老桥下水中承台施工技术方案探索.docx
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老桥下水中承台施工技术方案探索
老桥下水中承台施工技术方案探索
公路交通技术2010年12月第6期TechnologyofHighwayandTransportDec.2010No.6
老桥下水中承台施工技术方案探索
魏星,赵留芳,王平,孟瑞
(江苏省交通工程集团有限公司南京分公司,南京21l500)
摘要:
水中承台施工采用钢套箱是一种常规施工方法,但是在净空狭小的老桥下承台施工采用钢套箱则比较少
见.以某市某路快速化改造工程项目为例,介绍老桥下狭小净空内铜套箱的设计及施工,对低净空下钢套箱分节位
置选取,受力计算,拼装,下沉,混凝土封底等施工难题进行探索,供类似工程参考.
关键词:
老桥下;小净空;承台施工;技术方案探索
文章编号:
1009~6477(2010)06—0059—05中图分类号:
U445.4文献标识码:
B
DiscussiononTechnicalPlansforConstructionof
UnderwaterPlatf0rmsunderOldBridges
WEIXing,ZHAOLiufang,WANGPing,MENGRui
1工程概况
某市某路快速化改建丁程为一个城市新建高架
桥,主桥为45ITI+75Ill+45in变截面预应力混凝
土连续刚构,双向4车道,全长649.38m,跨越
原有老桥,是典型的桥上桥.原有老桥为3跨40
m刚架拱桥,分为3幅,其中中间一幅宽5.2133老
桥需拆除,剩余两边2幅留用.新建桥6,7号主
墩基础为6根直径1.5in的钻孔灌注桩,每幅老桥
下各有2根;主墩承台为10.5mx8.5mX3m,位
于老桥的2个边跨,底标高3.0Ill,常水位7.3m,
桥下最小净空仅为3.0nl.由于桥下净空狭小,桥
上交通量巨大,施上组织异常困难.
2施工方案构想
本桥施工最大难点为主墩的桩基和承台,经多
方论证,桩基已找到最佳施工方案.对于承台施工
构想如下:
一是采用钢板桩围堰法,因为老桥下净
空狭小无法实施;二是采用人T构筑物围堰法,因
为老桥的中孔为航道,承台位置河床地面坡度很陡
且水又较深,支护问题很难解决;三是采用钢套箱
法,基本可行,但又受净空限制,必须要分节,因
此需解决如何拼装,下沉等相关施工难题.本文就
该特殊情况下套箱施工技术方案进行探讨,提出相
关解决办法,确保工程顺利进行.
3施工方法和要求
收稿日期:
2010—05—08
作者简介:
魏星(1976一),男,江苏省沭阳县人,本科,T程师
3.1设计条件
3.1.1工况条件
对钢套箱围堰施工时受力状态可按以下工况进
行分析:
拼装下沉阶段,封底混凝土施工阶段,抽
水后承台施工阶段.
3.1.2水位条件
根据现场水位观察结果,分析水文资料,确定
钢套箱顶标高为+7.8Ill.
3.1.3结构设计
综合各工况及水位条件,确定:
承台长×宽×
厚=10.51TI×6.5133X3In;套箱围堰内部净尺寸为
12.5ITIX8.5m×6.0m;钢套箱每侧留11TI作为承
台装模工作空间和套箱安装的偏位空间;钢套箱侧
板底面设计标高1.8133;承台混凝土底标高3.0m;
封底混凝土底标高1.8Ill,封底混凝土厚1.2m,
内支撑2道标高分别为+6.7,+4.81TI.主墩钢套箱
围堰设计示意见图1.
3.2钢套箱设计思路及组成
因套箱体积较大,且施工现场又受净空限制,
故钢套箱设计,制作,安装采用"分解成8片组
件在现场拼装一逐步整体下沉"的思路.
根据钢套箱使用功能,将其分为侧板,封底混
凝土,内支撑共3大部分.其中,侧板,封底混凝
土是钢套箱围堰的主要阻水结构.根据钢套箱设计
条件和经验,侧板选用单壁钢结构.
3.3钢套箱构造
考虑到钢套箱的安装和运输方便,将长向单边
60公路交通技术2010丘
施
注:
1.A为套箱顶;B为第l道内支撑中心;C为施
工时水面标高;D为河床顶;E为套箱底;F为
第2道内支撑中心;G为第2道内支撑的牛腿下
支点;H为封底混凝土顶;I为第2道内支撑的
牛腿下支点,下同.2.单位:
cm.
图1主墩钢套箱围堰设计示意
设计为1大块组件,短向单边设计为1大块组件;
竖向分2层,每层高3m,其长向单边每大块组件
尺寸为l2.5m×3m,其短向单边每大块组件尺寸
为8.5rn×3m,块与块之间采用双拼20a槽钢加
16mm螺栓连接,用1cm厚膨胀橡胶带止水.
为方便以后拆除,所有连接螺栓均设在外侧.
3.3.1钢套箱侧板
钢套箱侧板尺寸为长边l2.5m×31TI,短边
8.5m×3nl.面板为6mm钢板,竖向背楞立柱均
为[20a,间距500mm;横肋为『8a,间距0.5m.
块与块之间的连接为角钢160mm×160mm×12
mm(钻18mm螺栓孔,间距200—250ram).采
取钻孔加螺栓或焊接将上下层竖肋链接形成整体.
钢套箱总重36.07t.
3.3.2钢套箱内支撑
内支撑由内圈梁,内斜撑,水平支承3部分组
成.所有杆件均为焊接.
内圈梁:
内圈梁设2层,设在钢套箱侧板的内
侧,标高分别为+6.7,+4.8m.上层内支撑由双
拼工字钢125组成的水平环,下层采用三拼工字钢
145a组成的水平环安装在侧板内壁牛腿上.
内斜撑:
为避开钢护筒和以后绑扎承台钢筋需
要,把部分水平撑水平撑杆改为内八字撑,内斜撑
设的位置同内圈梁.由单根工字钢I25或145a组
成的内斜撑安装在侧板内圈梁内壁和水平撑杆上.
水平撑杆:
第1道水平撑杆设在长边的正中
间,水平撑杆设置位置同内圈梁.单根工字钢I25
组成的水平撑杆安装在侧板2根内圈梁内壁上.第
2道水平撑杆因影响承台施工不设.
3.4钢套箱设计计算
荷载取值依据:
考虑钢套箱围堰设计荷载组
合.
水平荷载∑=静水压力+风力+其他.
竖直荷载∑GJ=钢套箱自重+封底混凝土重+
浮力+其他施工荷载.其中,单位面积上的静水
压力按10kN/m计,水压随高度按线性分布,风
速很小,可忽略;封底混凝土容重为24kN/m;
水的浮力为10kN/m.
综合工况条件分析和计算内容,对钢套箱各部
分取最不利受力工况进行计算.
1)工况1:
主墩承台钢套箱围堰抽水施工第2
道内支撑时且第2道围囹未上前的安全验算.
该工况下横向加劲肋不需验算,只需对竖向加
劲肋进行安全验算.实际施工时水需抽至标高为
4.3m位置(图1),此位置受力简图见图2.
注:
1.q为施1二时水需抽至标高为4.3m时竖
向加劲肋的荷载,下同.2.单位:
cm.
图2工况1受力简图
通过受力分析,最不利位置最大弯矩‰=
19.882kN?
m,截面抵抗矩W=178cm.:
1.78×
10m.,应力1=W=112MPa<[ty]=145MPa,
这是Jrr.J025—86《公路桥涵钢结构及木结构设计规
范》规定的钢材容许应力,显然竖向加劲肋强度能
满足要求.
2)工况2:
主墩承台钢套箱围堰抽水加内支
撑至承台混凝土浇筑前的安全验算.
(1)面板强度,竖向加劲肋[20a槽钢,横向
加劲肋『8a槽钢强度验算.
①面板按四周固定的弹性双向板计算,板厚
6mm,每块板为50Clll×50cm,根据《路桥施工计
算手册》,应力=M—W=692.55/6=115.4MPa,
小于JTJ025—86规定值145MPa,可满足规范规
定要求.
②挠度验算.
构件冈0度B0=Eh3/12/(1—1,)=2.1×10×63/12/
(1—0.3)=41.54×10N?
mm.
式中,E为钢材弹性模量,取2.1×105MPa;h为
钢板厚度,mm;为钢板泊松系数,取值0.3.
板的挠度∞=×ql4/B0=0.00127×0.054×
2010年第6期魏星,等:
老桥下水中承台施工技术方案探索
D点F点
B点c点
单位:
t2m
图3工况2竖向加劲肋受力简图
q.=(21+12)/2=16.5kN/m
l8O
单位:
P,m
图4工况2最不利竖向加劲肋受力简图
5001/41.54/100000=1.03mm.60=1.03<l/250=
500/250=2,满足JTJ025—86规范要求.
式中,为挠度计算系数;q为荷载,N/m;为构
件长度,mm.
③竖向加劲肋计算,采用『20a槽钢,间距
0.5in,按连续梁计算,则D点荷载qo=42×
0.5=21kN/m,F点荷载qF=24×0.5=12kN/m,
点荷载qB=5×0.5=2.5kN/m.竖向加劲肋受力
简图见图3.
验算最不利即最底下180em跨径的竖向加劲
肋简化受力,见图4.
该段构件平均受力荷载q=16.5kN/m=16500
N/m,长度L=1.8nl,截面抵抗矩W=178em=
1.78×10nl(查路桥施工计算手册型热轧普通槽钢
截面特l生表所得),最不利弯矩M一=ll8qF=0.125×
16500×1.86682.5N?
no_,最大应力‰=√
W=37.54MPa<=145MPa,最大挠度=5ql!
/
384}EiI=5×16500x1.8'/384/2.1/100000/1000000/
1780.4×100000000=0.0006in,小于3mm(JTJ
025—86规范规定容许挠度),故满足要求.
式中,,为截面惯性矩,查路桥施工计算手册型热
轧普通槽钢截面特性表所得.
in,
④横向加劲肋计算,采用【8槽钢,问距0.5
跨径0.5in,按简支梁计算.
计算最下面1根槽钢荷载q=(7.2—1.8)×10×
0.5=27kN/m=27000N/m.横向加劲肋受力见图5.
构件长度L=0.5nl,截面抵抗矩W=25.3
em=2.53×10ITI,最不利弯矩=1/8qF:
0.125×
27000×0.52=843.75N?
in.
50
单位:
cm
图5横向加劲肋受力简图
最大应力‰=M/W=33.35MPa<fol=145MPa,
最大挠度.=5q11/384/E/I=5×27000×0.54/384/
2.1/100000/1000OO0/101.3×100000000=0.0001
in,小于3mm(JTJ025—86规范规定容许挠度),故
面板强度,竖,横向加劲肋强度和挠度能满足规范
规定要求.
(2)围囹及其内支撑计算.
以第2道围囹为例.
采用I45a三拼工字钢,取每111工字钢作为计
算单元,荷载q=10×0.5×1=5kN/m.
短边最长一段简支梁双拼工字钢受力验算:
长度L=4.145ITI,截面抵抗矩W2×401.4=
802.8em,弯矩M=l/8q/2=0.125×5000×4.145=
10738N?
in,最大应力‰=M/W:
13.38MPa<
『o-]=145MPa,满足规范要求(JTJ025—86规定值
为145MPa).
中间支撑工字钢的验算,其简化结构为框架结
构,见图6.
依据力矩平衡原理,得N×6.25=6.25×5×
q=5kN/m
2604136459
单位:
em
图6中间支撑工字钢受力简图
6.25/2"4-4.25×5×4.25/2,计算N=22.85kN,则
压应力=N/A=22.85×1000/(48.51×10)=4.7
MPa<[o-]=145MPa,满足规范要求(JTJ025—86规
定值为145MPa).式中,Ⅳ为轴向压力;A为构
件截面面积.
(3)抗浮力计算.钢套箱内抽完水后至浇筑承
台混凝土前整个阶段,必须满足钢套箱自重+封
1
62公路交通技术2010丘
底混凝土自重+粘结力>浮力.
根据抽干水后钢套箱所承受的浮托力进行估算
(不考虑封底混凝土与土地基的粘结力和内支撑重
量,可作安全储备),Q+h×(×A+,z"rrD[R)≥
kyHA,即
36.07×10+h×(24×106.25+6X3.14×2×
100)≥1.2×10×(7:
2—1.8)×106.25.
式中,Q为钢套箱总重;h为封底混凝土厚度,取
1.2m;7c为封底混凝土容重;A为围堰净面积;,z
为桩基数量;D为桩基外径;rl为钢护筒与封底
混凝土的容许粘结力;为水容重;k为安全系数;
H为钢套箱内外水头差.
3.5套箱制作,拼装,下沉
3.5.1套箱制作
钢套箱在工厂加工完成后用汽车运至现场进行
试拼并编号,以避免使用时错号组拼产生过大的拼
装误差.在接近施工现场的位置进行拼装.钢套箱
内,外壁涂刷底漆(防锈漆)2道,面漆1道.
3.5.2钢套箱拼装,下沉
1)基坑开挖.
采用专用于河道清淤的水下水枪并配合空压机
和吸泥管来清理河床,开挖时清低一点,以确保封
底混凝土的厚度.对钢护筒周边死角处派潜水员进
行清理后再挖除,经测量确认标高到位后再进行下
一
道工序施工.
2)套箱拼装及下沉.
步骤1:
拼装前采用I25a工字钢在下层钢套
箱沿侧板内侧焊接设置1道临时内支撑(标高设置
为+3.5m,即距顶1.3m),要求工字钢平放并与
钢套箱面板焊接牢固,且上下都设牛腿固定,顶部
牛腿间距不大于1.5m.
步骤2:
利用12个5t手拉葫芦将各块侧板悬
吊固定于老桥上(吊点位置按侧板尺寸均分选取),
每块侧板用80t施工船运送至现场,然后用手拉
葫芦吊起,空中拼装成下层钢套箱;在临时支撑上
纵桥向方向设置6道125a工字钢,用6个10t葫
芦和钢丝绳与下层钢套箱临时内支撑上12个吊点
连接,作为安全保险装置.共同用l8个葫芦缓缓
下沉下层钢套箱,沉至该节套箱顶露出水面30cm
位置后暂停.
步骤3:
用水平仪在每个钢护筒上标出+7.2m
标高线,然后割除钢护筒顶部分使其形成一个水平
面,在钢护筒上架设2层125a工字钢,并与护筒
焊接牢靠,作为固定下层钢套箱的悬吊支架,在下
层钢套箱顶面内侧设置挂点,用6个10t葫芦将
原侧板悬吊转换到护筒上悬吊.
步骤4:
利用固定于老桥上12个5t手拉葫芦
和施工船拼装上层钢套箱.拼装完成后,将钢护简
上2层10个挂点松开,利用12个5t手拉葫芦和
6个临时内支撑上的10t手拉葫芦缓缓将钢套箱降
到设计点位后,再全部松开.组织18个人一起操
作5t和10t手拉葫芦,同步下放钢套箱,为防止
下放失控应注意控制下放速度在10cm/min左右.
步骤5:
钢套箱着床后为防止受水流压力的作
用向下游漂移,应立即在钢套箱侧板内壁与钢护筒
之间设置定位支撑系统.
3.5.3水下封底混凝土浇筑
1)钢套箱下放到位后,检查着床情况,如果
其四周与河床有间隙,立即在钢套箱外侧抛填沙
包,以防止封底混凝土泄漏导致封底失败.
2)派潜水员将桩基钢护简周围的泥土和钢套
箱内侧用钢丝刷等_T具清洗干净,同时用水下水枪
将套箱内侧基坑整平.套箱内局部河床面如出现积
淤现象,应及时采用空压机和吸泥管进行清淤,以
保证封底混凝土质量.
3)利用套箱顶面平台架设浇筑水下封底混凝
土的平台与导管.
每个墩的封底采用C25混凝土,数量约为
127.5m.,厚1.2m,封底净面积106.25m.导管
用直径为250mm的钢管制作,内壁表面应光滑并
有足够的强度和刚度,布置时应使各导管的浇筑面
积相互覆盖,按每根导管作用半径计算,本套箱需
布置12根浇筑封底混凝土导管.
4)水下封底混凝土浇筑顺序.
封底混凝土浇筑顺序是从围堰内的下游开始到
上游结束.浇筑前对所有机具,材料,混凝土配合
比及施工布置情况进行全面细致的检查,保证施工
机械在灌注桩过程中不发生故障;采用C25水下
混凝土,塌落度控制在18~20cm,同时在混凝土
中掺入0.015%(水泥重)铝粉,以保证混凝土和钢
套箱紧密结合.每根导管首批混凝土的储存方量应
使首次灌注的混凝土能满足导管的初次埋深.封底
时,每根导管依次灌注,初次浇筑混凝土时导管口
比河床底提高15~20cm为宜,每次下料间隔应不
超过1h,以确保下料流畅.浇筑过程中应随时观
测封底混凝土面标高(可在测绳头上固定一块100
2010年第6期魏星,等:
老桥下水中承台施工技术方案探索63
mmX100mmX5mm钢板作为丈量使用).实际浇
筑高度应比承台底设计标高低10cm,预留作为承
台底排水隔离层用的空问.浇筑到位后再逐排吊拔
导管沿套箱向另一侧移动直至封底结束.
5)为保证封底混凝土养护期间套箱内外水压
平衡,预先在水面以上约20em处预留2个0
cm洞口以自动调节水位变化,同时在钢套箱内外
各挂2台25m的潜水泵,以防止钢套箱外水头
高度超过自动调节范围.
3.5.4内支撑安装和抽水
待水下混凝土达到设计强度后,将洞口封堵,
开始抽水安装支撑.内支撑共分成2道,逐道加
固时,需将套箱内水位控制在该道内支撑以下约
50cm内;待本道加固完成并经验收合格后,再抽
水加固第2道内支撑;待所有内支撑加固完后,
用大功率水泵抽水,边抽水边观测套箱,发现异
常及时从外向里回水,无异常可连续抽水,直至
抽完为I匕
4承台施工
待封底混凝土达到一定强度后,抽水并清理封
底混凝土面上的杂物,破桩头,桩基检测并拆除临
时内支撑.按常规方法进行承台钢筋绑扎,立模,
混凝土采用泵送,分层浇筑,一次成型.
5结语
水中承台施工采用钢套箱是一种常规施工方
(上接第58页)
以上研究结论,可为类似工程提供参考.
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【5】湖南省建筑工程集团总公司.四川广安奎阁渠江大桥工
法,但是在低净空的老桥下采用钢套箱施工则比较
少见.本文对低净空老桥下承台施工钢套箱设计,
运输,拼装,下沉,封底等问题进行了有益探索,
可为类似工程提供参考.
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