跨江海水中棧橋設計及施工

馮剛 石雅清 韓薈

1 工程情況

七都大橋是跨越甌江南汊連接溫州和七都島的主要通道。大橋全長2 069 m。集團公司承建第2合同段,起點K4+016(20號墩),終點K5+137,本合同段主橋長1.121 km,為(68+3×120+68)m五跨預應力變截面連續箱梁橋。

2 問題闡述,方案比選

本工程施工除受到每年多次的臺風侵襲外,還受寒潮、雪、雷暴、大霧等不良自然環境的影響,嚴重影響有效作業時間,再加上業主規定的工期緊等因素,決定采用修筑棧橋之各墩位,變水上施工為陸地施工,則可大大提高施工的主動性,采用棧橋施工和水上船舶施工方案。經比較可看出,采用棧橋施工方案可以延長有效作業時間,更有利于保證工程質量,減少大型吊裝設備的投入,有效降低施工安全風險。經比較采用棧橋施工方案,根據主橋跨甌江的里程樁號,本棧橋設計里程樁號為K4+006～K4+597,設計總長為591 m。同時又考慮到本標段分離式承臺較少,如棧橋從主橋中樁線走,則會影響基礎承臺吊箱施工,故采用棧橋主軸線與主橋平行(位于主橋上游),間距確定為24.1 m。

3 棧橋總體設計方案

3.1 設計通行能力

根據本棧橋的使用特點和設計意圖,結合主橋施工需要,確定設計荷載為汽—超20,驗算最大荷載為40 t的混凝土罐車,軸距2.5 m,其主要荷載形式為:三軸間距分別為 4 m,1 m,三軸重分別為50 kN,175 kN,175 kN。

3.2 基本橋型布置

棧橋全長591 m,設計每跨為15 m(5節貝雷),共計39跨,第39跨為21 m,橋面寬4 m,全橋分為 5聯,分布情況為前4聯8跨,尾聯7跨。淺水位置棧橋基礎采用φ 800mm×8mm鋼管樁,24號～25號為深水位置(即棧橋墩4墩～16墩),基礎采用φ 800 mm×10 mm鋼管樁,樁距為3.7 m;鋼管樁橫擔為雙拼Ⅰ36b工字鋼,長6.0 m;貝雷上橋面系采用正交異性板,尺寸為3.78 m×4 m,橋面鋼板為8 mm。貝雷梁截面尺寸為3.0 m×1.5 m,其分布尺寸分別為45 cm+112.5 cm+112.5 cm+45 cm,共計 5排。貝雷內剪刀撐用[10槽鋼,外剪刀撐采用[10槽鋼,鋼管樁連接系采用[20槽鋼。護欄采用φ 50×5鋼管。主墩位置處設置18 m×8 m加寬段作為會車平臺。

4 設計資料

甌江水中墩江底標高參見施工圖設計中河床高程(見表1)。

表1 不同墩位的標高統計表

鋼管樁樁頂標高設計為+5.38 m。

水流沖刷線參照國家海洋局溫州海洋環境監測中心站所作的《溫州七都島南北汊流量觀測分析報告》中建議的考慮水流沖刷線為3 m。

設計風荷載為40 m/s,設計流速為1.8 m/s。設計地基分層土τ分別為:中砂 τ=30 kPa;淤泥 τ=12 kPa;淤泥質黏土 τ=16 kPa。設計棧橋頂面高程+7 m,高于正常潮水位。

5 設計驗算

5.1 貝雷梁穩定驗算

本棧橋設計為五排單層,五排單層結構承受的最大彎矩為788.2×5=3 941 kN·m,最大剪力為 245.2×5=1 226 kN。

故貝雷梁滿足強度要求。

5.2 樁基豎向承載力計算

由各鉆孔資料均可算出單樁承載力滿足設計要求。

5.3 鋼管樁樁身穩定性計算

鋼管樁按一端嵌固,一端自由方式計算,局部沖刷線以上均為自由端Pcr=π2EI/4L2。其中,E為鋼材的彈性模量;I為樁截面的慣性矩,I=π(D4-d4)/64;L為樁長,本設計中最大自由長度L=19.982 m,取L=20 m。Pcr1=π2EI/4L2=[3.141 62×210×109×3.141 6×(0.84-0.784)]/(4×64×202)=2 508 kN。取安全系數nst=4。Pcr1=2 508 kN＞nstP0=1 568 kN,故結構是安全的。

5.4 土中鋼管樁水平承載力計算

利用m法中無量綱計算法,列表計算出最大彎矩處各鋼管樁入持力層1 m之間,最大彎矩在156 kN·m,亦可通過計算得出彎曲應力值和剪切應力值亦小于許用應力值。對于這兩種鋼管樁水平位移均很小,800樁為3.7 mm,符合要求(y＜10 mm)。

5.5 水中鋼管樁樁頭水平位移

建立如下的模型:汽車制動力和風力由18根鋼管樁共同承受,故樁頭集中力136/18=7.556 kN,流水壓力為均布荷載13/21=0.6 kN/m。利用Midas軟件分析得出鋼管樁樁頭的最大水平位移為14.7 cm,嵌固段的最大彎矩74.2 kN·m。換算成傾斜率亦滿足規范的要求(＜1%)。

6 棧橋施工的質量控制

6.1 材料

1)對進場的鋼管樁按質量體系文件相關程序進行檢驗。2)棧橋所用鋼材均為A3鋼(Q235),其規格型號和性能必須符合設計要求和GB 200-79國家標準,進場材料應提交產品合格證。3)焊接材料應選用符合GB 981-76要求的E4303-E4313型焊條。4)運輸鋼構件時,應根據鋼構件的長度、重量選擇車輛,在運輸過程中應采取適當措施保證鋼構件不變形,不損傷涂層。

6.2 棧橋構件加工及安裝質量要求

沉樁停錘標準:擬采用DZ90型振動錘,棧橋鋼管樁尖位于中密砂土層上,沉樁停錘以標高控制為主,貫入度控制為輔。沉樁達不到設計標高時,最后10擊每擊平均貫入度不大于1.0 cm可以停錘,并可認為其樁基承載力不小于 50 t。

螺栓連接:螺栓連接應與連接構件緊貼,牢固可靠,外觀排列整齊,外露絲扣不應少于2扣,連接質量應符合現行國家相關規范標準,檢驗時可用錘擊法檢查。

焊縫連接:對接焊縫要求予以焊透;角焊縫必須完整、連接,有效厚度不得小于8 mm;焊縫表面不得有裂紋、縱梁與面板之間的焊縫等級應不低于三級,其他所有焊縫質量等級應不低于二級。

6.3 棧橋施工方法

1)棧橋起始墩施工。起始墩亦采用打入鋼管樁基礎,上設樁間分配梁,后回填塊石,并作沙袋防護。2)鋼管樁制作。鋼管樁的鋼板,必須符合設計及規范要求。管節拼裝定位應在專門臺架上進行,管節對口應保持在同一軸線上進行。管節管徑差,橢圓度以及樁成品的外形尺寸必須滿足規范要求。鋼管樁焊縫質量應符合要求。棧橋鋼管樁為φ 800 mm×8 mm,φ 800 mm×10 mm。3)錘擊下沉鋼管樁。水上棧橋采用浮吊上DZ90液壓打樁錘直接錘擊下沉到位。沉樁以標高控制。4)樁間連接。每排鋼管樁下沉到位后,應進行樁之間的連接,增加樁的穩定性,連接材料采用20號槽鋼,槽鋼尺寸需根據現場尺寸下料。槽鋼底口標高為0 m。5)樁頭橫梁Ⅰ36b安裝。Ⅰ36b安裝:經測量放線后,直接嵌入鋼管樁內,鋼管樁上焊接牛腿,保證其頂標高為+5 m。6)貝雷梁及橫向分配梁拼裝。貝雷梁預先在陸上或已搭設好的棧橋上按每組尺寸拼裝好,然后運輸到位,安裝在Ⅰ36b上。貝雷梁的位置需放線后確定,恢復棧橋中線而后在Ⅰ36b上確定貝雷梁位置。貝雷梁安裝到位后,橫向、豎向均焊定位擋塊及壓板。

7 結語

七都大橋第二合同段采用棧橋方案,不僅保證了工程質量,而且極大的提高了施工的效率,為跨甌江的又一條大動脈的早日貫通贏得了工期,也為深水和海上施工積累了寶貴的經驗。

[1]GB 50205,鋼結構工程施工質量驗收規范[S].

[2]JTJ 041-2000,公路橋涵施工技術規范[S].