大型有底钢套箱底架仿真分析及施工

0 引言

永久性防撞钢套箱作为水中承台防撞形式的一种，其结构整体性好，强度刚度大，既可以作为成桥后的永久防撞设施，又可作为施工时承台模板，故承台施工时无需验算套箱所受的水压力和砼压力。而对承受套箱和封底混凝土自重的底架系统，则需要进行整体式结构设计，从而保证底梁的整体结构强度、刚度和稳定性，以满足施工要求。本文以怀阳高速公路西江特大桥主墩承台钢套箱整体吊装施工为例，采用Midas-Civil建立三维仿真模型，对钢套箱底架施工过程中的最不利工况进行分析和仿真计算，得出钢套箱底梁的形变、总体应力分布以及局部应力集中位置。为同类水中钢套箱施工提供底架结构设计的参考和实践经验。

1 工程概况

怀阳高速公路西江特大桥桥址位于粤西山区，西江上游，为典型的内陆季节性河流。汛期季节性明显，一般发生于5～9月，洪水期与枯水期水位落差最大可达12m，汛期桥址水位+17.00m，常水位+3.92m，枯水位+1.88m，河床面标高在-3.2m～-4.82m之间。

西江特大桥主墩承台为水中区承台，20根φ2.8m的钻孔灌注桩，承台采用矩形，宽度方向采用圆弧形角，长、宽、高为34.14m×21.40m×6.00m，圆弧半径11.5m，承台顶标高为+5.0m。承台施工过程中，需采用双壁有底式钢套箱。

防撞套箱结构尺寸：长约94.13m，高度 8.5m，最大宽度37.18m，施工完成后作为永久性防撞结构。作为套箱模板可分为 3种类型，共计 18 块套箱模板，节段长度5.00m～6.18m。分段重量为21～23t。套箱模板节段间采用法兰盘上高强螺栓的方式连接。双壁钢套箱断面结构如图1所示。

植物体内同化物的流动具有向库性，和植物具有向光性都是植物的特性。植物具有向光性，但如果没有光，植物的向光性就显示不出来。同样，植物体内的同化物，在没有库信号的情况下，也就只能停在原处不动。“小麦籽粒的干物质约有40%来源于旗叶，如果把正在灌浆的麦穗剪掉……结果同化物多以淀粉的形式积累于叶片中”[《植物生理学》（2016年7月第一版）（中国林业出版社）（第173页第25行）]。这个实验证实了同化物的移动与库信号相关联。

建立一事一议工作运行、监督、责任追究、公开的机制，按照“民主决定、群众受益、量力而行、上限控制、财务公开”的原则，由“村两委”提议，通过村民大会或村民代表大会，民主讨论，达成共识，决策坑塘建设问题。县、乡（镇）领导要经常深入基层，现场调研、考查和协调，解决一事一议过程中热点和难点问题。

图1 端面板大样

图2 竖肋处截面

图3 竖向隔舱板处截面

图4 水平隔舱板人孔处截面

2 钢套箱底架计算

2.1 钢套箱底架设计参数和施工条件

承台平面面积A1=644.82m2，桩基护筒截面总面积A2=150.877m2，防撞套箱底面面积A3=103.55m2。根据现场工程地质水文评价报告，钢套箱底架设计参数与施工条件见表1。

传统的CLIQUE算法在处理问题空间时，根据给定的划分参数将问题空间每一维等分为若干分，然后使用 MDL（Minimum Description Length）[10]算法对划分后的网格单元进行剪枝，剔除网格密度低于给定的密度阈值的网格单元。但是当给定的划分参数不恰当时，会导致算法忽略稠密区域的边界甚至整个稠密区域，使得聚类结果呈锯齿状或丢失聚类，降低聚类结果的准确性。图1（a）和图1（b）分别展示了采用固定宽度划分问题空间的缺陷。

图5 钢套箱底架结构形式

表2.1 底架设计参数与施工条件

项目指标底架顶面标高-2.5m施工期最高水位+4.2m施工期最低水位+1.61m承台顶标高+5.0m承台底标高-1.0m封底混凝土底标高-2.5m水重度10kN/m3钢材重度78.5kN/m3封底砼重度24kN/m3混凝土与钢的黏结力[f]=150kPa第一层封底混凝土厚度1.3m封底C30混凝土抗拉强度设计值ftd=1.43MPaQ235钢材的允许应力[σ]=188.5MPa

2.2 钢套箱底架的结构形式

承台钢套箱底板由面板、纵向主梁、横向分配梁组成，横桥向支撑主梁布置在桩基护筒的两侧，共计8条，面板根据实测护筒位置进行开孔(开孔直径340cm)。钢套箱底架结构组成及材料见表2。

表2 钢套箱底架的结构形式

项目材料横主梁2I45a纵主梁I45a次梁I25a分配梁I12.6钢板肋条80mm×4m面板5mm钢板

3 底架受力分析及验算

3.1 荷载及计算工况

参考近年来施工期的水位情况，当在最低水位+1.61m时浇注第一层承台封底砼，钢套箱底架承受的荷载最大，此时封底砼全部在水下。

但我们从上面所举例句中可以看出，德都方言的宾格、从格、造格、方位格等格语法范畴在青海汉话里都有其相对的语法形式来表现，而与现代汉语相背离，只是这种语法形式还不像蒙古语那样完善，即表示语法意义不同的“格”，起码应该有相应的、比较固定的不同的语法形式，但青海汉话还没有完全区别开来，如相当于阿尔泰语言的“宾格”、“方位格”，青海话里只用[xa](哈)这一个语音形式而没有形式上的固定区别的符号，尽管如此，在青海汉话里“格”语法范畴虽然不够完善，但明确地说明了蒙古语对于青海汉话的影响是深刻的。此外，青海汉话还有一种现象，跟蒙古语的“界限副动词”相类似。例如：

封底砼自重G砼=1.3×(A1-A2)×素砼容重=1.3×(644.82-150.877)×24=15 411kN。

他又向后翻看，后面皆是蝇头小字，密密麻麻地记载了九州各地的风俗物产、舆地历史等信息。他下意识地找到巴州的那部分，果然，里边有关于唐门的介绍。

底架受力以面荷载的形式传递，计算荷载q=1.2×18.2=21.84kN/m2。考虑实际施工中底架在桩基钢护筒周围进行了简化处理，模型中计算荷载取q=28.2kN/m2。底梁采用双拼I45工字钢，支撑于桩基护筒顶及平台四周的反吊架上，采用精轧螺纹钢作为吊杆反吊。主墩承台底架共布置56个吊点，每根护筒均匀布置2个吊点，平台四周共设16个吊点。

3.2 有限元模型的建立

使用Midas civil建立底架结构整体模型，通过整体分析了解各种工况下底架的整体稳定性，受力性能以及局部应力集中。图3所示为底架有限元仿真模型及约束，其中钢套箱面板和横肋用板单元模拟，横纵主梁、次梁和分配梁用梁单元模拟。

图6 底架整体模型及约束

建模完成后，以面荷载的形式对底架施加封底砼自重荷载，如图7所示。

经过底架模型后处理分析，得出其最大组合应力为99.2MPa≤[σ]=215MPa，最大剪应力为23.8MPa≤[]=125MPa。

图7 封底砼自重荷载分布

3.3 计算结果分析

在组合荷载(封底砼自重荷载+底架自重)作用下，钢套箱结构的整体变形与梁单元应力如图5～图7所示。

底架系统承受G=G砼-G砼浮力=8 989.7kN。

最大变形为最大变形位于跨径为10.7m处的承台边缘。

通过底板系统整体建模分析，可以直观地得出梁单元应力最大位置及套箱底板整体变形情况，以便在施工前对该套箱底架进行进一步的结构优化及局部加强。

图8 底架组合变形(单位：mm)

图9 底架剪应力(单位：MPa)

图10 底架组合应力(单位：MPa)

4 钢套箱施工

4.1 施工工艺流程

钢套箱施工的施工工艺流程如图8所示。

图11 钢套箱施工工艺流程

4.2 底架拼装

套箱底板加工完成部分后在码头开始拼装钢套箱，需在套箱组拼前在码头拼装好。底板按各分块的位置摆放(底板孔洞根据实测护筒位置进行开孔，因而各分块不能互换，需按设计位置摆放)。拼装时先调整好平面位置，再驳接主梁及分配梁，最后铺设块段间预留面板。

4.3 套箱整体吊装

套箱加工完成后，由运输驳船运至现场进行抛锚定位，吊装前，联系海事部门对河道进行封航。检查钢丝绳、卸扣、吊钩、制动、限位以及钢套箱的完好情况，测量作业区域水深及流速，为吊装提供保障。同时，进行现场试吊，验证吊点、吊索受力情况，卷扬机运转，吊装岗位执行情况。吊装中，套箱通过手拉葫芦对套箱位置进行微调，直至套箱底板套入所有钢护筒，继续下放到位后完成固定。

广州地铁平均每天运营时间为17 h，取相邻两列车平均运行时间间隔为3 min，则每天地铁列车动载作用于管片的次数为340次，每年作用于管片的次数为124 100次。通过上文求得的管片极限受拉疲劳次数除以124 100即可得到管片的疲劳寿命。图9为管片受拉疲劳寿命变化曲线。

4.4 环形箍施工、套箱底板堵漏

为了保证套箱顺利吊装，套箱面板加工时根据桩基护筒位置进行开孔，孔位与护筒之间的缝隙待底板下放到位、固定后，由环形抱箍进行护筒边缘堵漏。每两节环形箍环抱一根钢护筒，节段之间通过法兰连接。在封底砼浇筑前，由潜水员对底板所有位置进行探摸，确保底板所有位置均无漏浆孔洞。

4.5 封底砼施工

封底混凝土的好坏直接影响到承台的施工质量以及工期。灌注过程中必须厚薄一致，质量均匀，否则出现较薄的或者质量不好的部位会造成套箱内漏水，最容易漏水的位置如钢护筒周围需要尤为关注。并且其自重与桩基的摩擦力用以抵御水的浮力。

西江特大主桥承台封底分为两次进行，第一次C30水下混凝土浇筑1.3m厚，为水下封底；第二次封底0.2m厚，采用C30混凝土干封，在完成第一次封底后焊接牛腿进行体系转换。

4.6 体系转换

第一次封底混凝土浇筑完成后，等待7d时间让混凝土强度上来，满足要求后便开始排出套箱里面的水。水排干后，紧接着焊接体系转换牛腿，其中务必保证焊接质量和精度。

AUC是指ROC曲线下的面积。使用AUC值作为评价标准是因为很多时候ROC曲线并不能清晰的说明哪个分类器的效果更好，而作为一个数值，对应AUC更大的分类器效果更好。AUC一般均在0.5到1之间，AUC越高，模型的区分能力越好。

体系转换牛腿焊接验收完成后，开始进行体系转换。操作过程如下：挨个打紧体系转换牛腿上的精轧钢螺母，待全部都收紧能受力后，松开上承重系统的螺母，从中间到两端逐渐卸载。在上承重系统卸载完成后，即体系转换完成，可拆除上承重系统。

5 钢套箱整体式底架的优点

通过Midas-Civil建立三维仿真模型，建立整体式套箱底架，从整体结构强度、刚度和稳定性进行分析，不断优化底架结构，大大提升了不同材料性能的使用率，相比传统的主次梁叠加工艺，材料消耗使用直接降低23%。从经济性和可行性角度出发，整体式底架设计及加工不仅在减少施工成本，降低投入消耗方面受益可观。通过三维模型的分析指导，在满足受力要求的前提下，尽可能地减轻套箱底架重量，为内河流域通航净空下施工设备的选择降低了难度。通过整体式设计，减少了套箱底架的空间厚度，有利于套箱底架与河床面的净空高度。

6 结语

承台钢套箱在桩基施工过程中，在珠海玉柴动力码头进行整体拼装，再由2 000t工程船运输到工地现场。钢套箱整体下放用时8h到位，至砼封底完成用时3d时间，相比现场零散拼装较大地缩短了工期。钢套箱定位在平面位置上误差控制在5cm内，控制精确；通过水上施工陆地化工序转变，降低了水上施工作业的风险，施工过程中做到零伤亡、零事故的安全保障。

参考文献：

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