大桥项目深水高桩承台双壁钢吊围堰项目施工技术研究报告.docx
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大桥项目深水高桩承台双壁钢吊围堰项目施工技术研究报告
天兴洲长江大桥项目
深水高桩承台双壁钢吊围堰
施工技术
研
究
报
告
天兴洲大桥项目部
二零零七年四月
第一章前言
1.1工程概述
新建武汉天兴洲公铁两用长江大桥是国家“十五”重点项目之一。
该桥位于既有武汉长江二桥下游9.8Km处天兴洲江段。
大桥正桥从北岸谌家矶长江大堤堤脚DK7+449.4向南跨长江北汊上天兴洲，越长江南汊至青山DK12+106.5止，全长4657.1m。
公路桥在南汊正桥主孔和两端与铁路桥共桥，上下层布置，北端从027#墩往北公路从平面上脱离铁路中心线，平行于铁路桥中线跨越北汊，两桥中心线相距40m，公路桥位于铁路上游。
我部施工的铁路桥主桥跨越长江北汊，全部位于直线上。
大桥是连接长江南北交通的主要过江通道，为即将建设的京广客运专线及武汉铁路枢纽服务。
同时也是武汉市规划中的中环线的过江通道。
1.1.1结构形式
大桥按正线四线设计，客运专线与Ⅰ级线间距8.6m，客运专线与Ⅰ级铁路线分别独立成桥，采用基础共用，墩身、梁体分离的形式。
长江北汊中连续梁主桥062#～066#墩采用12根φ2.5m钻孔桩，行列式布置，最大桩长85m；承台尺寸为23.1×16.8×5m。
结构形式见图1.1。
图1.1主桥基础结构形式图
1.1.2地形、地貌
大桥桥位位于天兴洲微弯分汊型河段，天兴洲将长江分为南、北两个河道。
长江两岸设有防洪干堤，堤顶高程+29.2m（北岸）。
堤内地形平坦，为长江一级阶地，地面高程多为+21.0～+25.5m。
汉口岸上主要为耕种区，分布较多鱼塘。
1.1.3工程地质
本段覆盖层主要为第四系全新统及中、下更新统地层。
桥址北岸以粘性土为主，厚35m左右；北汊以粉细砂为主，厚15～35m；基岩主要由成岩程度较差的疏松砂岩、泥质粉砂岩、砂岩组成。
1.1.4气象
桥渡区处于亚热带湿润区，夏季高温闷热，历史上最高气温41.3℃，最低气温-18.1℃，年平均气温16.8℃。
有霜冻和降雪发生，雨量充沛。
历史上全月降雨量最大在六月，为820.1mm，日最大降雨量最大为317.4mm，年平均降雨量1214～1448mm，降雨多集中在4～7月，约占全年降雨量的60％以上。
风向在六、七、八三个月以东南风为主，间有东北风及西南风，最大风力为7～8级。
其余各月多为北风及北东风，最大风力可达9级，多发生在9月份。
最大风速达27.9m/ｓ，8级和8级以上大风年平均8.2天，最多16天。
1.1.5桥渡水文
南北大堤间宽4.2Km。
河道由于沿江两岸受节点控制及护岸工程的兴建，自20世纪30年代至今河道外型基本稳定，岸线变化相对较小，河床演变主要表现在河床冲淤、洲滩消长和汊道的兴衰变化。
桥址河段在今后较长时期内仍将维持枯水单一，中、高水位双汊过流，主流在南汊的河势，但洲滩和汊道的局部冲淤变化仍将发生。
三峡枢纽运用后对建桥河段河势的主要影响表现为河床有所冲刷下切，深槽也将有所冲刷扩大，预计桥址河段不会发生大的调整。
桥址计划分洪情况下百年一遇洪水位为+27.38m；三百年一遇洪水位北汊为+28.16m。
百年一遇洪峰流量北汊22100m3/s。
二十年一遇最高通航水位+25.68m，最低通航水位+9.62m。
桥址位于汉口水文站下游约10Km，其水文情况可反映桥址河段基本水文特征（根据实际统计汉口站水位与桥位处水位相差0.32m。
经长江委研究统计历年水位如下表1-1。
表1-1历年日平均最高水位统计情况表（黄海高程）
1
0.5%
1%
2%
5%
10%
20%
15.752
15.002
14.302
13.262
12.472
11.622
2月
16.472
15.722
14.922
13.772
12.882
11.942
3月
19.322
18.392
17.472
16.142
15.112
13.992
4月
20.582
19.942
19.252
18.342
17.562
16.692
5月
22.362
21.752
21.192
20.392
19.662
18.862
6月
24.342
24.322
23.662
22.732
21.892
20.962
10月
23.572
23.572
22.802
21.762
20.872
19.842
11月
20.642
20.642
19.922
18.962
18.142
17.232
12月
17.672
17.672
16.912
15.872
15.042
14.112
10～5月
23.182
23.182
22.632
21.822
21.062
20.252
11～4月
21.432
20.792
20.162
19.312
18.572
17.732
12～3月
19.042
18.372
17.632
16.632
15.812
14.902
6～10月
27.022
26.522
25.992
25.232
24.572
23.812
1.1.6航道及航运
武汉河段自长江大桥以下为一级航道。
天兴洲南汊为青山夹水道，为目前的主航道。
北汊为沙口水道，只能通行小型船舶（Ⅲ级航道），在枯水期施工时可申请封航。
1.1.7地震
大桥场址的地震基本烈度为Ⅵ度。
1.1.8主要技术标准
铁路线路等级：
客运专线，Ⅰ级；铁路正线数目：
四线；铁路正线间距：
客运专线5m，Ⅰ级线4.2m，客运专线与Ⅰ级线间距8.6m；旅客列车设计行车速度：
200Km/h；通航净空尺度：
最高通航水位+25.68m，最低通航水位+9.62m；北汊通航孔通航净空尺度：
航道等级为Ⅲ（３），净宽不小于60m；净高在最高通航水位以上不小于10m。
1.2本课题研究的主要内容
目前，对桥梁深水基础而言，钢吊箱围堰的应用越来越广泛，但吊箱结构的受力分析、拼装、下沉定位、抗浮、抗沉等施工技术问题，需进一步进行研究，使吊箱围堰结构合理，重量轻，制造、安装、下沉简便，施工安全。
1）以双壁钢吊箱为整体研究对象，提出了将三维整体非线性仿真模分析引入钢吊箱的设计过程中，以在安全性和经济性之间寻找合适的平衡点为目标的设计新思路。
2）在双壁钢吊箱围堰施工中，创造了利用钢护筒拼组下沉钢吊箱，同时采用定位轮导向进行钢吊箱下沉定位的新方法。
第二章双壁钢吊箱围堰设计
2.1基本设计情况
武汉天兴洲公铁两用长江大桥深水高桩承台钢吊箱结构是一个双层板梁组合结构，由底板、侧板、内支撑系统、吊挂系统（抗拉、浮支柱）系统组成。
主要针对三种工况进行计算：
1）钢吊箱就位漂浮，浇注1.2m封底混凝土（未固结）；
2）封底混凝土固结，舱间注水并抽干钢吊箱内部的水；
3）承台浇注（固结）完毕，拆除抗浮支柱及内部水平支撑。
2.2设计依据
1）《公路桥涵地基与基础设计规范（JTJ024-85）》
2）《钢结构设计规范（GB50017-2003）》
3）王国正，翟履谦：
《钢结构原理与设计》，清华大学出版社，1993
4）魏明钟：
《钢结构》。
武汉理工大学出版社，2002
5）武汉天兴洲公铁两用长江大桥相关结构物图纸
2.3设计参数
1）钢吊箱设计施工水位为+20.252m（黄海高程），吊箱顶面标高+21.000m，底面标高+5.000m；
平面尺寸26.00m×19.70m×16.00m（高度）×1.40m（舱厚），如图5.1、5.2。
2）钢吊箱的材料为A3钢。
3）承台顶面标高+11.500m，底面标高+6.500m，承台尺寸为23.10m（水流方向）×16.80m（线路方向）×5.00m（高度）。
4）钢吊箱封底混凝土标号为C25，砼的重度取=23kN/m3。
封底厚度1.5m，先封1.2m，剩余30cm做抽完水后找平处理。
5）水流速度1.75m/s，基本风压0.1kN/m2，（《公路桥涵设计通用规范》全国基本风压分布图）。
6）波浪压力按照1.5m波高计算（相当于6级风的情况）。
2.4钢吊箱主要构件简述
箱各种主要构件如下：
内外壳板板厚6mm；隔舱板板厚10mm；内外壳板处设－10×430的加强垫板；
底板板厚6mm；肋骨H20×300/10×558/16×300；龙骨为H（20×400＋16×350）/10×1000/20×500。
内部水平支撑均采用2[40a拼成的箱形截面，与内壳板连接处设置－10×500的加强垫板。
经过分析和比较，确定设置2道水平支撑。
抗浮支柱（吊挂系统）也采用2[40a拼成的箱形截面。
支在底板纵横龙骨的交叉点处。
图2.1钢吊箱平面图
壳板隔舱板
图2.2内、外壳板和隔舱板的水平加劲肋及水平支撑桁架垂向布置
2.5确定计算模型
2.5.1坐标系选择
取右手直角坐标系：
沿高度方向为z轴，向上为正；沿平面长边方向为x轴，顺水流方向为正；沿短边方向为y轴，如图2.3。
2.5.2计算工况
钢吊箱分节、分块焊接拼装，在此过程中，尚未完全就位的钢吊箱处于漂浮状态，内外水压力相互抵消，所以不会产生较大的应力和变形。
根据分析的结果，本次分析计算了以下3种工况：
1）工况一、吊箱到达设计标高漂浮，浇注1.2m厚的封底混凝土（未固结）的情况；
此时由于封底混凝土未固结，没有刚度，但其重量要作用在钢吊箱的底板上，使吊箱结构产生变形。
计算中取吊箱内部（内壳板以内）和外部（外壳板以外）的水位均为设计水位。
为了保证浇注封底混凝土之前钢吊箱漂浮在水上，在1.4m舱内中的水位计算如下：
钢吊箱结构重量（包括内支撑和抗浮支柱）约591t，
舱内的水位距江水水面的高度为
591.0÷[26.0×19.7－（26.0－2.8）×（19.7－2.8）]＝591÷（512.2－392.08）＝4.92m
舱内水位到箱底的高度为
15.252－4.920＝10.332m。
1.2m混凝土（重度23kN/m3）换算成面压力为27.6kN/m2＝0.0276N/mm2。
2）工况二、封底混凝土固结完毕，抽干吊箱内部的水的情况；
为了使得上浮力较小，在吊箱1.4m舱内的水位注到与江水平齐。
此时钢护筒与封底混凝土之间的粘结力可以抵抗一部分上浮力。
为了偏于安全地设计抗浮支柱，假设上浮力完全由抗浮支柱承受。
3）工况三、承台混凝土施工（固结）完毕，拆除抗浮支柱及内支撑的情况；
此时认为混凝土（封底及承台）与钢护筒之间牢固连接。
2.5.3有限元模型
钢吊箱结构具有对称性。
所受的载荷中，水压力（静水压力和波浪压力）以及重力都具有两个方向的对称性。
水流压力与桥轴线垂直，作用在吊箱上游短边上，关于xz平面对称；风载荷比水流压力小一个量级，所以只考虑与水流压力作用方向相同的风载荷。
因此，所有载荷均关于xz平面对称。
所以沿宽度方向可以只取一半的钢吊箱建立有限元计算模型。
对应于上述3种计算工况，计算模型如图2.3、2.4、2.5。
在有限元计算模型中，所采用的单元包括：
板壳单元离散和模拟内、外壳板、隔舱板、底板等板壳结构。
单元大小以壳板垂向加劲肋间距为依据，形状尽量接近正方形。
梁单元离散和模拟上述板壳结构上的各种加筋或扶强材、内外壳板间的水平支撑桁架、内支撑、抗浮支柱等。
按照实际情况考虑梁的偏心。
块单元离散和模拟钢吊箱中的封底砼和承台砼。
有限元模型中考虑的主要构件参见图2.6、2.7、2.8、2.9、2.10、2.11。
包括：
外壳板（如图2.6）；内壳板、隔舱板和内支撑（如图2.
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