舟岱跨海大橋主通航孔橋雙層防撞鋼套箱快速安裝技術(shù)*

黨權(quán)交

(中交路橋建設(shè)有限公司，北京 100027)

1 工程概況

寧波舟山港主通道工程主線全長(zhǎng) 27.969km，跨海橋梁(舟岱跨海大橋)長(zhǎng)17.355km，連接舟山諸島，建成后大橋與甬舟高速公路相連接，使舟山連島工程總建設(shè)里程達(dá)86.68km，跨越8個(gè)島嶼，擁有10座大橋，成為世界上最長(zhǎng)的連島高速公路和世界上規(guī)模最大的跨海橋梁群。

舟岱跨海大橋主通航孔橋?yàn)槿撓淞盒崩瓨?，橋跨布置?78+187+550+550+187+78)m=1 630m，是全線的控制性工程(見圖1)。主梁采用帶風(fēng)嘴的扁平流線型截面鋼箱梁；斜拉索采用高強(qiáng)度、低松弛平行鋼絲，雙索面空間索布置；索塔采用鉆石型塔身，由下塔柱、中塔柱、上塔柱和下橫梁組成；基礎(chǔ)采用大直徑鋼管復(fù)合群樁、現(xiàn)澆承臺(tái)及塔座。

圖1 舟岱跨海大橋主通航孔橋橋型布置示意(單位：cm)

主通航孔橋共計(jì)3個(gè)主墩承臺(tái)，均為同一規(guī)格，承臺(tái)采用整體式六邊形結(jié)構(gòu)，外輪廓尺寸為 51m×32m(橫向×縱向)，承臺(tái)厚6.5m，采用C40海工混凝土，單個(gè)承臺(tái)混凝土總方量8 861.45m3。承臺(tái)采用有底防撞鋼套箱施工，封底混凝土厚度2.3m，采用C35海工混凝土。

2 鋼套箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)原則

1)鋼套箱既作為承臺(tái)的防撞結(jié)構(gòu)，在發(fā)生船舶撞擊時(shí)能起到緩沖、消能的作用，也作為承臺(tái)澆筑施工時(shí)的圍堰結(jié)構(gòu)，一體兩用，經(jīng)濟(jì)高效[1]。

2)在以鋼套箱為主防撞結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在其外設(shè)置拱形橡膠護(hù)舷，起到輔助防撞作用，有效減緩船舶與鋼套箱撞損。在設(shè)計(jì)船撞力下，橡膠護(hù)舷在吸收一定能量變形后，船撞力繼續(xù)作用于鋼套箱，鋼套箱通過局部損壞進(jìn)一步降低船撞力，達(dá)到橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)自身能承受的力為止，從而起到保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)的目的。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

防撞鋼套箱的設(shè)計(jì)綜合考慮了重力、浮力、潮流力、波流力、船舶碰撞力等荷載，防撞設(shè)施由內(nèi)層防撞鋼套箱與外層防撞鋼套箱組合而成，內(nèi)、外層防撞鋼套箱采用螺栓連接，此設(shè)計(jì)為世界首創(chuàng)，防撞等級(jí)滿足10萬t級(jí)船舶通航要求。

2.2.1內(nèi)層鋼套箱結(jié)構(gòu)

內(nèi)層鋼套箱由側(cè)板結(jié)構(gòu)、底板桁架、內(nèi)支撐系統(tǒng)、懸吊系統(tǒng)、反壓系統(tǒng)、水平限位與精調(diào)系統(tǒng)組成[2]。

1)側(cè)板結(jié)構(gòu) 鋼套箱側(cè)板結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)約 63m、寬40m、高9.6m，順橋向側(cè)板厚4m，橫橋向側(cè)板厚6m，中間設(shè)變寬節(jié)段。主甲板、平臺(tái)板、底板、艙壁、外側(cè)板、內(nèi)側(cè)板厚取12mm；橫向強(qiáng)框架骨材取 T12×320/14×110，弱框架骨材取└140×90×10，骨材端部采用圓弧過渡或肘板連接(見圖2a)。

2)底板桁架及內(nèi)支撐結(jié)構(gòu) 鋼套箱采用“側(cè)包底”結(jié)構(gòu)形式，底板面板長(zhǎng)51m、寬32m、厚7.5mm。底板桁架高215cm，為H型鋼和工字鋼組合結(jié)構(gòu)。鋼套箱內(nèi)設(shè)置1層鋼管內(nèi)支撐，內(nèi)支撐采用φ820×10鋼管，與鋼套箱通過焊接連接成整體(見圖2b)。

圖2 鋼套箱側(cè)板、底板及內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)

3)懸吊系統(tǒng)及反壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 懸吊系統(tǒng)采用H型鋼吊桿與桁架上弦桿進(jìn)行焊接連接，通過扁擔(dān)梁架在鋼護(hù)筒上。懸吊系統(tǒng)與底板桁架一起加工完成，隨鋼套箱整體下放安裝。反壓系統(tǒng)由反壓牛腿與反壓桿2部分組成，其中反壓牛腿直接焊接于懸吊系統(tǒng)的吊桿上。反壓桿采用短節(jié)工字鋼，待鋼套箱就位后，立即將反壓桿一端與鋼護(hù)筒焊接牢固，另一端貼于反壓牛腿上焊接牢固(見圖3)。

圖3 懸吊系統(tǒng)及反壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

4)水平限位與精調(diào)系統(tǒng) 水平限位與精調(diào)裝置由支撐平臺(tái)、支擋牛腿、支墊型鋼、頂桿和千斤頂組成。支撐平臺(tái)采用型鋼焊接于鋼護(hù)筒內(nèi)，并在其上焊接支擋牛腿。頂桿在專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)廠家加工制造，頂桿端頭設(shè)置滾軸，防止對(duì)鋼套箱精調(diào)和限位過程中破壞防腐涂層。提前將頂桿、千斤頂和支墊型鋼存放在支撐平臺(tái)上，以便鋼套箱下放時(shí)將頂桿頂出鋼護(hù)筒，對(duì)鋼套箱的平面位置進(jìn)行糾偏和精調(diào)。在鋼套箱下放到位完成受力轉(zhuǎn)換后，將千斤頂頂緊，起到水平限位作用(見圖4)。

圖4 水平限位與精調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2.2.2外層鋼套箱結(jié)構(gòu)

索塔外層防撞鋼套箱總長(zhǎng)約70.2m、總寬為47.2m、高度為10.4m，順橋向及橫橋向兩側(cè)鋼套箱寬度為3.5m。為了施工及安裝方便，鋼套箱分為8個(gè)節(jié)段，節(jié)段間采用高強(qiáng)螺栓連接。主甲板、平臺(tái)板、底板、艙壁、外側(cè)板、內(nèi)側(cè)板厚取12mm；橫向強(qiáng)框架骨材取T12×320/14×110，弱框架骨材取└140×90×10，骨材端部采用圓弧過渡或肘板連接。節(jié)段連接板厚20mm，平板橡膠厚4mm。外鋼套箱結(jié)構(gòu)總重1 100t，單塊最大重117t。

3 主要安裝方法

3.1 準(zhǔn)備工作

3.1.1設(shè)備選型

1)內(nèi)層鋼套箱一次性吊重達(dá)1 500t，選用2 600t起重船“東海工7” 作為鋼套箱的吊裝設(shè)備，起重船起重性能為：仰角70°，荷載(2×6 500+2×6 500)kN，吊幅33.1m，起升高度90m；仰角65°，荷載(2×6 500+2×6 500)kN，吊幅40.1m，起升高度84.8m。由此可知，起重船在仰角65°、吊幅40m、起升高度84.8m時(shí)，完全能滿足項(xiàng)目?jī)?nèi)層鋼套箱起吊、安裝要求[3]。

2)外層鋼套箱分塊吊裝最大重約120t，選用250t全回轉(zhuǎn)起重船“中源2號(hào)”作為外層鋼套箱安裝設(shè)備，起重船起重性能為：仰角45°，荷載1 400kN，吊幅34m，起升高度50m；仰角50°，荷載1 600kN，吊幅31m，起升高度52m。由此可知，起重船在仰角45°、吊幅34m、起升高度50m時(shí)，完全能滿足外層鋼套箱起吊、安裝要求。

3.1.2吊索具選型

1)內(nèi)層鋼套箱采用起重船整體下放，設(shè)置8個(gè)吊點(diǎn)，起吊高度50m。對(duì)吊裝工況進(jìn)行建模驗(yàn)算，單個(gè)吊點(diǎn)豎向受力為1 830kN，按實(shí)際吊裝仰角70°反算單根吊繩受力為1 960kN。如選用額載2 000kN的鋼絲繩，單根鋼絲繩重高達(dá)10t，海上安裝不便。因此，綜合比選下，選擇更輕便且受力性能滿足要求的“迪尼瑪繩”即φ128高分子聚乙烯吊帶，單根破斷力≥15 000kN，安全儲(chǔ)備系數(shù)k=15 000kN÷1 960kN=7.65>6,且質(zhì)量?jī)H為0.75t，人工即可安裝到位。

2)外層鋼套箱塊段均采用4根鋼絲繩起吊，單根塊段最大質(zhì)量按120t計(jì)算，則單個(gè)吊點(diǎn)受力為300kN，按鋼絲繩與鋼套箱面最不利夾角65°反算，鋼絲繩受力330kN，按6倍安全系數(shù)選用鋼絲繩，則單根鋼絲繩破斷拉力為2 000kN，選用直徑≥60mm纖維芯鋼絲繩。鋼絲繩共計(jì)需4根，單根繩長(zhǎng)11m，誤差±5cm。

3)設(shè)計(jì)“雙耳板+加勁肘板”式鋼套箱吊耳，配合φ175特制銷軸，銷軸采用40Cr合金鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)后可用屈服強(qiáng)度極限值為490MPa，完全滿足吊裝需要。與常規(guī)大型吊裝采用大噸位卸扣相比，此次銷軸配合吊耳設(shè)計(jì)更經(jīng)濟(jì)(見圖5)。

圖5 鋼套箱吊耳

4)設(shè)計(jì)一種“對(duì)稱式吊點(diǎn)轉(zhuǎn)換鋼套箱異形吊具”，吊具采用Q345鋼材加工而成，較常規(guī)大型吊裝專用吊架而言，用鋼量小，結(jié)構(gòu)輕巧，安裝方便。經(jīng)采用有限元分析軟件構(gòu)建實(shí)體模型驗(yàn)算后，滿足此次鋼套箱吊裝要求(見圖6)。

圖6 鋼套箱吊具有限元分析實(shí)體模型

5)外層鋼套箱吊裝采用卸扣配合鋼絲繩進(jìn)行，卸扣規(guī)格額載≥500kN，卸扣數(shù)量≥8個(gè)，4個(gè)用于吊裝，4個(gè)用于繩長(zhǎng)調(diào)節(jié)。

3.2 內(nèi)層鋼套箱安裝

3.2.1鋼套箱裝船

駁船由拖輪協(xié)助駛?cè)氪a頭系泊，尾部頂靠碼頭，甲板中心線與發(fā)運(yùn)區(qū)中心線對(duì)齊。根據(jù)潮位調(diào)整駁船吃水，待船甲板平面與碼頭平齊前，在船甲板與碼頭間敷設(shè)鋼板作為過橋板，選擇船甲板平面比裝船碼頭平面高150mm時(shí)，6臺(tái)64軸線的組合式模塊車將鋼套箱移向駁船甲板，通過駁船壓載系連續(xù)對(duì)船尾排出/壓進(jìn)壓載水，船首壓入/排出壓載水，保持船尾甲板平面和碼頭平面平齊，直至鋼套箱全部移運(yùn)至駁船甲板上。鋼套箱在駁船上綁扎固定后，模塊車退回碼頭，解開船舶與碼頭的系纜，運(yùn)輸船駛離碼頭。

3.2.2鋼套箱運(yùn)輸

內(nèi)層鋼套箱采用“振駁25” 運(yùn)輸，配置2艘拖輪，主拖輪為2200HP “振航拖8”，位于駁船前方，配120m拖纜(φ88丙綸長(zhǎng)絲線)軟拖；副拖輪1400HP“振航拖5”，位于駁船一側(cè)，除提供拖航動(dòng)力外，協(xié)助主拖輪控制方向。累計(jì)運(yùn)輸航線8.8n mile(1n mile=1 852m)，運(yùn)行時(shí)間約3h。

3.2.3鋼套箱安裝

3.2.3.1船舶拋錨就位

船舶進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)后，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行拋錨定位，由于橋址區(qū)分布一條海底纜線，船舶拋錨剮蹭管線風(fēng)險(xiǎn)極大，采用“GPS精確定位拋錨技術(shù)”保護(hù)海底管線，拋錨精度高，錨位偏差控制在6m以內(nèi)。

起重船順橋向?？吭诎惭b墩一側(cè)(橫流拋錨，船舶自帶8個(gè)錨，穩(wěn)定性滿足要求)。駁船橫橋向停泊在起重船正前方，采用纜繩臨時(shí)固定于樁基鋼護(hù)筒上。

3.2.3.2吊索安裝

由于鋼套箱吊索采用高分子聚乙烯吊帶——迪尼瑪繩，單根繩重僅0.75t，待起重船放下主鉤后，人工即可拖拽安裝，將環(huán)形吊帶的一頭裝入吊耳槽內(nèi)即可安裝銷軸固定。

3.2.3.3鋼套箱試吊

8個(gè)吊點(diǎn)均安裝無誤后，起重船即可上提主鉤逐漸收緊索具，使“稱重器”上的各主鉤吊力逐漸均勻增加。300t級(jí)分5級(jí)進(jìn)行鋼套箱試吊，每增加一個(gè)級(jí)別，技術(shù)人員對(duì)吊索受力情況、底座脫空情況、結(jié)構(gòu)焊接情況進(jìn)行檢查，無問題后即可繼續(xù)增加吊點(diǎn)力，直至鋼套箱完全被吊起，靜置10min，完成試吊。

3.2.3.4鋼套箱下放

鋼套箱正式起吊后，駁船率先撤離施工區(qū)域。起重船通過調(diào)整錨纜使鋼套箱逐漸接近安裝位置，在接近安裝位置時(shí)注意調(diào)整鋼套箱的高度和平面位置，使鋼套箱處于安裝位置的正上方[4]。

技術(shù)人員在各自區(qū)域內(nèi)觀察底板開孔與鋼護(hù)筒對(duì)位情況，過程中起重船通過絞錨進(jìn)行微調(diào)，確認(rèn)樁位與孔位對(duì)應(yīng)后即可下達(dá)下放指令。下放過程中注意觀察底板與鋼護(hù)筒剮蹭情況，如剮蹭嚴(yán)重，則需再次調(diào)整鋼套箱姿態(tài)[5]。

鋼套箱下放至懸吊系統(tǒng)位于鋼護(hù)筒槽口上方時(shí)，停鉤。測(cè)量人員觀測(cè)鋼套箱的平面位置與理論位置的偏差，并通過起重船微調(diào)保證懸吊系統(tǒng)的扁擔(dān)梁位于鋼護(hù)筒槽口的正上方。同時(shí)，頂升出鋼護(hù)筒內(nèi)的頂桿，對(duì)鋼套箱平面位置進(jìn)行限位固定。

繼續(xù)下放鋼套箱直至起重船吊鉤受力為7 000kN，此時(shí)套箱自重已開始由吊鉤受力逐步轉(zhuǎn)為懸吊系統(tǒng)受力，技術(shù)人員逐孔檢查扁擔(dān)梁與鋼護(hù)筒內(nèi)牛腿之間是否有間隙，如有間隙，通過塞填2，3，5mm厚鋼板確保牛腿受力均勻、無脫空現(xiàn)象。起重船繼續(xù)落鉤直至完全松鉤，復(fù)測(cè)鋼套箱平面位置及高程，滿足要求后，解除鋼套箱頂面吊耳處迪尼瑪繩，起重船起錨拖離施工水域。

鋼套箱下放到位后，立即開始進(jìn)行反壓桿與鋼護(hù)筒之間的焊接工作，保證鋼套箱在涌浪作用下的穩(wěn)定性。至此完成鋼套箱安裝工作。

3.2.3.5防撞護(hù)欄安裝

“裝配式防撞鋼套箱護(hù)欄”采用卡扣固定于鋼套箱頂面的消波孔上，固定牢固可靠，安拆方便。在內(nèi)層鋼套箱安裝完成后，開始進(jìn)行護(hù)欄安裝，保證施工人員生命安全，便于開展后續(xù)工作(見圖7)。

圖7 裝配式護(hù)欄安裝照片

3.3 外層鋼套箱安裝

3.3.1鋼套箱裝船

外防撞鋼套箱采用塊段裝船發(fā)運(yùn)，運(yùn)輸船舶?？扛鄢?，使用300t門式起重機(jī)直接吊裝裝船，節(jié)段采用鋼墩多點(diǎn)支撐(與運(yùn)輸船焊接固定)，鋼墩布置在運(yùn)輸船結(jié)構(gòu)加強(qiáng)處，以保證節(jié)段支承處不產(chǎn)生局部變形，充分考慮運(yùn)輸船橫向重心點(diǎn)位置及縱向支撐位置，便于荷載向其他方向擴(kuò)散以提高甲板單位面積承載力。同時(shí)，保護(hù)節(jié)段涂裝面，在節(jié)段與運(yùn)輸船支撐位置和固定位置采用塑料薄膜或聚氨酯橡膠等防護(hù)措施。

為避免破壞結(jié)構(gòu)和涂裝，設(shè)計(jì)無損綁扎結(jié)構(gòu)，即利用吊裝吊耳，再設(shè)計(jì)制作部分工裝，配合使用。用重型花籃螺栓和鋼絲繩拉緊，整體段共8個(gè)綁扎點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)2個(gè)花籃螺栓，每個(gè)花籃螺栓預(yù)緊力為60kN，共計(jì)橫向綁扎力為960kN。所有綁扎結(jié)構(gòu)與梁段涂裝面接觸處均包裹防火布，防止破壞涂裝層。

3.3.2鋼套箱運(yùn)輸

外層鋼套箱運(yùn)輸選用“騰峰8號(hào)”作為鋼套箱運(yùn)輸設(shè)備，載重2 200t，單次最多運(yùn)輸2個(gè)塊段。從增洲船廠至鋼套箱安裝點(diǎn)，全程約8.8n mile，沿途航道水深滿足船舶航行要求。船舶平均航速3～5n mile/h，航行時(shí)間2～3h。

3.3.3鋼套箱安裝

1)船舶拋錨就位 起重船進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)后，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行拋錨定位，250t全回轉(zhuǎn)起重船配置4根錨繩，交叉拋錨，盡量減少占用航道寬度。運(yùn)輸船為自航式船舶，無須拋錨。

2)吊索具安裝 外層鋼套箱安裝選用4根鋼絲繩，一端掛鉤，另一端通過卸扣與鋼套箱臨時(shí)吊耳連接。采用人工進(jìn)行卸扣及鋼絲繩安裝工作。

3.3.4鋼套箱塊段安裝

外層鋼套箱塊段上卸扣安裝完成，起重船即可上提主鉤逐漸收緊索具，解除鋼套箱塊段側(cè)向臨時(shí)固定裝置(鋼絲繩+卸扣)，逐步使起重船主鉤受力。

鋼套箱正式起吊，通過回轉(zhuǎn)起重船臂桿使鋼套箱塊段位于理論位置上方。起重船逐漸落鉤，通過人工牽引使鋼套箱塊段逐漸接近安裝位置。外層鋼套箱塊段上的掛腿雙耳板與內(nèi)層鋼套箱頂面連接板匹配。

起重船落鉤，通過手拉葫蘆精調(diào)鋼套箱塊段位置，逐步使外層鋼套箱掛腿受力。找準(zhǔn)合適位置，插入螺桿，安裝墊片和螺母，鋼套箱塊段安裝到位。

外層鋼套箱塊段之間通過高強(qiáng)螺栓連成整體，內(nèi)、外層鋼套箱之間通過掛腿和高強(qiáng)螺栓連接。在鋼套箱安裝到位后進(jìn)行高強(qiáng)螺栓施擰工作(見圖8)。

圖8 內(nèi)、外層鋼套箱連接掛腿

3.4 快速施工成效

3.4.1施工工效分析

1)內(nèi)層防撞鋼套箱及底板桁架全部在專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)廠家進(jìn)行加工制造，現(xiàn)場(chǎng)無須搭設(shè)鋼套箱拼裝平臺(tái)，懸吊系統(tǒng)支承在樁基鋼護(hù)筒上。單個(gè)內(nèi)層鋼套箱安裝到位僅需1d，3個(gè)主墩內(nèi)層鋼套箱10d內(nèi)全部安裝到位；較以往采用現(xiàn)場(chǎng)逐塊拼裝形式，減少了平臺(tái)搭設(shè)和現(xiàn)場(chǎng)拼裝工作，極大地縮短了現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)間，縮短了工期。

2)外層防撞鋼套箱在專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)廠家進(jìn)行加工完成，并提前與內(nèi)層鋼套箱之間完成了預(yù)拼裝。在承臺(tái)施工完成后，選擇合適時(shí)機(jī)進(jìn)行外層鋼套箱塊段安裝，不占用主體結(jié)構(gòu)工期，對(duì)施工進(jìn)度無影響。

3.4.2經(jīng)濟(jì)效益分析

此雙層鋼套箱安裝技術(shù)省去了鋼套箱拼裝平臺(tái)搭設(shè)施工，節(jié)省搭設(shè)和拆除人工費(fèi)用，縮短工期約2個(gè)月，節(jié)省船舶、設(shè)備租賃費(fèi)用和油耗投入。吊裝用吊索具可周轉(zhuǎn)使用，并可通過改制用于輔助墩和過渡墩鋼套箱吊裝，降低了成本。

4 結(jié)語

海上橋梁工程施工，受風(fēng)浪、潮流等影響較大，為確保鋼套箱順利安裝，應(yīng)以“提高后場(chǎng)加工質(zhì)量，縮短現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)間”為前提進(jìn)行相關(guān)設(shè)備的選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明，寧波舟山港主通道項(xiàng)目主通航孔橋防撞鋼套箱施工采用的“內(nèi)層鋼套箱整體安裝+外層鋼套箱逐塊安裝”施工工藝取得了顯著成果。