水中钢套箱模板系统设计与验算

水中钢套箱模板系统设计与验算

马玉辉

马玉辉

中交一航局第四工程有限公司天津300456

摘要：目前水中承台施工多采用钢套箱模板施工工艺，其主要特点是施工方便快捷造价低，但受外部环境影响比较大，这就对钢套箱的稳定性提出了更高的要求，本工程结合工程地质条件确定钢套箱施工方案，并经过优化设计和结构验算使钢套箱材料得到充分的循环重复利用。

关键词：钢套箱优化设计结构验算

一、工程概况

加蓬PO项目奥果韦河特大桥位于奥果韦河入海口，桥梁全长4707m，跨径组合为（21×30）+（65+120+65）+（115×30）+（35+60+35）+（8×30）m；北汊桥采用65+120+65=250m连续刚构，南汊桥采用35+60+35=130m连续箱梁；其余引桥采用30m跨径装配式预应力混凝土先简支后结构连续等高连续T梁；共有水中承台34个，承台高度分别为4m、3m、2.5m，最大承台尺寸为20.9m×11.9m×4m。

二、钢套箱设计及优化

2.1方案确定

2.1.1工程地质水文条件

本工程位于奥果韦河入海口水深最高达到12m，且受潮汐影响水位变动幅度较大，施工区域河床主要由灰白色和褐黄色的细砂及中砂构成，局部地段呈粉砂状，且有部分砂层含有机质，因为河流冲积，砂质多松散，工程性质一般。

2.1.2施工方案确定

目前深水桥梁基础施工越来越广泛的采用钢套箱围堰，钢套箱围堰具有能够承受较大水压且施工不受水位变化影响的优点，从而加快了施工进度。根据本工程现场地质水文条件，经过论证比选，最终确定本工程水中承台采用有底钢套箱围堰施工。

2.2钢套箱结构形式及优化

2.2.1钢套箱结构形式

（1）钢套箱主要有侧板、竖向背楞、圈梁、内支撑、吊挂系统、底板系统等组成。钢套箱为单壁结构，分片加工，标准块宽2m，采用螺栓连接。侧板面板采用δ=6mm钢板，背楞采用I12.6工字钢，侧板竖向背楞采用2[22a槽钢，标准间距1250mm，最外层设置圈梁，钢套箱各主要构件的截面形式见表1

（2）在施工过程中28#、29#承台发生了设计变更，原四桩承台变更为六桩承台，由于工程所在国家没有模板加工厂家，从国内加工运输时间太长，只能通过现有模板、工字钢、槽钢、铁板进行加工改造，并通过增加两根φ630mm的钢管桩提高钢套箱的抗浮、抗滑能力，通过验算完全能够达到要求，既节约了成本又大大加快了施工进度。

三、钢套箱结构验算

本文通过Midas软件对28#承台改造加工的钢套箱结构模型进行不同施工阶段仿真工况分析验算，确定钢套箱模板改造加工后的刚度、强度、稳定性。

3.1计算工况

根据施工过程，通过对结构进行工况分析，钢套箱的主要控制工况有三个阶段：

工况一：钢套箱安装下放阶段，该阶段主要计算钢套箱的整体受力性能；

工况二：封底混凝土施工阶段，计算封底混凝土浇筑完成时，吊挂体系和底板系统的受力性能；

工况三：封底抽水后阶段，该阶段主要计算钢套箱壁板、内支撑结构及封底混凝土抗浮稳定性强度；

3.2荷载以及荷载组合

结构的主要荷载为：

（1）结构自重G1

（2）封底混凝土自重G2

（3）水浮力F1：ρgV排

（4）静水压力F2：γh（水面以下呈三角形分布）

（5）混凝土对侧板压力F3

（6）水流冲击力FW

荷载组合见表3

3.3结构建模及分析

模板受力采用有限元软件Midas进行建模分析，其中模板面板采用板单元模拟，横肋、竖肋、龙骨及内支撑均用梁单元模拟，模板有限元模型如图2所示

3.3.1工况一条件下模板结构验算

本承台钢套箱设置25个吊点，吊点具体位置详见吊挂系统图（见图3），大部分吊点在同一直线上，承台拼装完成后，进行下放，下放时为保证下放同步，下放时只启用4个吊杆，下放时吊点处各采用1台75吨油压穿心千斤顶，下放完成后，25个吊点拧紧螺母锁死，在工况一荷载作用下各构件应力如图4、图5所示。

该工况下钢套箱底板最大组合应力90.8Mpa，最小组合应力为-46.1Mpa，小于容许强度181Mpa。底纵梁最大挠度4.4mm，小于L/400=29mm，满足要求。

3.3.2工况二条件下模板结构验算

钢套箱封底阶段主要荷载有钢套箱自重，封底混凝土自重，需注意由于封底混凝土为水下浇筑，故混凝土的重力密度为混凝土水中的容重，河水流动对钢套箱产生的冲击力以及混凝土对模板产生的侧压力。

钢套箱竖直方向上用25根吊杆悬掉于与护筒焊接的扁担梁上，扁担梁在实际施工中位移较小可忽略不计，故在Midas模型中对扁担梁与护筒接触点采用固定约束进行模拟；套箱水平方向上每侧采用2个焊接于护筒上的支架限制钢套箱位移，在Midas模型中采用限制钢套箱底板与护筒接触点水平方向位移进行模拟。

该工况主要验算底板系统刚度和强度及吊杆受力性能。计算结果如图6～图9所示。

该工况下钢套箱底板最大组合应力133.5Mpa，最小组合应力为-132.7Mpa，小于容许强度181Mpa。底板最大挠度16.0mm，满足要求，吊杆最大组合应力222.9Mpa。满足要求。

下放承重梁最大组合应力40.9Mpa，最小组合应力为-68.3Mpa，小于容许强度181Mpa，满足要求。

3.3.3工况三条件下模板结构验算

该工况主要验算壁板及内支撑刚度和强度，钢套箱抽水完成，承台施工前钢套箱内外压力差最大，钢套箱侧壁处于最不利工况，以最高水位+3.689m进行计算。其计算结果见图10～图13。

钢套箱最大组合应力129.5Mpa，最小组合应力为-97.7Mpa，钢套箱面板最大组合应力40.1Mpa，均小于钢材容许强度181Mpa；钢套箱最大挠度15.8mm；均满足要求。

内支撑最大应力3.5Mpa，最小应力-3.2MPa，小于钢材容许强度181Mpa；满足要求。

3.4钢套箱抗浮、抗滑稳定性验算

由于设计变更后两侧新增加的灌注桩周围底板面积较大，为了保证结构稳定在承台两侧各增加了一根φ630mm钢管桩，并对钢套箱的抗浮、抗滑性能进行验算如下：

3.4.1底板抗浮稳定性验算

在施工高水位+3.689下，浇注80cm厚封底混凝土（C20）后（前期第一次封底厚度80cm），钢套箱内抽水，施工荷载有：结构自重、封底混凝土自重、钢套箱浮力、护筒与封底混凝土的粘结力。

混凝土与护筒粘结力按照15t/m²算。

梁底面积A=（14.4×20.9）-（6×π×1.8×1.8/4+2×π×0.63×0.63/4）=79.2m²

钢套箱及封底混凝土(80cm厚)自重：G=239.2t↓

钢套箱浮力：F浮=ΥAH=1.0×79.2×(3.7-0.7)=237.6t↑

护筒与封底混凝土粘结力：C=15×（π×1.8×6+π×0.63×2）＝568.0t↓

抗浮稳定系数：

K=（G+C）/F浮=（239.2+568.0）/237t=3.4＞1，封底混凝土厚度满足抗浮稳定性要求。

3.4.2低水位+2.791情况下浇筑第一层承台混凝土

在施工低水位+2.791下，浇注第一层混凝土（C35）。第一层承台混凝土时，施工荷载有：结构自重、封底混凝土自重、第一层承台混凝土自重、钢套箱浮力、护筒与封底混凝土的粘结力、钢护筒增设锚筋的锚固力。

钢套箱及封底混凝土(1m厚)自重：G=276.5t↓

第一层混凝土自重：Q=2.5×79.2×1.5=297.0t↓

钢套箱浮力：

F=ΥAH=1.0×79.2×(2.79-0.7)=165.5t↑

护筒与封底混凝土的粘结力：

C=15×（π×1.8×6+π×0.63×2）＝568.0t↑

抗滑承载力系数：K=（F+C）/（G+Q）=（165.5+568）/（276.5+297.0）=1.28＞1.2。

封底混凝土厚度满足抗滑移稳定性要求。

四、现场施工效果

奥果韦河特大桥水中承台已全部施工完成，模板数量完全满足施工进度要求，且最大限度的提高了模板的周转率，模板的强度、刚度、稳定性保证了承台的施工质量和安全要求，尤其在28#、29#承台的模板加工改造中，通过结构验算为承台施工提供了技术支持，顺利的完成了施工任务。

五、结语

本文结合工程实例通过合理配置模板，经过结构的优化设计使钢套箱施工充分循环利用钢套箱材料，并通过Midas有限元分析软件进行验算，使得施工成本大大降低，并加快了施工进度，取得了良好的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]中华人名共和国行业标准.JTG/TF50-2011公路桥涵施工技术规程[S].北京：人民交通出版社2011

[2]中华人名共和国国家标准.GB50017-2003钢结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社2003

[3]中华人名共和国行业标准.JTGD60-2015公路桥涵设计通用规范[S].北京：人民交通出版社2015

[4]中华人名共和国国家标准.GB50009-2012建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社2012

作者简介：马玉辉，男，1981，河北沧州，工程师，计算机科学与技术专业。