跨江海水中棧橋設(shè)計(jì)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(zhǎng)2 069 m。集團(tuán)公司承建第2合同段,起點(diǎn)K4+016(20號(hào)墩),終點(diǎn)K5+137,本合同段主橋長(zhǎng)1.121 km,為(68+3×120+68)m五跨預(yù)應(yīng)力變截面連續(xù)箱梁橋。

2 問(wèn)題闡述,方案比選

本工程施工除受到每年多次的臺(tái)風(fēng)侵襲外,還受寒潮、雪、雷暴、大霧等不良自然環(huán)境的影響,嚴(yán)重影響有效作業(yè)時(shí)間,再加上業(yè)主規(guī)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(dòng)性,采用棧橋施工和水上船舶施工方案。經(jīng)比較可看出,采用棧橋施工方案可以延長(zhǎng)有效作業(yè)時(shí)間,更有利于保證工程質(zhì)量,減少大型吊裝設(shè)備的投入,有效降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)比較采用棧橋施工方案,根據(jù)主橋跨甌江的里程樁號(hào),本棧橋設(shè)計(jì)里程樁號(hào)為K4+006～K4+597,設(shè)計(jì)總長(zhǎng)為591 m。同時(shí)又考慮到本標(biāo)段分離式承臺(tái)較少,如棧橋從主橋中樁線走,則會(huì)影響基礎(chǔ)承臺(tái)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(shè)計(jì)方案

3.1 設(shè)計(jì)通行能力

根據(jù)本棧橋的使用特點(diǎn)和設(shè)計(jì)意圖,結(jié)合主橋施工需要,確定設(shè)計(jì)荷載為汽—超20,驗(yàn)算最大荷載為40 t的混凝土罐車(chē),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(zhǎng)591 m,設(shè)計(jì)每跨為15 m(5節(jié)貝雷),共計(jì)39跨,第39跨為21 m,橋面寬4 m,全橋分為 5聯(lián),分布情況為前4聯(lián)8跨,尾聯(lián)7跨。淺水位置棧橋基礎(chǔ)采用φ 800mm×8mm鋼管樁,24號(hào)～25號(hào)為深水位置(即棧橋墩4墩～16墩),基礎(chǔ)采用φ 800 mm×10 mm鋼管樁,樁距為3.7 m;鋼管樁橫擔(dān)為雙拼Ⅰ36b工字鋼,長(zhǎng)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(jì) 5排。貝雷內(nèi)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(hù)欄采用φ 50×5鋼管。主墩位置處設(shè)置18 m×8 m加寬段作為會(huì)車(chē)平臺(tái)。

4 設(shè)計(jì)資料

甌江水中墩江底標(biāo)高參見(jiàn)施工圖設(shè)計(jì)中河床高程(見(jiàn)表1)。

表1 不同墩位的標(biāo)高統(tǒng)計(jì)表

鋼管樁樁頂標(biāo)高設(shè)計(jì)為+5.38 m。

水流沖刷線參照國(guó)家海洋局溫州海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站所作的《溫州七都島南北汊流量觀測(cè)分析報(bào)告》中建議的考慮水流沖刷線為3 m。

設(shè)計(jì)風(fēng)荷載為40 m/s,設(shè)計(jì)流速為1.8 m/s。設(shè)計(jì)地基分層土τ分別為:中砂 τ=30 kPa;淤泥 τ=12 kPa;淤泥質(zhì)黏土 τ=16 kPa。設(shè)計(jì)棧橋頂面高程+7 m,高于正常潮水位。

5 設(shè)計(jì)驗(yàn)算

5.1 貝雷梁穩(wěn)定驗(yàn)算

本棧橋設(shè)計(jì)為五排單層,五排單層結(jié)構(gòu)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(mǎn)足強(qiáng)度要求。

5.2 樁基豎向承載力計(jì)算

由各鉆孔資料均可算出單樁承載力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

5.3 鋼管樁樁身穩(wěn)定性計(jì)算

鋼管樁按一端嵌固,一端自由方式計(jì)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(zhǎng),本設(shè)計(jì)中最大自由長(zhǎng)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(shù)nst=4。Pcr1=2 508 kN＞nstP0=1 568 kN,故結(jié)構(gòu)是安全的。

5.4 土中鋼管樁水平承載力計(jì)算

利用m法中無(wú)量綱計(jì)算法,列表計(jì)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(guò)計(jì)算得出彎曲應(yīng)力值和剪切應(yīng)力值亦小于許用應(yīng)力值。對(duì)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(chē)制動(dòng)力和風(fēng)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(mǎn)足規(guī)范的要求(＜1%)。

6 棧橋施工的質(zhì)量控制

6.1 材料

1)對(duì)進(jìn)場(chǎng)的鋼管樁按質(zhì)量體系文件相關(guān)程序進(jìn)行檢驗(yàn)。2)棧橋所用鋼材均為A3鋼(Q235),其規(guī)格型號(hào)和性能必須符合設(shè)計(jì)要求和GB 200-79國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)場(chǎng)材料應(yīng)提交產(chǎn)品合格證。3)焊接材料應(yīng)選用符合GB 981-76要求的E4303-E4313型焊條。4)運(yùn)輸鋼構(gòu)件時(shí),應(yīng)根據(jù)鋼構(gòu)件的長(zhǎng)度、重量選擇車(chē)輛,在運(yùn)輸過(guò)程中應(yīng)采取適當(dāng)措施保證鋼構(gòu)件不變形,不損傷涂層。

6.2 棧橋構(gòu)件加工及安裝質(zhì)量要求

沉樁停錘標(biāo)準(zhǔn):擬采用DZ90型振動(dòng)錘,棧橋鋼管樁尖位于中密砂土層上,沉樁停錘以標(biāo)高控制為主,貫入度控制為輔。沉樁達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí),最后10擊每擊平均貫入度不大于1.0 cm可以停錘,并可認(rèn)為其樁基承載力不小于 50 t。

螺栓連接:螺栓連接應(yīng)與連接構(gòu)件緊貼,牢固可靠,外觀排列整齊,外露絲扣不應(yīng)少于2扣,連接質(zhì)量應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),檢驗(yàn)時(shí)可用錘擊法檢查。

焊縫連接:對(duì)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(jí)應(yīng)不低于三級(jí),其他所有焊縫質(zhì)量等級(jí)應(yīng)不低于二級(jí)。

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(chǔ),上設(shè)樁間分配梁,后回填塊石,并作沙袋防護(hù)。2)鋼管樁制作。鋼管樁的鋼板,必須符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。管節(jié)拼裝定位應(yīng)在專(zhuān)門(mén)臺(tái)架上進(jìn)行,管節(jié)對(duì)口應(yīng)保持在同一軸線上進(jìn)行。管節(jié)管徑差,橢圓度以及樁成品的外形尺寸必須滿(mǎn)足規(guī)范要求。鋼管樁焊縫質(zhì)量應(yīng)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(biāo)高控制。4)樁間連接。每排鋼管樁下沉到位后,應(yīng)進(jìn)行樁之間的連接,增加樁的穩(wěn)定性,連接材料采用20號(hào)槽鋼,槽鋼尺寸需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)尺寸下料。槽鋼底口標(biāo)高為0 m。5)樁頭橫梁Ⅰ36b安裝。Ⅰ36b安裝:經(jīng)測(cè)量放線后,直接嵌入鋼管樁內(nèi),鋼管樁上焊接牛腿,保證其頂標(biāo)高為+5 m。6)貝雷梁及橫向分配梁拼裝。貝雷梁預(yù)先在陸上或已搭設(shè)好的棧橋上按每組尺寸拼裝好,然后運(yùn)輸?shù)轿?安裝在Ⅰ36b上。貝雷梁的位置需放線后確定,恢復(fù)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(jié)語(yǔ)

七都大橋第二合同段采用棧橋方案,不僅保證了工程質(zhì)量,而且極大的提高了施工的效率,為跨甌江的又一條大動(dòng)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(jīng)驗(yàn)。

[1]GB 50205,鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S].

[2]JTJ 041-2000,公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].