柳州靜蘭大橋拆橋施工臨時棧橋方案設計

劉金義

(柳州市城市投資建設發(fā)展有限公司,廣西 柳州 545001)

臨時棧橋通常具有特殊的服務功能,一般要求其承載能力大、施工快捷、拆除方便、臨時性及可重復利用等特點。目前,它在我國的橋梁施工、大壩施工等工程中得到了大量應用。

棧橋的上部結構形式,理論上可以采用任何結構形式,但出于施工快捷及拆除方便的需要,一般采用便于工廠化拼裝的結構形式,如桁架梁、鋼箱梁等。在棧橋的下部結構形式中,也考慮施工與拆除的方便,普遍采用鋼管樁基礎或預應力混凝士管樁基礎。

架設臨時施工棧橋可作為材料設備的運輸通道、下部結構的施工平臺。能使水上施工變成路上施工,減小了惡劣環(huán)境對施工的影響、縮短及保證工期,同時它還具有節(jié)省減少工程建設對環(huán)境的污染和破壞等優(yōu)點。因而,它在橋梁的施工中得到了大量地應用。

1 工程概況

原靜蘭大橋建于 1992年,其設計荷載標準為汽 -20、掛-100,人群荷載 3.5 kN/m2。橋面寬度為 16.5m(0.5m人行道欄桿 +2.75m人行道 +0.5m防撞欄桿 +凈 9 m行車道 +0.5m防撞欄桿+2.75m人行道+0.5m人行道欄桿)。主橋結構為 5跨 90m等截面懸鏈線鋼筋混凝土箱形雙肋拱橋,矢跨比 f0/L0=1/8,拱軸系數(shù) m=1.756。拱肋寬 2.14m,高 1.7m,肋中心距 8m,肋間設有 14道橫系梁,每條拱肋由兩片預制拱箱組成。預制拱箱每片寬 1.04m,高 1.6 m,每跨分三段預制安裝。拱上由立柱、蓋梁組成排架,縱置鋼筋混凝土空心板、槽型板。下部構造為重力式橋墩、U型橋臺,明挖擴大基礎,主拱座及橋墩基底均置于基巖上[1]。

2 棧橋方案設計原則

由于棧橋為臨時工程,主要遵循“安全”、“適用”和“經(jīng)濟”的設計原則?！鞍踩薄ⅰ斑m用”的原則要求棧橋在設計設防災害下具有足夠的承載能力,不發(fā)生任何因棧橋承載力問題造成的人員傷亡,不能延誤主體工程的工期,并且要求在正常使用狀態(tài)下要求棧橋能夠正常運營。因此設計標準不可偏小,必須留有足夠的富余度?！敖?jīng)濟”原則要求棧橋的設計應該通過各方面的優(yōu)化盡量降低造價,而且要盡量利用可拆裝構件,保證最大限度的回收利用[2]。

2.1 棧橋方案設計概述[3]

棧橋分別布置在待拆橋梁上下游兩側,下游為 19跨,上游 23跨。平面布置示意見圖 1。

圖1 棧橋跨徑組合及平面布置示意(單位:m)

棧橋由單層五排加強型貝雷梁組成,采用I45a工字鋼作為棧橋下橫梁,其上擱置 321軍用貝雷梁 6排,兩側排間距45 cm,中間排間距 54 cm。貝雷梁上設置分配梁和枕木,間距 70 cm。棧橋上龍門吊走行軌道為P43軌。棧橋貝雷梁的架設采用“懸臂推出法”。在各臨時支墩上安置滾軸,施工時從西岸向東岸推出架設。其上除鋪設龍門吊軌道外,還設置1.0m寬人行道。橫斷面布置形式見圖 2。

棧橋臨時支墩采用鋼管樁,鋼管樁基礎固定方式有兩種,通過受力驗算得出。當覆蓋層大于 6m時直接插打鋼管樁至巖層;覆蓋層小于 6m時,采用鉆孔平臺法在鋼管樁內(nèi)施工鉆孔灌注樁,按嵌巖樁設計保證入巖不小于 5m。

臨時支墩鋼管樁采用單排兩根樁和雙排四根樁的組合型式。鋼管臨時支墩構造示意圖見圖3。

圖2 棧橋橫斷面布置示意(單位:cm)

圖3 鋼管臨時支墩構造示意(單位:cm)

高棧橋除承擔龍門吊走行軌、人行道外,同時在上下游間設置橫系梁,用來做拱下受力支撐。

3 棧橋方案設計檢算

3.1 有限元模型建立

本計算中按照棧橋的實際結構建立模型,分為貝雷主梁、貝雷主梁橫向聯(lián)系、鋼管群樁和鋼管群樁橫向聯(lián)系。

貝雷主梁由加強型貝雷片和貝雷片之間的橫向聯(lián)系組成,計算時將貝雷片的連接銷釘和其他附屬結構的重量換算到貝雷主梁中;貝雷橫向聯(lián)系是約束貝雷橫向穩(wěn)定的主要因素,實際連接中使用螺釘連接或者焊接。本設計在有限元模型中考慮為剛性連接,可以充分表達其連接形式。貝雷主梁模型見圖 4。

棧橋分為上游棧橋和下游棧橋兩部分,貝雷主梁橫向聯(lián)系就是將上游棧橋和下游棧橋連接的結構。在拆除過程中,貝雷主梁橫向聯(lián)系有兩種主要作用。其一,臨時支撐拆除的拱肋片斷。其二,在拆除過程中,克服拱橋橋墩的不平衡水平推力是拆除拱橋的難點。從一般意義上講,在不承受活載的情況下,拱橋拱腳水平推力主要由拱肋自重產(chǎn)生。所以可以在拱上施以與重力相反的方向的力來消除拱腳水平推力。這里可以在貝雷主梁上給拱肋一定的預頂力,來緩解拱腳的水平推力。在建立模型過程中,主梁橫向聯(lián)系由加強型貝雷片組成,貝雷的建立方式與以前所述相同。實際施工過程中,貝雷主梁橫向聯(lián)系與貝雷主梁用自制接頭連接,此接頭的強度和剛度要大于貝雷片所用材料的強度和剛度,在模型建立過程考慮為剛性連接,耦合 6個方向自由度。

圖4 模型整體圖

圖5 鋼管群樁橫向聯(lián)系

鋼管群樁從規(guī)模上分為,由 2根鋼管樁組成群樁和由 4根鋼管裝組成群樁。從受力情況上來看,分為承受拱肋臨時支撐力和不承受拱肋臨時支撐力。鋼管群樁之間由槽鋼組成橫向聯(lián)系,從而保證鋼管樁的穩(wěn)定性。鋼管樁和橫向聯(lián)系采用共節(jié)點連接,用來表達鋼管樁和橫向聯(lián)系間的連接情況,在鋼管樁頂有工字鋼組成墊塊,保證貝雷主梁通過。

鋼管群樁橫向聯(lián)系用以臨時支撐拱腳片斷的拱肋,并可以借助此結構搭建拆除拱肋平臺。此橫向聯(lián)系由 3片并排加強型貝雷片組成。鋼管群樁橫向聯(lián)系模型見圖5。棧橋在岸邊采用簡單支撐,模型中棧橋邊界約束豎向自由度。

本設計中采用大型有限元軟件ANSYS建立棧橋空間模型模擬棧橋各個工況荷載響應,全部模型共有節(jié)點 112160個,單元 135336個。

3.2 計算工況描述[3]

(1)棧橋跨中截面最不利荷載位置,即活載和恒載作用下棧橋最大跨度跨中產(chǎn)生最大彎矩工況;

(2)棧橋支撐截面最不利荷載位置,即活載和恒載作用下棧橋最大跨度支撐位置處產(chǎn)生最大彎矩工況;

(3)棧橋撓度最不利荷載位置,即活載和恒載作用下棧橋最大跨度跨中產(chǎn)生最大位移的工況;

(4)棧橋橫向聯(lián)系臨時支撐拱頂拱肋片斷,即在拱頂拱肋臨時支撐在棧橋橫向聯(lián)系上時,棧橋橫向聯(lián)系的荷載響應;

(5)鋼管群樁橫向聯(lián)系臨時支撐拱腳拱肋片斷,即在拱腳片斷臨時支撐在群樁橫向聯(lián)系上時,鋼管群樁橫向聯(lián)系的荷載響應;

(6)計算拆除一跨時各種荷載對于棧橋的綜合作用,即考慮拱肋割斷后,龍門吊準備起吊拱肋片斷工況,起吊跨中時為最不利工況。

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3.3 計算結果

表1所羅列的結果為該工況下模型中所有受力桿件(包括組成棧橋的各個組成部分)結果。從應力角度來看,所有桿件應力均在貝雷片所承受的容許應力 273 MPa以內(nèi),壓應力略大于拉應力。從變形角度來看,工況④和工況⑥豎向位移最大,同時這兩個工況下桿件在棧橋橫截面方向的位移也最大。

4 結束語

現(xiàn)柳州靜蘭大橋拆橋已經(jīng)順利完成,經(jīng)檢驗,棧橋完全滿足施工要求,龍門吊行駛平穩(wěn)。

目前我國已經(jīng)修建了各種形式的臨時施工棧橋,今后隨著更多跨?？缃笮蜆蛄汗こ痰男藿?也將修建更多的臨時施工棧橋。在復雜惡劣的環(huán)境下,臨時棧橋的設計都將面臨著棧橋環(huán)境作用設計標準的確定、環(huán)境荷載的確定、棧橋承載力的評價問題。而目前,國內(nèi)外對臨時施工棧橋設計還缺乏系統(tǒng)的研究,還沒有編制臨時棧橋的設計規(guī)范。由于沒有規(guī)范可循,這不僅給臨時棧橋帶來設計上的不便,也給設計出來的臨時棧橋存在一些問題——或是臨時棧橋設計過于保守,不經(jīng)濟;或者是臨時棧橋抵抗災害的能力過低,不安全,即無法實現(xiàn)安全性與經(jīng)濟性矛盾的統(tǒng)一。

[1]四川省交通廳公路規(guī)劃勘察設計研究院.靜蘭大橋改建工程施工圖設計(第一冊 原橋拆除工程)[R].2005

[2]覃勇剛.杭州灣跨海大橋南岸超長棧橋設計研究[D].東南大學,2006

[3]西南交通大學.柳州市靜蘭大橋改建工程——原橋拆除工程復核計算報告[R].2006

[4]劉金義.鋼筋混凝土拱橋上部結構拆除方案設計[J].四川建筑,2009,29(6)