1、1上海长江大桥工程钢套箱施工工艺中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号： 一 工程概况 1.1 工程范围工程量 上海越江通道工程南起上海市浦东新区外高桥东的五号沟，经长兴岛中部新开港至崇明陈家镇奚家港西，全长 25.5km，其中南港水域宽度约 6.871km，长兴岛陆域宽度约 3.946km，北港水域宽度约 8.451km。本工程采用“南隧北桥”方案，长江大桥长约 9.6 km，其中非通航孔桥深水区长 3.71km 为项目部施工范围。施工区域工程为 70 米跨和 105 米跨深水段桩基与承台、墩身施工。70 米跨承台共计 64 个，平面尺寸分为11.97m7.4m3.5m 的 4
2、4 个，12.34m7.43.5m 的 20 个。 105m 跨承台共计 28 个，平面尺寸为 16.0m10.4m3.5m 的 12 个，18.6m10.4cm4.0m 的 16 个。 （不含封底混凝土厚度）承台封底混凝土厚度均为 1.0m。水下封底混凝土为 C20 砼，70 米跨单承台方量为5964m3,105m 跨单承台方量为 135157m3，承台为 C40 砼，70 米跨单承台方量为 209228m3,105m 跨单承台方量为 447630m3。 1.2 自然条件 拟建桥址场区地貌类型陆域和近岸处为河口、砂咀、砂岛和沙滩地貌，水域为河床、江心暗砂地貌。 北港水域江底呈现南北两个水道。
3、南水道宽约 4.2 公里，呈宽状2“U”字形，水深 1618m，江底略有起伏，幅度约 34m; 北水道宽约800m，最大水深约 16m。 (1) 水文 潮汐（堡镇） 实测最高潮位:5.67m(81.9.1) 实测最低潮位:-0.19m(69.4.5) 平均高潮位:3.33m 平均低潮位:0.86m 高潮累计频率 10%潮位:4.10m 低潮累计频率 90%潮位:0.52m 潮流 桥区涨潮平均流向稳定在 294314之间，流速在 0.30.88m/s之间，涨急流向基本稳定在 297324之间，流速在 0.541.86m/s之间；落潮平均流向基本稳定在 137314之间，流速在0.421.14m/
4、s 之间，落急流向基本稳定在 140144之间，流速在0.931.64m/s 径量和潮量 长径流量丰沛，大通站（距河口 640km）多年平均径流量为29500m3/s，多年平均洪峰流量为 56200m3/s，最大洪峰流量为92600m3/s（1954） ，最小枯水流量为 4620m3/s(1979)。每年 510 月为洪季，11 月次年 4 月为枯季，洪水下泄水量占全年的 71.7%。 波浪 3外高桥实测大波高 3.2m，方向为 NNW，相应周期为 4.8s，风速为25m/s。 气象 桥区属亚热带海洋性季风所候，冬冷夏热，四季分明；春季多雾，夏季常受台风影响，冬季偶尔降雪，气候温和，雨量充沛。
5、 长江口地区属东亚风区，以偏北风和东南偏南风为多，西南偏西风出现最少。风向随季节面变化，48 月盛行南向风，其中 7 月以南向偏东风为多，11 月翌年 2 月盛行偏北风。 实测十分钟平均最大风速均为 25.0m/s。 二 钢模板结构初步设计 以 70 米跨承台钢套箱为例进行钢套箱设计，钢套箱的主要组成部件包括：钢套箱侧壁、钢底板、钢扁担、其他配件（封孔板、透水管、通电线管、拉压杆、护栏等） 。 所有钢套箱侧壁均采用单壁结构，分片加工，各片之间、侧壁与底板之间均采用螺栓连接。 套箱侧壁高 5.0m,其中 70 米跨正常段模板平面尺寸 12.34m7.4m)的结构为:面板采用 =8mm 钢板,竖向
6、围囹采用16a槽钢,围囹间距为 500mm,水平横围囹直片段分内外两层,内侧采用14a,间距 500mm,外侧采用20a,间距 1000mm,弧线段水平横围囹采用 =12mm 钢板,弦宽 220mm,间距 500mm。扁担梁采用双层桁架结构,在扁担梁与侧壁连接处、侧壁吊点处局部竖围囹采用40a 槽钢进行加强。套箱侧壁模板立面图如下: 4套箱侧壁连接采用分片制作拼装,在拼接处采用40a 竖围囹,同时槽钢外垫 =12mm 钢板,中间设 t=15mm 厚、宽 50mm 的遇水膨胀橡胶条,连接件通过 M24 不锈钢螺栓连接,连接示意图如下: 大套箱扁担梁采用双层桁架结构, 桁架高 2350mm,上下弦
7、杆采用双拼28a,立杆采用双拼20a,斜拉杆采用双拼10a 加工。桁架节点焊接采用节点板连接。桁架立面图如下: 套箱底板采用钢底板与桁架连接工艺。钢底板采用 =8mm.钢板,主梁采用双拼28,次梁采用16a。底板裙板采用 =12mm.钢板,裙板与底板直角位置设置 =12mm 加强板,间距 1000mm。钢套箱底板采用拉杆与钢桁架连接,拉杆采用双拼10 槽钢,材质为 Q235，侧壁与底板连接采用 M24不锈钢螺栓。钢套箱底板平面布置图如下: 三 钢模板结构设计计算 3.1 计算模型 本次承台钢模板内力分析计算，采用的是美国通用有限元分析程序ALGOR 93，整个桥墩承台钢模板的有限元模型共划分了
8、 8 批单元，均采用 Q235。 第 1 批：钢扁担梁上、下弦桁架的梁单元，均为 228a； 第 2 批：钢扁担梁立杆、斜杆、支撑杆的梁单元，分别为5220a，228a,10； 第 3 批：侧壁的水平梁系，10 道14a,5 道20a,1 道28a； 第 4 批：侧壁的的垂直梁系 52 道16a,12 道 228a； 第 5 批：钢套箱侧壁的钢侧板壳单元，8mm 钢板； 第 6 批：钢套箱底板加强梁系，由若干道 228a 和16a 的槽钢组成；第 7 批：钢套箱底部钢底板的壳单元，8mm 钢板； 第 8 批：12 根扁担梁与底板连接的拉压杆，12 根 210； 图 1 套箱有限元空间分析模型示
9、意图 3.2 计算工况 通过分析本次计算主要考虑了 11 种工况，其中工况 1 为起吊工况，工况 2 至 6 对应套箱 12.34m 向侧壁垂直波向的工况，711 工况对应套箱7.4m 向侧壁垂直波向的工况，下面只具体描述了工况 26，工况 711 的其它计算条件同工况 26，只是套箱的迎浪面调转了 90 度。 工况 1：套箱的整体吊装工况，采用 4 点吊（参看图 1） ，考虑动力系数为 1.3； 工况 2：尚未浇注混凝土底板,约束条件在扁担梁下弦杆的 8 个桩头处；自重分项系数 1.2; 工况 3：尚未浇注混凝土底板,遇到平均潮位 2.52m,2 年一遇的波浪及水流力，约束条件在扁担梁下弦杆
10、的 8 个桩头处；自重分项系数 1.0，波流力分项系数 1.5;工况 4：封底抽水前,浇注了 1.0m 混凝土底板(尚没6有强度)，遇到平均潮位 2.52m,5 年一遇的波浪及水流力，约束条件仍只在扁担梁下弦杆的 8 个桩头处；自重分项系数 1.0，波流力分项系数 1.5;工况 5：封底抽水后, 已浇注了 1.0m 混凝土底板,遇到 10 年一遇的波流力及相应的静水压力，约束条件在扁担梁下弦杆及混凝土底板的的 8 个桩位处，自重分项系数 1.0，静水压力分项系数为：1.05，波流力分项系数1.5;工况 6：封底抽水后, 已浇注了 1.0m 混凝土,遇到 20 年一遇的波流力及相应的静水压力，约
11、束条件在扁担梁下弦杆及混凝土底板的的 8 个桩位处，自重分项系数 1.0，静水压力分项系数为：1.05，波流力分项系数 1.5; 与波浪力组合时由于考虑的是波浪力的波峰状态，波浪力为水平压力和浮托力,此时套箱的自重为有利作用,因此分项系数取为 1.0; 封底抽水前的支撑点在扁担梁下弦杆的 8 根桩头处，封底抽水后的支撑点除扁担梁下弦杆的 8 根桩头处外，在 1.0m 的混凝土底板桩的位置也做了三个方向线位移的约束（参看后面的图 7） 。 随着底板厚度的加大，钢套箱各部分构件的受力状况是向内力减小的方向变化，因此这里只计算了底板 1.0m 厚的情况。 3.3 计算结果 16 种工况中的控制工况是
12、工况 3 和工况 6；即当钢套箱的扁担梁搁置在基桩上，尚没有浇注混凝土底板，此时遭遇 2 年一遇波浪；以及浇注混凝土底板并已经形成强度，与基桩抱紧后遭遇 20 年一遇的波浪作用这两种工况。 7图 3 工况 3 没浇混凝土底板前遭遇 2 年一遇波浪超应力部位示意图 图 5 工况 5、6 浇底板后外荷及边界条件示意图 2从工况 2 至 5 的计算结果分析，应力较大的部分主要集中在两个部分：一是扁担梁上弦杆与侧壁梁的连接部位包括扁担梁的悬臂部分和侧壁梁的相应部位，二是扁担梁与底板加强肋的连接拉压杆。扁担梁上弦杆与侧壁梁的连接部位的应力较大是由于这里的点连接方式引起了应力集中现象；拉压杆的应力较大是由
13、于在整个钢套箱中，特别是尚没有浇注混凝土底板之前，钢套箱的自身刚度不是很大，拉压杆的应力状态十分复杂；由于此杆兼有压杆的作用，在两端均与其它构件刚接，因而在拉压力之外，还承受弯矩的作用，从而使得杆两端的应力较大，并已超过 Q235 的设计应力，考虑到拉压杆两端受力条件的恶略，单纯的加大断面，由于将要分担更多的内力，因此也不是很好的选择，最好的方法是将拉杆的材质改为 Q345，并注意与两端的焊接质量。 3分析工况 6 的计算结果，在浇注完 1.0m 厚的混凝土底板后抽干水，如按此时遭遇 20 年一遇的波浪设计，侧壁水平及垂直梁系的许多部位都会出现应力超标的现象。需要对其设计断面做较大的加强。如此
14、处理方法可能并不是十分经济。变通的方法是尽量缩短箱内抽干水的时间，以避免该种设计状况的出现。 4除去拉压杆、扁担梁上弦杆与侧壁梁的连接部位外，其它构件的8应力状态在各种工况下均满足设计要求，对于上述的两个薄弱环节在使用中要多加注意或逐渐改进，以防止在反复使用中由于应力较大造成局部的疲劳破坏。 四 钢套箱模板施工流程及主要施工工艺、操作要点 4.1 钢套箱模板施工流程 4.2 钢套箱模板制作 4.2.1 钢套箱模板分片制作 模板在固定的弧形或平板胎具上制作,胎具采用40a、L100 角铁等材料制作。单个钢套箱侧壁模板分 12 片加工,加工时根据单片设计尺寸在底胎上将面板焊接成一整体,弧形段用手拉
15、葫芦将面板与底胎拉紧使之重合,然后通过在面板内侧焊接”U”形板背楔子与胎具上的型钢连接加固,龙门吊将主次梁按照各自位置摆放,检测面板平整度符合要求后依次焊接主次梁,焊接时注意焊接顺序,控制焊接过程的模板变形。每片制作完毕后对模板面进行打磨清洗后,涂刷脱模剂。 4.2.2 钢底板制作 钢底板在码头前沿底胎上制作,根据承台尺寸在底胎上放样,铺设底板及焊接主次梁,焊接完毕后,根据现场实测桩位开孔,开孔时考虑 15cm左右的富裕量。 4.2.3 钢套箱拼装 (1)拼装 9钢套箱拼装在多功能驳上的拼装平台上进行。首先将钢底板拼装好，然后分别吊装侧壁，吊装前侧壁与底板连接处粘遇水膨胀橡胶止水条，用手拉葫芦
16、和千斤顶使侧壁与底板、侧壁彼此之间贴紧，保证侧壁与底板垂直，侧壁面板之间无错牙，然后用气割在底板上开螺栓孔，拧紧螺栓。为防止钢套箱侧模板温度变形，侧模板拼接缝预留 10mm 间隙，拼装时加垫 15mm 厚膨胀橡胶止水条。拼接时为防止混凝土进入螺栓保证拆除螺栓顺利，螺栓外露部分抹黄油包塑料布后用塑料管套好。调整套箱上口尺寸，确保无误后拧紧侧壁螺栓。 （2）扁担梁安装 扁担梁的安装质量直接影响套箱安装偏差的控制，因此扁担梁的安装标高和位置应严格控制。必须保证扁担梁的制作质量，扁担梁组装成型后，在套箱侧壁的连接盒处测放扁担梁的安装边线，并焊接限位板，然后整体吊装扁担梁，安装完毕后应校核扁担梁位置，确
17、保无误后电焊可靠连接。扁担梁应与底板平行，以免吊装后套箱与底板不垂直，影响套箱安装精度。 4.3 钢套箱安装 4.3.1 测放安装线、焊接安装用导向板 使用 RTK-GPS 在桩上测放套箱安装线。测放时根据钢桁架下弦杆槽钢外边在支撑钢桩处测放安装线,在钢桩上用三角进行标记。测放时考虑钢桁架安装偏差的影响。安装线放设完毕后焊接导向板,导向板采用=12mm 钢板,在预定的套箱位置控制桩上根据扁担梁安装线焊接,分别控制套箱顺桥轴线和垂直桥轴线两个方向。 104.3.2 套箱及封孔板安装 套箱安装采用 150t 起重船。套箱钢底板作为主要受力结构，在钢套箱加工时必须严格控制施工质量。套箱安装选在低潮汛
18、期进行，当露出桩顶即开始起吊安装。套箱安装时将桁架梁外侧依预先焊接好的导向下放，就位后进行复测合格后对套箱桁架进行加固。套箱安装完毕后潜水人员进行封孔板的安装，安装时封孔板与钢桩之间加垫遇水膨胀胶条，同时底板与封孔板用压杠连接好。 五 施工过程中遇到问题及解决方案 5.1 套箱安装精度控制 在套箱安装精度要求很高的情况下,由于钢桁架安装精度较难控制,因此钢桁架安装完毕后要进行偏位实测,并根据实测数据对安装线进行调整并据此焊接限位板,以保证套箱的平面偏差满足规范要求。 5.2 水下钢抱箍安装困难 由于套箱底板在低潮时仍不能露出水面，水下安装时抱箍与钢桩、底板主次梁间为减少抱箍安装时与钢桩碰撞,钢抱箍安装前在陆地对抱箍进行试安，在底板加工场地制作同斜率的钢桩放置在相应位置,安装钢抱箍,对不合适地方进行处理，并对抱箍进行标号，安装时对号入座。水上安装抱箍完毕后使用压杠通过预埋在底板的螺丝将封孔板与底板连为一体。 5.3 钢模板侧壁处理 钢套箱安装后需经过 15d20d 左右一个周期,在潮差段潮涨潮落,湿度非常大,特别是封底砼浇筑完毕后内部干施工,空气流通困难,加上内部
