一种可以提高封底混凝土承载力的装置及施工方法与流程

本发明属于建筑结构及施工领域，适用于水上，特别是在恶劣海况条件下的海上引桥高桩承台现浇施工。

背景技术：

目前，跨海大桥海上的高桩承台采用吊箱施工，承台浇筑施工前需要浇筑封底混凝土，从而变水中施工为干施工，由于受到海上潮汐、风浪及台风等影响，海上钢吊箱的受力情况较为复杂，封底混凝土的厚度需要根据承台设计高度及厚度、水位、潮差、吊箱抗浮及承台施工等综合因素来确定，由于设计及施工边界条件的限制，封底混凝土的厚度往往达不到强度和握裹力的要求。为了满足封底混凝土的强度及握裹力的要求，对传统工艺进行如下介绍：

1)传统工艺采用的方法(或临时结构)：

第一种是通过增加封底混凝土的厚度来提高封底混凝土与钢护筒的接触面积，进而提高封底混凝土的强度和握裹力。

第二种是采用剪力键。当海上最低潮位低于封底混凝土的底标高时，可以通过在钢吊箱底板和封底混凝土之间的钢护筒上焊接剪力键来提高封底混凝土的强度和握裹力。

第三种方法是将承台分两层浇筑。为了减小封底混凝土的受力，将承台分两层，分两次次进行浇筑，在封底混凝土达到强度后，浇筑第一层承台，第一层承台达到设计强度后，对承台进行凿毛，依靠封底混凝土和第一层承台的承载力来浇筑第二层承台。

2)传统方法的局限性：

经过有限元软件对吊箱的抽水工况和浇筑承台工况进行分析(见图1、2)可知，对于封底混凝土底板而言，在高水位抽水时抗浮和低水位浇筑承台过程中，底板的应力较大的部位往往集中于钢护筒位置附近，通过增加封底混凝土的厚度的方法，虽然可以提高混凝土的强度和握裹力，但是大部分封底混凝土没有参与结构受力，更重要的是这些封底混凝土还增加的结构的重量，在承台底标高确定的情况下，增加了封底混凝土的底标高，从而增加的吊箱的重量和封底混凝土的用量，影响的吊箱的施工安全，也增加了施工费用。

采用常规剪力键的方法虽然能直接针对封底混凝土应力较大的部位进行强度加强从而使得封底混凝土强度和握裹力满足要求，但是这种方法只适用于海水低潮位低于封底混凝土底标高的情况，如果在施工过程中没有这个时间窗口，剪力键在水下无法焊接，从而使得这种方法不可行。因此采用这种方法只有在低潮位低于封底混凝土底板的情况才可行，这对于海上承台的施工来说适用性是非常苛刻的。

采用承台分层分次浇筑的方法虽然能解决封底混凝土的强度和握裹力的问题，但是分层浇筑需要等第一层承台达到强度后才能施工第二层承台，期间还要对第一层承台进行凿毛，对于中小型的承台而言影响了施工工期；而且还影响了承台的外观质量。

技术实现要素：

本发明的目的在于：提出一种可以提高封底混凝土承载力的装置及施工方法，在能克服外海恶劣的海况下，充分利用封底混凝土的自身强度和握裹力，极大程度的节约封底混凝土的用量和钢吊箱的用钢量；克服常规剪力键只能在低潮位低于封底混凝土底板的情况设置，在任何海况的高桩承台施工都能满足使用。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种可以提高封底混凝土承载力的装置，包括钢吊箱、钢筋笼、拉压杆以及导向装置，钢吊箱环绕各钢护筒布置，钢吊箱包括侧壁和底板，侧壁结构采用环向次梁以及第二环向主梁与纵梁交叉焊接于壁板上作为内模板，采用第一环向主梁与纵梁焊接于内模板外侧作为主要支撑梁系，内模板内侧采用交叉的钢管作为内支撑，底板结构采用箱型次梁和主梁交叉焊接于底板上作为底模支撑系统，底板内侧设置拉压杆连接到钢护筒上，外侧通过对拉钢筋将侧壁与底板拉紧，每一钢护筒在靠近顶部位置的侧壁都设有用以钢吊箱下放导向的导向装置，每一钢护筒在底板上方设置有环绕该钢护筒的钢筋笼，钢筋笼由封底混凝土浇筑固定。

作为选择，导向装置垂直钢护筒外壁固定，且其朝向钢吊箱四角。

作为选择，还包括悬挑梁和吊杆，悬挑梁固定于钢护筒顶面，吊杆连接悬挑梁和钢吊箱底板。

作为进一步选择，悬挑梁包括下挑梁和上挑梁，下挑梁固定于钢护筒顶面，上挑梁由千斤顶支撑于下跳梁上方，吊杆连接上、下挑梁和钢吊箱底板。

采用前述装置进行承台施工的方法，步骤依次为：

步骤一：施工墩位处的钢护筒内混凝土桩灌注完成；

步骤二：依托钢护筒在设计标高位置安装牛腿，牛腿用以在钢吊箱底板下方支撑钢吊箱；

步骤三：依次完成钢吊箱底板、钢筋笼及下挑梁的安装；

步骤四：钢护筒上安装钢吊箱下放时的导向装置，并将钢筋笼临时悬挂在导向装置上；

步骤五：安装钢吊箱下放时的吊杆、千斤顶及上挑梁，钢吊箱底板焊接拉压杆；

步骤六：安装钢吊箱侧壁及其内支撑，利用对拉钢筋将侧壁与底板进行连接；

步骤七：通过千斤顶顶升上挑梁，上挑梁通过吊杆将钢吊箱提升一定距离，然后割除钢吊箱下方的牛腿，通过吊杆下放钢吊箱至设计标高；

步骤八：下放钢筋笼到底板位置，在钢护筒上安装拉压杆，拉压杆连接钢护筒和钢吊箱底板，拉压杆安装完毕以后拆除吊杆、上挑梁和千斤顶；

步骤九：浇筑封底混凝土，钢筋笼由封底混凝土浇筑固定；

步骤十：封底混凝土达到设计强度后抽水，割除封底混凝土以上的钢护筒、拉压杆，拆除下挑梁；

步骤十一：将钢筋笼露出封底混凝土上表的部分弯折放入钢护筒里面的桩内；

步骤十二：完成承台一次性浇筑。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本发明的有益效果：克服了常规剪力键的使用局限，同时又克服了需要增加封底混凝土厚度来满足封底混凝土强度和握裹力的要求的缺点，对于桥墩数量较多的海上引桥，采用该新型结构及其施工工艺，能有效地节约工程造价，提高施工效率，确保了海上高桩承台的安全性、经济性和可靠性。

①结构自重轻、造价低：

通过这种装置及施工工艺，避免了承台一次浇筑的情况下需要增加封底混凝土厚度来满足封底混凝土强度和握裹力的要求，减少了封底混凝土的用量和钢吊箱的高度。

②结构安装方便快捷，提高了施工功效，降低了施工风险：

在钢吊箱下放前期，钢筋笼已经完成了加工和布置，钢吊箱下放到位后对钢吊箱底板与钢护筒接口封堵以后，钢筋笼也随之下放到位，无需现场焊接加工，提高了施工功效，整个施工都在水上施工，降低了施工风险。

③结构受力可靠，最大限度地利用现有材料的承载能力：

通过大型有限元计算，全面分析了在钢护筒周围的封底混凝土内设置钢筋笼的情况下，能够通过提高该位置的混凝土强度来提高封底混凝土的握裹力和承载力确保了结构的安全性和可行性。整个体系受力明确，传力可靠、便于施工。

④克服了常规剪力键的使用局限，具有广泛的适用性：

常规剪力键只能在低潮位低于封底混凝土底板的情况设置，采用这种钢筋笼装置及改进后的施工工艺在任何海况的高桩承台施工都能满足使用。

附图说明

图1是封底混凝土应力分布图；

图2是封底混凝土应力分布图；

图3是本专利钢吊箱平面图；

图4是本专利钢吊箱剖面图；

图5是本专利钢护筒上牛腿布置平面图；

图6是本专利钢护筒上牛腿布置立面图；

图7是本专利钢护筒下挑梁布置平面图；

图8是本专利钢护筒下挑梁、吊箱底板及钢筋笼布置立面图；

图9是本专利钢吊箱导向装置布置平面图；

图10是本专利钢吊箱导向装置布置立面图；

图11是本专利吊杆、千斤顶及上挑梁立面布置图；

图12是本专利钢吊箱吊装吊杆平面布置图；

图13是本专利割除吊箱下部的牛腿后的立面图；

图14是本专利吊箱下放到位后的立面图；

图15是本专利钢精笼下放到位、拉压杆安装完成后的立面图；

图16是本专利钢精笼下放到位、拉压杆安装完成后的钢吊箱平面图；

图17是本专利封底混凝土浇筑后的立面图；

图18是本专利割除多余钢护筒、拉压杆和下放装置后的立面图；

图19是本专利钢吊箱完成抽水钢筋笼顶部钢筋弯折进入桩基后的立面图；

图20是本专利钢吊箱完成承台浇筑后的立面图；

其中1为钢吊箱、2为钢筋笼、21为钢筋笼出露部分、3为拉压杆、4为导向装置、5为吊杆、6为钢护筒、7为对拉钢筋、8为封底混凝土、9为下挑梁、10为上挑梁、11为千斤顶、12为牛腿、13为承台、110为侧壁、120为底板、130为钢管、101为环向次梁、102为第二环向主梁、103为纵梁、104为壁板、105为第一环向主梁、106为箱型次梁、107为主梁。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

参考图3、4和17所示，一种可以提高封底混凝土承载力的装置，包括钢吊箱1、钢筋笼2、拉压杆3以及导向装置4，还包括悬挑梁和吊杆5，钢吊箱环绕各钢护筒6布置(如图所示，钢吊箱环绕两组4个钢护筒共8个钢护筒进行布置)，钢吊箱包括侧壁110和底板120，侧壁结构采用环向次梁101以及第二环向主梁102与纵梁103交叉焊接于壁板104上作为内模板，采用第一环向主梁105与纵梁103焊接于内模板外侧作为主要支撑梁系，内模板内侧采用十字交叉的钢管130作为内支撑，底板结构采用箱型次梁106和主梁107交叉焊接于底板上作为底模支撑系统，底板内侧设置拉压杆3连接到钢护筒6上，外侧通过对拉钢筋7将侧壁110与底板120拉紧，对拉钢筋7连接第二环向主梁102和底板120，每一钢护筒6在靠近顶部位置的侧壁都设有用以钢吊箱1下放导向的导向装置4，导向装置4垂直钢护筒6外壁固定，且其朝向钢吊箱1四角；如图所示，两组钢护筒上的导向装置对称设置，且各组靠内侧的钢护筒上设置一个导向装置，靠外侧的钢护筒上设置两个导向装置。每一钢护筒6在底板120上方设置有环绕该钢护筒6的钢筋笼2，钢筋笼2在之后由封底混凝土8浇筑固定，钢筋笼2用以增加钢护筒6附近的封底混凝土8强度和握裹力。悬挑梁水平设置并固定于钢护筒6顶面，悬挑梁包括上下平行设置的下挑梁9和上挑梁10，下挑梁10固定于钢护筒6顶面，上挑梁9由千斤顶11支撑于下跳梁10上方，吊杆5连接上、下挑梁9、10和钢吊箱底板120，通过吊杆5完成钢吊箱1沿钢护筒6的下放，导向装置4在下放过程中对钢吊箱1进行导向，防止钢吊箱1下放过程中发生偏位和倾斜。

以平面尺寸为11m×26m，承台厚度为3.5m的引桥承台为例，结构组成介绍如下：

侧壁结构采用I14的环向次梁101以及HN400x150x8/13的第二环向主梁102与HN350x175x7/11的纵梁103交叉焊接于8mm壁板104上作为内模板，采用HM588X300X8/12的第一环向主梁105与纵梁103焊接于内模板外侧作为主要支撑梁系，内模板内侧采用交叉的φ630×8钢管130作为内支撑。

底板结构采用B 200x100x6的箱型次梁106和2HN 400x150x8/13的主梁107交叉焊接于6mm底板上作为底模支撑系统。底板120内侧设置拉压杆3连接到钢护筒6上，外侧通过对拉钢筋7将侧壁110与底板120拉紧。底板120上方布置有钢筋笼2，之后由封底混凝土8(C25封底混凝土1.5m)浇注固定。钢护筒6上布置有导向装置4。

参考图3-20所示，采用前述装置进行承台施工的方法，步骤依次为：

步骤一：施工墩位处的钢护筒6内混凝土桩灌注完成；

步骤二：依托钢护筒6在钢护筒6上设计标高位置安装牛腿12，牛腿12用以在钢吊箱1底板120下方支撑钢吊箱1；如图所示，每个钢护筒上设置2个八字形布置的牛腿，同组钢护筒上的牛腿朝向一致，不同组的钢护筒上的牛腿相向设置(见附图5、6)。

步骤三：依次完成钢吊箱底板120、钢筋笼2及下挑梁9的安装，各下挑梁9水平平行设置，且与钢护筒6垂直，其两端伸出钢护筒6外形成悬挑梁(见附图7、8)；

步骤四：钢护筒6上安装钢吊箱1下放时的导向装置4，并将钢筋笼2临时悬挂在导向装置4上(见附图9、10)；

步骤五：安装钢吊箱1下放时的吊杆5、千斤顶11及上挑梁10，每一钢护筒6相对两侧均设置一吊杆5，钢吊箱1底板120焊接拉压杆3(见附图11、12)；

步骤六：安装钢吊箱侧壁110及其内支撑钢管130，利用对拉钢筋7将侧壁110与底板120进行连接；

步骤七：通过千斤顶11顶升上挑梁10，上挑梁10通过吊杆5将钢吊箱1提升一定距离，然后割除钢吊箱1下方的牛腿12，通过吊杆5下放钢吊箱1至设计标高，下放时导向装置4予以导向(见附图13、14)；

步骤八：下放钢筋笼2到底板120位置，在钢护筒6上安装拉压杆3，拉压杆3连接钢护筒6和钢吊箱底板120，拉压杆3安装完毕以后拆除吊杆5、上挑梁10和千斤顶11(见附图15、16)；

步骤九：浇筑封底混凝土8，钢筋笼2由封底混凝土浇筑固定(见附图17)；

步骤十：封底混凝土8达到设计强度后抽水，割除封底混凝土以上的钢护筒6、拉压杆3，拆除下挑梁9(见附图18)；

步骤十一：将钢筋笼2露出封底混凝土8上表的出露部分21弯折放入钢护筒6里面的桩内(见附图19)；

步骤十二：完成承台13一次性浇筑(见附图20。)

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。