风以上天气有234 d，超过8级风以上的天气有123 d，而且有热带气旋、大风、暴雨、干旱、雷暴、雾等灾害天气［2］。因此建设环境较为复杂，施工条件比较恶劣，年平均有效施工作业天数少。

桥梁设计除B57号墩、福州台和平潭台采用扩大基础外，其余均采用钻孔桩基础，根据不同跨度和地质条件分别采用2. 0 m、2. 5 m、2. 8 m、3. 0 m桩径，其中B2～B25号墩设计为低桩承台，承台厚度5. 0 m，B26～B55号墩基础为高桩承

台。以B51＃～B55＃承台吊箱围堰作为计算实例，承台平面尺寸为12.6 m×30. 2 m、承台厚度为5 m。桩径2. 8 m，梅花形布置。结构布置如图1所示。 2．1 参数确定

顶标高：10年一遇高潮位（＋4. 18 m）＋10年一遇高水位浪高（2. 71）／2＋安全距离（1. 0）＝＋6. m。吊箱底标高－4. 175 m、承台底标高－2. 175 m、承台顶标高＋3. 175 m。流速：P＝1％ 为V＝2. 23 m／s，浅海涨落潮一般流速V＝1.03 m／s。风速：正常工作V＝20. 7 m／s（8级风），验算风速V＝45.8 m／s（14级风）。水位：P＝10％为＋4. 18 m。波浪：设计波高H＝2. 71 m，波长L＝ m，周期T＝6 s。验算波高H＝4. 3 m，周期T＝7. 1 s。护筒与封底砼间的粘结力：f＝120 kN／m2。封底混凝土C30。钢材Q235B。 2．2 荷载分析 2．2．1 风荷载

按照《海港工程荷载规范》（JTS 144-1-2010）计算围堰所受风荷载： 式中，Wk为风荷载标准值（kPa）；μs为风荷载体型系数，取μs＝1. 3；μz为风压高度变化系数，吊装时取μz＝1. 8（按距水面30 m），非吊装时取μz＝1. 52（按距水面15 m）；基本风压ω0＝v2／1 600［3］26。 施工时按风速小于8级才容许进行吊装作业。风荷载计算结果见表1。 2．2．2 水流力

按照《海港工程荷载规范》（JTS 144-1-2010）计算水流力：

Fw＝CwρV2A／2式中，Fw为水流力标准值（kN）；V为水流设计流速（m／s），Cw为水流阻力系数；ρ为水的重力密度（t／m3），取1. 025；A为计算构件在与流向垂直平面上的投影面积（m2）［3］34。 水压强计算结果见表2。 2．2．3 波浪力

2．2．3．1 波峰作用

根据《海港水文规范》第8. 1. 4条规定，水深按d＝4. 18＋4. 175＝8. 355 m考虑。d／H＝0．048 3＞1／30，0．2＜d／H＝0．43＜0．5。静水面以上高度H处的波浪压力强度为零［4］。静水面处的波浪压力：PS＝γh＝27．8 kPa。静水面以下深度z处的波浪力按下式计算：

静水面hs＋H＝0. 614＋2. 71＝3. 324 m以上的波浪压力强度为零。各工况计算结果见“2. 3. 3荷载简图”。

以上是波峰作用下作用在壁板上的波浪力。作用在吊箱底的浮托力Pu参照《海港水文规范》公式8. 1. 3－6计算。 2．2．3．2 波谷作用

波谷作用时参照《海港水文规范》8. 1. 3. 2条计算。壁板表现为波吸力作用。对壁板波谷作用小于波峰作用时受力，因此验算壁板受力时不考虑波谷作用影响。设计时从构造上满足要求。底板存在向下的波吸力作用，在对底板、吊杆和吊架强度验算时考虑该力参与作用。 2．2．4 静水压力

pw＝γH＝10. 25×7. 27＝78. 9 kPa，此处H为最大静水水头差。 2．3 计算工况及荷载组合 2．3．1 计算工况

由于海况复杂，除了考虑波浪力，还得考虑潮位影响［5］。计算波浪力也相对复杂，考虑工况较多。根据实际施工条件，对主要控制工况进行计算分析。 （1）整体吊装：验算结构在自重作用下受力，包括吊点受力。

（2）浇筑封底混凝土：低潮位浇筑封底混凝土，考虑低潮位波吸力影响。验算底板、十字吊架及吊杆受力。

（3）抽水工况：考虑高潮位波浪力等荷载作用下，验算围堰结构受力。

（4）浇筑第一层承台混凝土：主要验算结构封底混凝土与钢护筒握裹力及防落吊杆设计。

（5）第一层承台混凝土达到设计强度后拆除第二层支撑。验算围堰壁板受力。 （6）承台施工完毕，拆除第一层内支撑，进行桥墩施工，验算结构受力。 （7）结构整体稳定分析。 2．3．2 荷载组合

组合Ⅰ：1. 1×1. 2×结构自重；

组合Ⅱ：1. 2×封底混凝土自重＋1. 2×结构自重＋1. 4×波浪力；

组合Ⅲ：1. 2×（封底混凝土＋第一层承台混凝土）自重＋1. 2×结构自重＋1. 4×波浪力；

组合Ⅵ：1. 2×结构自重＋1. 4×波浪力＋1. 4×水流力＋1. 4×风荷载＋1. 2×静水压力；

计算工况（1）采用组合Ⅰ，计算工况（2）采用组合Ⅱ，计算工况（3）、（5）～（7）采用组合Ⅵ，对于计算工况（4）采用组合Ⅲ。其中波浪力分为波峰作用和波谷作用，波峰作用表现为压力，波谷作用表现为波吸力。 2．3．3 荷载简图 （1）整体吊装

吊箱考虑整体吊装，荷载主要为自重。验算吊耳及结构整体强度。 （2）浇筑封底混凝土

按低潮位浇筑封底混凝土工况，验算底板、吊杆受力，荷载分布如图2所示。 （3）抽水浇筑第一层承台混凝土

考虑高潮位抽水，验算吊箱受力，荷载分布如图3所示。

考虑低潮位浇筑第一层承台混凝土，验算防落吊杆受力（波谷作用），荷载分布如图2b所示。

（4）浇筑的第二层承混凝土

第一层承台混凝土达到设计强度后、考虑高潮位浇筑第二层封底混凝土，验算吊箱壁板受力，荷载可参照如图3所示，只是边界条件适当调整。 （5）施工墩身

第二层承台混凝土达到设计强度后，拆除部分支撑验算围堰受力。 2．4 结构设计

（1）设计思路：B26～B55为高桩承台，数量和种类较多。为减小施工投入，增加结构的重复利用率，吊箱设计成可拆装式结构［5－6］。同时为减小模板的投入，壁板兼作模板［7－9］，考虑施工误差影响，壁板内侧按承台尺寸放大10 cm设计。

（2）现场条件：由于地处福建省平潭县近海海况复杂。如前述的复杂水文、气象条件，吊箱除满足常规隔水功能外，还必须抵抗大的波浪力作用［10］。同时涨落潮落差较大也为结构设计了提供便利条件。部分护筒可以利用低潮期割除，为内支撑布置提供便利。

（3）吊装条件：场内加工满足20 t吊装。现场有一台1 000 t浮吊，可满足整体吊装需要。

综合考虑以上条件，以B51～B55＃吊箱为例进行分析。 2．4．1 结构布置 （1）壁板

为减小现场切割和焊接工作量，在满足受力要求的条件下，板、水平肋、大竖肋采用叠合布置的方式，壁板δ＝6 mm。竖向加劲肋采用HN500×200× 10×16型钢，布置间距1.5 m。水平肋采用12.6，在竖向根据不同水深采用不同的布置间距。最小间距30 cm，最大40 cm。为便于加工、组装和拆卸，壁板按竖向分块，分为标准块和调整块，分块之间的连接形式如图4所示。

（2）底板

底板纵横主梁正交正放，次梁采用12. 6。面板6 mm厚钢板。同时设置底托梁以满足整体吊装施工要求。 （3）支撑系统

壁板设置内外双层围檩，内外围檩在水平钢管支撑位置设置对拉杆，对拉杆在壁板内外实现自平衡，围檩采用2HN600×200×11×17。内支撑钢管采用φ500×12，斜撑采用双槽钢组合构件，底端焊接在钢护筒上，布置如图1所示。 （4）连接设计

各分块之间设置止水橡胶条，通过双排螺栓连接。壁板底端封边角钢与连接短角钢通过螺栓连接，壁板安装就位后连接角钢下端翼缘与底板钢板焊接。承台施工完毕，壁板可以完全拆除重复利用，连接形式如图4所示。 （5）吊挂系统及导向

吊挂系统由十字吊架、吊杆、底锚梁、及锚具等组成。吊架采用十字梁、φ50精轧螺纹钢（PSB930）作为吊杆，吊挂系统在场内事先安装好，十字吊架吊挂在第一层内支撑上，吊杆穿过十字吊架，锚固在底板托梁上。吊杆上部事先安装锚板和螺帽，螺帽的位置根据计算确定（根据护筒顶标高、围堰底标高和承台设计标高等），如图5所示。

内围檩兼作导向构件，到位之前采用千斤顶进行水平位置调整，到位后采用短型钢将内围檩与护筒进行焊接锁定。 （6）防落装置

在每根钢护筒位置设置6根抗拉压杆。抗拉压杆采用双拼12. 6a格构柱，封底完成后抽水，通过连接板焊接与护筒上。 2．4．2 计算分析结果

（1）整体吊装验算包括吊耳，围堰结构和连接承载力计算。其中吊耳验算是重中

之重。此处不例举计算结果。

（2）浇筑封底混凝土：低潮位浇筑封底混凝土，考虑低潮位波吸力影响。验算底板、十字吊架及吊杆受力，其中吊杆设计按荷载的两倍考虑。其余构件受力均在规范允许范围内。

（3）抽水、浇筑承台混凝土工况：浇筑承台混凝土前抽水，高潮位考虑波浪力等荷载作用下，验算围堰结构受力。同时考虑分层浇筑和拆除内撑顺序验算结构受力。应力值均满足规范要求，此处不罗列计算结果。 （4）抗浮及抗滑验算。

上浮验算：考虑高潮位波峰作用，主要上浮荷载有静水浮力、波浪产生的浮托力［11－12］；有利荷载为封底混凝土及结构自重、封底混凝土与护筒间的握裹力。抗浮满足要求，此处不单独罗列计算。

下滑验算：考虑低潮位波谷作用，向下荷载有波吸力、混凝土及结构自重、有利荷载为封底混凝土与护筒间的握裹力。根据实际计算下拉荷载太大，握裹力不能完全抵抗下拉荷载作用，需要设置防落吊杆。此处不罗列计算过程。 工况5和工况6计算表明结构应力小于工况3，此处不作统计。 （5）结构整体稳定分析。

针对封底完成后，抽水工况整体稳定性验算，特征值均大于4，满足要求。 3．1 整体吊装方法

（1）采用1 000 t浮吊整体吊装，吊架采用十字梁、φ50精轧螺纹钢（PSB930）作为吊杆，吊挂系统在场内安装好，十字吊架吊挂在第一层内支撑上，吊杆穿过十字吊架，锚固在底板托梁上。如图5所示，为避免吊架与内围檩冲突，十字吊架采用斜交斜放。

（2）吊杆上端安装锚板和螺帽，螺帽的位置事先根据护筒顶标高、围堰底标和高承台设计标高等计算确定。钢护筒顶部需要提前处理，要求平整。

（3）浮吊吊运吊箱到设计位置上方时，对位、慢慢下放，钢护筒穿过吊箱底板预留孔，到一定高度后限位，然后持续下放到十字吊架落在护筒顶，十字吊架不动，吊杆随围堰继续下沉直到下放到锚固垫板与十字架紧贴，下放到设计为位置，限位、焊接锁定围堰。 3．2 现场实施效果

B号吊箱在2015年8月26日上午10时左右实施整体吊装，11时整体吊装就位。到下午2时全部锁定完毕。整体吊装施工速度较快、达到设计预期效果，现场吊装如图6所示。

福建平潭跨海大桥由于所处地理位置的特殊性，具有典型的海洋气候特征。水文、气候条件复杂。对施工提出了更高的要求，在保证安全和施工质量的前提下，要求快速施工、减小现场焊接等作业时间。同时临时工程投入巨大，做到重复利用，减小临时工程的投入，满足绿色施工要求。

（1）采用可拆装式单壁钢吊箱围堰结构。壁板间、壁板底板间实现了完全螺栓连接，壁板可以多次倒用。壁板间竖肋和水平肋采用叠合方式焊接，减少了现场切割和焊接工作量，缩短了加工时间；同时工程完毕后可以拆除大部分型钢，整修后可以重复使用，有效减小了钢材的浪费。

（2）壁板设置内外双层围檩，内外围檩在支撑位置设置对拉杆，对拉杆处壁板内外实现自平衡，可以有效抵抗内支撑出现受拉力情况，避免了内支撑和壁板之间焊接、减小了加工和拆卸的难度。

（3）内围檩作为受力构件，同时具有导向和兼作操作平台的作用，为围堰下放和锁定提供了便利。

（4）整体吊装一次到位，通过短型钢将内围檩与钢护筒临时焊接锁定，现场吊装的施工作业时间大大减少，有效节约施工投入和降低风险。

【相关文献】

［1］ 中铁第四勘察设计院集团有限公司.新建铁路福州至平潭铁路新建工程施工图平潭海峡公铁两用大桥（B0 ～B58）［Q］.武汉：中铁第四勘察设计院集团有限公司，2013：1－8.

［2］ 中铁第四勘察设计院集团有限公司.新建铁路福州至平潭铁路新建工程施工图平潭海峡公铁两用大桥指导性施工方案［R］.武汉：中铁第四勘察设计院集团有限公司，2013：1－10.

［3］ 中交第一航务工程勘察设计院有限公司. JTS 144－1 －2010 港口工程荷载规范［S］.北京：人民交通出版社，2010：26－34.

［4］ 中交第一航务工程勘察设计院有限公司. JTS 145－2 －2013 海港水文规范［S］.北京：人民交通出版社，2013：50－53.

［5］ 吴凯军，蔡田.装配式钢吊箱在高桩承台施工中的应用［J］.城市道桥与防洪，2013（7）：195－199.

［6］ 王雪元，任冰.装配式混凝土底板钢吊箱围堰在跨海大桥水上承台施工中的应用［J］.北方交通. 2013（6）：79－82.

［7］ 郭瑞，林吉明.厦漳跨海大桥北汊南引桥单壁钢吊箱设计与施工［J］.世界桥梁，2013，41（5）：10－13.

［8］ 苗博宇.恶劣海况下大型钢吊箱围堰施工关键技术［J］.铁道建筑技术，2014（6）：18－21. ［9］ 郑瑞杰，彭鹏，郭劲.整体装配式围堰在外海深水环境中的应用［J］.施工技术，2013（21）：73－77.

［10］董启军.深水双壁钢吊箱围堰设计与施工［J］.铁道建筑技术，2011（3）：82－85. ［11］余本俊，刘防震，张宗辉.苏通大桥辅桥辅墩吊箱设计与施工［J］.铁道建筑技术，2005（S1）：28－31.

［12］罗晓军.钢吊箱围堰在桥梁深水基础施工中的应用［J］.科技资讯，2013（8）：67－68.