跨海大橋裝配式棧橋結構設計與施工

蔡 田,吳凱軍

（中交二公局泉州灣跨海大橋A3合同段項目經理部，福建泉州 362122）

0 前言

泉州灣跨海大橋南岸深水區引橋（N089#～N123#墩），共有35個橋墩位。施工均需搭設支棧橋至墩位處才能進行，棧橋工程數量大。合理地設計支棧橋結構形式，提高施工效率，減少成本投入，保證施工工期，成為該項目施工的重點之一。為了解決以上難題，從支棧橋結構設計出發，以裝配式施工為理念，對支棧橋結構型式進行優化設計，并形成一套標準化施工工藝流程，為今后類似工程提供參考。

1 工程概況

泉州灣跨海大橋工程起于晉江南塘，終于塔埔，在石獅蚶江跨越泉州灣，為泉州市環城高速公路三期工程。橋位處海面開闊，海平面平均潮位下普遍水深1.4～5.7 m，海區潮流性質為正規半日潮流，呈往復流特征，最高潮水位3.36 m，最低潮水位-2.85 m。

橋址位于灘涂區，受潮汐影響大，水上船舶施工組織管理難度大、風險高，因此該工程采用在橋位下游側搭設主棧橋，然后根據墩位位置搭設支棧橋及鉆孔平臺的方法組織施工，實現海上施工陸地化。

2 支棧橋結構形式

按照支棧橋常規的施工工藝，結構自下而上分為鋼管樁、下橫梁、主梁（貝雷縱梁）、上層橫向分配梁、縱向分配梁及面板，共6層結構。

為了達到施工快捷、節約成本的目的，該項目將支棧橋結構進行了優化，使用鋼筋混凝土預制板代替上層橫向分配梁、縱向分配梁及面板，將支棧橋結構由6層變為4層。

3 支棧橋設計

支棧橋作為海上施工主要通道，以滿足施工作業為原則來確定支棧橋平面尺寸。支棧橋從施工主棧橋接出，因此頂面標高設置為與主棧橋相等，其長度需根據已建主棧橋與橋梁墩位之間的距離確定，寬度不小于施工機具的最大寬度。該項目支棧橋尺寸確定為長×寬×高為：44 m×6 m×7.5 m。

3.1 設計原則

（1）滿足施工要求；（2）安全；（3）施工方便快捷；（4）節約成本。

3.2 結構形式設計

支棧橋采用φ720×10 mm的鋼管樁排架基礎，排架橫向間距為4.0 m，縱向間距為9 m、12 m不等，樁基之間設[20槽鋼雙扣進行連接。樁頂分配橫梁采用2根I45b型鋼并聯，設置2組貝雷梁，每組4榀。貝雷梁上鋪設20 cm厚的鋼筋混凝土面板，平面尺寸為6.4 m×2 m，橋面兩側設置1.2 m高的防護欄桿。具體結構形式如圖1所示。

3.3 鋼筋混凝土預制板設計

混凝土預制面板內設置鋼筋，每塊預制板設兩層鋼筋，鋼筋層間距15 cm，鋼筋保護層厚2 cm，鋼筋綁扎前使用∠50×50×5的角鋼焊接成6.4 m×2 m×0.2 m的矩形框架，然后將鋼筋與角鋼焊接成型。

4 支棧橋受力計算

4.1 預制板受力分析

預制面板鋪設在貝雷片上，面板與貝雷片未進行連接，面板尺寸6.4 m×2 m×0.2 m。將面板近似為梁，滿載混凝土攪拌車單側車輪行駛在橋面板中心位置時為最不利荷載。攪拌車滿載時自重荷載按30 t計，后輪分配荷載最大，每個輪子按10 t計，計算簡圖如圖2所示，計算結果如圖3所示。

圖1 支棧橋橫斷面設計圖（單位：cm）

圖2 面板受力計算簡圖

圖3 混凝土罐車荷載作用下混凝土面板計等模型圖

由以上計算結果可以看出：混凝土面板最大彎矩出現在混凝土罐車荷載作用下，最大正彎矩值為：M1=29.1 kN·m，最大負彎矩值為：M2=22.6 kN·m。

C25混凝土抗拉強度設計值為1.23 MPa，為了使受力滿足要求，必須對混凝土面板進行配筋，上側設置直徑為12 mm的鋼筋，下層設置直徑為16 mm鋼筋，鋼筋保護層厚20 mm。

混凝土面板按單向板進行受力分析，應假定受壓區混凝土的合力C通過受壓鋼筋的重心，即令受壓區混凝土高度x=2as’，此時可直接對受壓鋼筋重心取矩，計算受拉區鋼筋面積，計算公式如下：

混凝土面板鋼筋骨架使用L50×5mm角鋼封邊，角鋼斷面面積為S’=4.8×10-4m2，設長度方向上下側配筋面積為S1，上側配筋面積為S2，則S1、S2應滿足下式：

混凝土面板下側配φ16 mm鋼筋，斷面面積2.011 cm2，上側配φ12 mm鋼筋，斷面面積1.131 cm2，則2 m寬板上下側各需設置6根鋼筋才能滿足受力要求。為了提高安全系數，上下側各配置8根鋼筋能滿足受力要求。具體鋼筋布置見圖4所示。

圖4 混凝土預制板鋼筋布置圖

4.2 支棧橋受力分析

采用MIDAS/CIVIL建立支棧橋有限元模型進行數值模擬計算，計算取兩跨，面板自重以荷載的形式施加在模型上，計算過程如下。

4.2.1 計算荷載取值

水平向荷載：風荷載取基本風壓600 Pa；按設計流速v=1 m/s，計算得鋼管樁流水壓力為2.95 kN，作用點位于設計水位以下0.3倍水深處；波浪力根據《海港水文規范》相關計算公式計算得鋼管樁受波浪力大小為28.24kN，作用點距海床面6.64 m。

豎向荷載：支棧橋自重由程序自動計入；履帶吊自重約50 t加吊重30 t；施工荷載按2.5 kN/m2取值；面板自重荷載按0.39 t/m均布荷載直接加載在貝雷梁上。

4.2.2 建立模型計算

在MIDAS/CIVIL建模中，鋼管樁、平聯、斜撐、貝雷，以及各種型鋼均以一般梁單元建立，混凝土面板使用板單元建立。為保證模型與實際情況一致，各層分配梁之間設剛性連接，并釋放一般梁單元在長度方向的位移約束，鋼管樁在嵌固點位置固結。

貝雷模型的建立：由于立桿及斜撐近似于二力桿，只承受軸力，不承受彎矩，故建模過程中，將立桿與弦桿接觸的一端進行端部約束釋放。

按照以上荷載組合加載，分別在車至跨中和車至樁頂時進行計算，計算結果如圖5、圖6所示。

圖5 車至跨中支棧橋應力圖

圖6 車至樁頂支棧橋應力圖

將兩種工況的計算結果進行匯總，見表1所列。

表1 支棧橋計算結果一覽表

由表1可知，支棧橋各桿件受力均小于允許應力，受力滿足要求，履帶吊行至樁頂時，貝雷梁受力最大，最大應力為壓應力，出現在貝雷梁豎向立桿上，值為241.7 MPa，小于允許應力273 MPa。

根據模型計算結果，履帶吊行走至跨中位置時，支棧橋主梁出現最大豎向位移，值為13.2 mm，允許最大位移[L]=L/400=30（mm），滿足規范要求。

5 支棧橋施工工藝

支棧橋以既有主棧橋為施工平臺進行施工，先插打前兩排鋼管樁，安設樁間連接、貝雷梁及鋪設面板，然后履帶吊行駛至支棧橋上進行下一排鋼管樁插打施工，直至支棧橋搭設完成。

5.1 測量定位

在進行鋼管樁插打施工前根據設計圖紙進行測量放線，找準每個鋼管樁樁位，安設導向裝置并調整垂直度，固定導向裝置，然后進行復測，復核導向架垂直度和空間位置滿足設計要求后，方可進行鋼管樁插打施工。

5.2 鋼管樁插打施工

使用履帶吊提升沉樁錘進行鋼管樁插打施工，插打過程中隨時監測樁位與樁的垂直度，發現偏差及時糾正。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，具體措施為樁間剪刀撐及平聯的焊接，所需材料尺寸需根據現場尺寸下料，焊縫質量滿足設計及規范要求。

5.3 下橫梁焊接

在鋼管樁頂焊接分配橫梁，橫梁采用I45b型鋼雙拼，單根長6.4 m。在焊接橫梁前需對樁頂標高進行復測，把高出設計標高部分割除，并在樁頂焊接樁帽，下橫梁直接焊接在樁帽上。

5.4 貝雷梁拼裝

貝雷梁在后場拼裝，每4榀為一組，每組拼裝長度9 m或12 m，貝雷梁之間用花架連接好。將拼裝好的貝雷梁采用履帶吊或汽車吊在棧橋上進行安裝。使用小槽鋼將貝雷梁與下分配梁之間進行固定，限制橫向位移。

5.5 面板鋪設

貝雷梁拼裝完成后進行面板鋪設，混凝土預制面板與貝雷縱梁之間需鋪墊1 cm厚橡膠墊塊，每塊預制面板墊4塊。面板鋪設完成后使用鋼板將相鄰兩塊面板之間進行焊接加固，鋼板與面板封邊角鋼焊接。

5.6 欄桿安裝

在支棧橋四周設置高為1.2 m的防護欄桿，采用Φ48焊接鋼管焊接在混凝土面板封邊角鋼上，立柱間距1.5 m。欄桿采用紅白相間的反光油漆進行涂刷，長度為每段顏色油漆20 cm。

6 對比分析

若采用傳統結構形式進行支棧橋施工，為滿足施工荷載要求，該項目支棧橋結構形式應做如下變化：貝雷縱梁及以下結構可不做調整，將混凝土預制面板更換為間距為50 cm的I25橫向分配梁、間距為30 cm的I12.6縱向分配梁及1 cm厚鋼板為面板的組合結構。現針對兩種結構形式進行比較，來分析該項目采用優化后支棧橋施工的優缺點。

6.1 施工功效分析

根據以往的施工經驗，采用傳統支棧橋結構進行施工單跨施工平均需要19 h的有效工作時間，將結構優化后，減少了兩道施工工序，單跨平均需要13.5 h有效工作時間，具體分析情況見表2所列。

表2 支棧橋施工功效（單跨）分析表

該項目共投入支棧橋12個，每個支棧橋4跨，相比傳統結構，該項目單個支棧橋搭設可節省22 h的有效工作時間。由此可見，將支棧橋結構進行優化可有效提高工作效率。

6.2 成本分析（見表3、表4）

表3 鋼面板支棧橋施工成本分析表

表4 鋼筋混凝土面板支棧橋施工成本分析表

取一個標準支棧橋44 m作為一個計算單元，每種材料價格按照施工時市場價計算。鋼管樁按海域地質情況平均取值26 m。

由表3和表4可以看出，通過優化支棧橋結構形式，搭設單個支棧橋可節省成本21.53萬元，累計搭設12個支棧橋可節省成本投入258.36萬元，經濟效益顯著。

6.3 施工可操作性分析

該項目將棧橋結構進行了優化，將棧橋結構層數減少至4層，相比傳統棧橋施工減少了2道施工工序，使棧橋的搭設及拆除更加快捷，提高了施工效率。整個棧橋搭設過程中僅有3道工序需要施工人員在水面上進行高空作業，相比與傳統棧橋施工大大減小了施工人員落水的概率，提高棧橋施工安全性。

6.4 使用性能分析

作為海上工程，若使用鋼板作為橋面板，海水腐蝕可加速鋼板銹蝕，影響鋼板強度，而使用混凝土預制板可有效防止海水腐蝕，耐久性更高。因此從抗腐蝕角度看，混凝土預制板比鋼面板更具有優越性。

7 總結

本文對裝配式棧橋結構形式進行了優化設計，使用鋼筋混凝土預制面板直接在棧橋貝雷縱梁上進行拼裝，進行了受力分析保證了施工的安全要求。通過工程實踐驗證了該施工工藝的可行性，并通過與傳統棧橋結構形式施工的比較得出該施工工藝具有操作方便、節省工期、節約成本等優點，為類似工程的施工累計了經驗。

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