南京大胜关长江大桥主桥4号墩双壁钢吊箱围堰整体吊装设计与施工

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文章编号:1003-4722(2008)04-0020-04

桥梁建设 2008年第4期

南京大胜关长江大桥主桥4号墩双壁钢吊箱围堰整体吊装设计与施工

程 晨

(中铁大桥局集团第四工程有限公司,江苏南京210031)

摘 要:南京大胜关长江大桥主桥4号墩基础施工采用先平台后围堰的方法。介绍该墩855t双壁钢吊箱围堰在岸上整体制造、气囊法下水、浮运至墩位、采用大型水上浮吊进行整体吊装的施工技术。

关键词:桥梁基础;吊箱围堰;施工方法中图分类号:U445.556

文献标志码:A

DesignandConstructionofIntegralLiftingandInstallationofDouble WallSteelBoxedCofferdamforMainPierNo.4ofDashengguanChangjiangRiverBridgeinNanjing

CHENGChen

(The4thEngineeringCo.,Ltd.,ChinaZhongtieMajorBridgeEngineeringGroup,Nanjing210031,China)

Abstract:TheconstructionofthefoundationforPierNo.4ofthemainbridgeofDasheng guanChangjiangRiverBridgeinNanjingwasimplementedbywayofinstallingtheworkingplat formfirstandthecofferdamlate.Thispaperpresentstheconstructiontechniquesfortheintegralfabricationofthe855tdouble wallsteelboxedcofferdamonlandforthepierfoundation,launch ingofthecofferdamdowntoriverbytheairbagmethod,floatingofthecofferdamtopiersiteandintegralliftingandinstallationofthecofferdamtopositionbylargecapacityfloatingcrane.

Keywords:bridgefoundation;boxedcofferdam;constructionmethod

1 工程概况

南京大胜关长江大桥是京沪高速铁路的控制性工程之一,主桥为2联2 84m连续钢桁梁+(108+192+336+336+192+108)m六跨连续钢桁拱桥,其中4号墩是连续钢桁拱桥的边墩,位于长江北侧河槽浅水区。基础设计为高桩承台,由21根直径2.5m钻孔桩呈纵向7排横向3排布置。矩形承台平面尺寸为41m 19m,厚5m,承台顶面标高为+0.0m,承台底面标高为-5.0m,封底混凝土底标高为-7.0m。1.1 工程水文

桥址河段处于感潮区内,潮汐为不正规半日潮,潮差较小,水流基本为单向流,平均涨潮时间约为3.9h,平均落潮时间约为8.5h。长江流域以雨洪径流为主,每年5~10月为汛期,11月~翌年4月为枯水期,洪峰多出现在6~8月,1月或2月水位最低,设计洪水时主流表面最大流速为2.28m/s。1.2 总体方案

根据施工进度及河床标高、水位等因素综合考虑,4号墩基础先采用平台法施工钻孔桩,后辅以双壁钢吊箱围堰施工承台。围堰平面尺寸为44.2m 22.2m,底节围堰高12m,双壁厚1.6m,自重约

收稿日期:2008-06-12

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855t,2.5m高单壁顶节为洪水期加高段(暂不施工)。围堰采用分块制造、江边船厂拼装成整体、气囊法下水、浮运至墩位、整体吊装的施工方案。2 钢围堰吊装设计2.1 吊船及吊具选择

考虑动载系数后钢围堰总吊重G=1026t。结合围堰重量及桥位处水位情况选用 镇航工818号!吊船(简称1200t浮吊),其船体平面尺寸为86m 28m。当吊臂仰角为57.5 时,主钩起吊能力1057t,吊高57.9m,吊幅36.9m。吊船自带4根吊装钢丝绳,公称直径为120mm,单根长度58m,每根钢丝绳最小破断力约7820kN,卸扣为150t弓型卸扣。

施工期极限最低水位+1.0m,已成桩的围堰吊挂钢护筒顶标高为+4.65m。由于4号墩下游侧紧邻一座固定式混凝土工厂,北侧有作业平台(不拆除),南侧距相邻墩位仅89m,所以吊装惟一的站位在上游侧,见图1

。

图2 吊点平面布置及吊索投影

围堰双壁厚度1.6m,内、外壁板厚6mm,双壁板间以多层水平环形(V字形)布置的角钢作为联结支撑,并且每隔2~4m设1道隔仓板。吊耳由围堰的内壁板、双壁间隔仓板和新增的吊耳板、横板、竖板、加劲板组成,呈箱形结构,见图3。

图3 吊耳(A吊点)结构示意

2.2.1 荷载

按对称原则布置的4根起吊钢丝绳共同承担围堰吊重G,则单根钢丝绳需承担G/4,由于1根钢丝绳连接A、B两个吊点,且A、B吊点吊索角度不同,假定A索力与B索力相等,根据图2中吊索投影角度建立如下方程组:

FA/sin72.5 =FB/sin57.21

4(FA+FB)=G

式中,FA为A索力的竖向分力,即A吊耳承载的围

图1 围堰整体吊装示意

堰吊重;FB为B索力的竖向分力,即B吊耳承载的围堰吊重。

计算得:FA=1363kN,FB=1202kN。

根据FA、FB值计算出相应的水平分力HA、HB

分别为430kN和650kN,而A(B)索力N为1429kN。

直径120mm的吊装钢丝绳最小破断力为7820kN,取安全系数K=5,则允许吊重为1564kN>N=1429kN。单个吊点设1个卸扣,允许载荷1500kN。钢丝绳及卸扣满足受力要求。2.2.2 吊耳结构受力分析

(围堰属薄壁壳体结构且平面尺寸较大,由于内支撑体系中的水平桁架及吊架均为格构式杆件,截面特性较弱,无法承受吊点集中荷载,如采取替换或加固措施则施工周期较长;如新制大型吊具则投入较多,不经济。经过对围堰结构特性的分析研究,决定在不削弱围堰结构的条件下增设吊耳作为起吊承力结构。围堰长宽比值约为2,吊点可全部设在长边,以受力均匀为原则在每边设2个A吊点和2个B吊点,1根钢丝绳同时连接1个A吊点和1个B吊点,见图2。2.

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结构传递至内壁板、隔仓板,需计算吊耳板的抗拉强度、销孔的局部承压、吊耳板与内壁板间的连接(焊缝)强度、箱形吊耳结构的抗弯强度、隔仓板的抗拉强度等。

吊耳板选用32mm钢板,在销孔处两侧各贴1块20mm加强板,销孔直径176mm。计算结果:吊耳板应力88.5MPa,销孔局部承压应力为156.3MPa。

吊耳板作为主受力结构与内壁板采用焊接,由于内壁板太薄,为保证连接强度在壁板外侧贴1块25mm厚补强板,补强板开U形槽通过塞焊与壁板相连。假定围堰吊装时索力的竖向分力由吊耳板直接传与围堰内壁板(偏安全,不考虑吊耳箱形结构作用),受力焊缝计算结果见表1。

表1 吊耳板与内壁板连接焊缝受力计算

吊点AB

偏心距

e/m

剪力弯矩焊缝角度焊缝有效焊缝应力F/kNF#e/kN#m /( )宽度B/m f/MPa

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0.3520.604

13631202

479.8726.0

68.4627.08

0.0220.01

40.9108.8

由上、下横板,竖板,内壁板组成的箱形截面抗弯模量W=12.38 106mm3,隔仓板受拉面积A=720mm 12mm=8640mm2,选择受力较大的A吊点进行检算:

箱形结构抗弯强度=FA#L/4W=64.9MPa<[ ]=170MPa

隔仓板抗拉强度=(FA#L1/L)/A=73MPa<[ ]=170MPa

式中,L为两隔仓板间距(见图3);L1为吊耳中心至隔仓板距离(见图3)。由计算结果可知,吊耳结构满足受力要求。2.2.3 局部应力

利用MIDAS程序建立起吊工况下围堰吊耳局部受力模型(见图4),对吊耳板、围堰壁板、隔仓板等应力集中处进行分析,模型检算与计算结果相符,局部应力值在允许值范围内,具体的应力值见表2。

表2 整体起吊工况吊耳各处应力值

吊点A

B

箱形结构52.4~69.647.3~62.8

隔仓板35.1~52.447.3~62.8

吊耳板69.6~86.962.8~78.4

图4 A、B吊点处吊耳局部应力

滑冲下水 浮运至墩位 大型吊船整体起吊 对位 利用导向系统下放围堰 围堰注水下沉 调整围

堰平面位置 围堰就位 固结吊挂系统实现体系转换 拆除围堰起吊系统 封底施工。3.2 钢围堰制造拼装

钢围堰由底板(龙骨)、侧板、内支撑架、吊架、吊挂分配梁等组成。考虑围堰下水要求,拼装场地选在临江边处。围堰尺寸大,重量大,采用车间加工成单元件、分块拼装方案。拼装原则为先下后上、先内(支撑)后外(侧板)。在围堰拼装形成整体后,依据实测钢护筒平面位置、斜率进行底板开孔,开孔直径需比护筒外径大20~30cm。吊耳、浮拖装置、堵漏盖板(用铁丝与底板临时连接)等同步安装。3.3 钢围堰下水浮运

围堰采用气囊法下水。由于钢围堰底板设有龙骨,为保证气囊均匀受力,在底板下铺设厚16mm的钢板作为钢围堰与气囊间的衬垫,钢板在围堰入水后自行脱落,可回收。

围堰浮运距离约20km,综合考虑钢围堰自浮吃水深度、定倾半径、阻力等参数,选择采用3艘合计功率1600kW的拖轮以吊绑结合的形式进行浮运,此种方式因拖力作用点分散,对钢围堰的局部影响不大,不易造成钢围堰的变形和损坏。浮拖选择MPa

吊耳(含加强板)

局部承压处173.2~190.5156.1~171.6

3 钢围堰施工3.1 施工流程

钢围堰的施工流程为:施工准备 工厂分块加

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3.4 钢围堰整体吊装

3.4.1 围堰吊装前准备工作

(1)钻孔平台拆除及河床清理。由于钻孔周期较长,河床淤积后影响围堰的下沉,同时平台拆除过程中可能有杂物遗落在河床,必须打捞干净。

(2)支承护筒处理。因钢围堰是悬挂在支承钢护筒上进行定位的,所以要提前修正支承钢护筒顶口标高,安装钢护筒顶口挂桩支座。

(3)定位及导向系统布置。结合墩位处已有设施布设导向、调整装置。

(4)临时靠绑。从安全操作角度考虑,围堰整体吊装需安排在白天,所以浮运到位后的围堰需在墩位上游进行临时停泊,因此在上游北岸侧设1艘400t靠绑船。

3.4.2 围堰吊装过程

围堰吊装分3个阶段。

第1阶段为围堰从自浮状态转为浮吊承载状态。首先安装钢围堰8个吊点的吊装钢丝绳,检查各相关配套措施。浮吊起升围堰至围堰底面位于水面以下0.5m时暂停,待围堰底部内外气压平衡后继续起钩。在钢围堰脱离水面后,稳住围堰10~15min,观测浮吊、吊索及围堰情况,确定一切正常后,继续起升围堰至控制标高。

第2阶段为浮吊(围堰)对位下放。通过浮吊绞锚,移动围堰至墩位上方,缓慢落钩下放围堰,使围堰底板的预留钢护筒孔口穿过护筒下落至水面以上1m左右时暂停,安排人员进入围堰将底板孔口周围的4块封堵盖板安装就位(螺栓不拧紧),人员撤离,继续松钩下放围堰。

第3阶段为围堰注水下沉。随着围堰下放,浮力逐步增加,考虑潮差影响在围堰入水3m后即可注水下沉(自浮状态吃水4.5m)。为保证围堰下沉过程中的平面位置,采用重力大于浮力的原则进行双壁内对称注水使围堰均匀下沉,即注水1m,围堰下沉1m,重复操作至围堰内支撑距护筒顶面约20cm时,暂停下落,检查(调整)围堰平面位置,满足要

求后继续下落至围堰(吊挂分配梁)落在支承护筒上,再次确认围堰平面位置,若满足要求可将吊挂分配梁与护筒顶焊接,若不满足要求,需提升围堰重新落位。最后潜水员下水,将每根护筒周边的4块堵漏盖板的长杆螺栓收紧,使堵漏盖板贴紧护筒,并用细长沙包进行水下封堵。3.4.3 围堰定位调整措施

钢围堰吊装过程中平面位置主要依靠浮吊绞锚进行调整,受水流及浮吊自身特性的影响,对位精度难控制,特别是穿越护筒时,要保证21个护筒同时对准,难度很大,考虑围堰体积大,对位时高度变化,无法利用固定导向,所以在作业平台和固定式混凝土工厂平台上各设2台1t卷扬机,呈 八!字形布置,钢丝绳通过转向滑轮与围堰外壁拉环相连进行牵引调整。

在围堰套入护筒后需进行平面定位,此时由于围堰底口标高低于平台,钢丝绳角度太小,无法采用上述调整方法,需通过一端连接围堰内壁拉环,另一端固定于护筒内的15t倒链收、放进行围堰平面位置调整。

围堰下放至设计标高后,需精确定位。可在定位前选定4根垂直度较好的钢护筒(均匀分布在围堰内周)作为定位基准桩,在平潮期进行测量定位,由上述15t倒链及围堰吊架上所设调整导向构件进行微调,在标高、中心坐标、平面扭转等控制值均达到规范要求后,围堰与护筒固接,完成下放定位工作。

通过以上各项措施,围堰平面位置控制较好,穿入护筒一次完成,围堰平面定位精度达到2cm。4 结 语

南京大胜关长江大桥主桥4号墩双壁钢吊箱围堰从下水浮运至整体吊装就位历时3d,大大缩短了承台施工周期,展现了当代桥梁建设快速、简捷的水上施工新思路。吊点设计充分利用围堰自身结构,为同类型施工设计提供了参考。

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