鋼棧橋在深水施工中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

任加亮

(中鐵十四局集團(tuán)有限公司，河南鄭州 450006)

1 工程概況

援尼日爾二橋位于尼日爾共和國首都尼亞美市，南北縱跨尼日爾河，全長 600 m，4 聯(lián)（3×40 m＋4×40 m＋4×40 m＋4×40 m）15 跨，雙幅 4 車道，北岸為 0#橋臺(tái)，南岸為 15#橋臺(tái)。其中 5#～11#墩處于水中，其余處于旱地，其中 5#～11#墩右幅每跨在上游處設(shè)一根防撞墩。尼日爾河是季節(jié)性河流，水位受降雨量變化而差異很大，為方便施工時(shí)材料、機(jī)具設(shè)備的運(yùn)輸，項(xiàng)目技術(shù)組在水中架設(shè)鋼棧橋、水中墩設(shè)置固定鉆孔平臺(tái)。為不影響航道通行，棧橋設(shè)置成通航棧橋形式，預(yù)留 8#墩至 9#墩之間作為通航孔，不設(shè)鋼棧橋。

2 棧橋設(shè)計(jì)說明

河床地質(zhì)條件表層為 1.0 m～1.5 m 厚淤泥，以下依次為 1.8 m 砂礫層、強(qiáng)風(fēng)化巖層。

鋼棧橋分北棧橋和南棧橋，北棧橋從 5#墩至8#墩位，5#墩位采用筑島填土修筑棧橋引道，從引道至 8#墩搭設(shè)棧橋，6#、7#、8#墩采用固定平臺(tái)方案施工。南棧橋從南岸至 9#墩位，棧橋起點(diǎn)設(shè)在 11#墩和 12#墩之間，9#、10#、11#墩采用固定平臺(tái)方案施工。

按照鋼棧橋的施工方法，投入 50 t 履帶吊，架設(shè)施工采用釣魚法進(jìn)行，鋼棧橋按 12 m 跨距設(shè)計(jì)，棧橋承載力應(yīng)滿足：50 t 履帶吊在橋面行走和起重 20 t 要求、6 m3 混凝土罐車(30 t)行車要求。

棧橋橋面和鉆孔平臺(tái)面設(shè)計(jì)標(biāo)高按最高水位考慮，以使棧橋和平臺(tái)在施工期時(shí)間內(nèi)都能正常作業(yè)，尼日爾河常水位標(biāo)高 176.5 m，最高水位180.56 m，棧橋橋面、平臺(tái)面設(shè)計(jì)標(biāo)高 180.56 m。

沿橋軸線布置鋼棧橋，使鋼棧橋位于左右兩幅橋中間，棧橋采用凈寬 4.2 m 設(shè)計(jì)，左右兩幅橋最內(nèi)側(cè)的兩根樁的凈間距為 4.45 m，相應(yīng)鋼護(hù)筒凈間距為 4.25 m，棧橋?qū)挾葷M足施工需要。

平臺(tái)采用鋼管樁基礎(chǔ)，并結(jié)合利用鋼護(hù)筒，梁部采用縱橫工字鋼。鋼棧橋的平面位置不得妨礙鉆孔樁、系梁施工，并考慮與鉆孔平臺(tái)系統(tǒng)的配合。表1為棧橋、平臺(tái)施工設(shè)計(jì)方案表。

表1 棧橋、平臺(tái)施工設(shè)計(jì)方案表

3 棧橋、平臺(tái)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)棧橋面 4.2 m，設(shè)計(jì)標(biāo)高 180.56 m，棧橋橋面標(biāo)高比同位置系梁頂面高 20 cm。棧橋樁采用直徑 φ600×8 mm 的 Q235a 鋼管樁。為避免尼日爾河洪水位時(shí)發(fā)生意外事件，基礎(chǔ)形式為雙排樁，每排為 3 根Ф60 鋼管樁。鋼管樁入土深度 4～6 m。下橫梁采用 I40b 型鋼，主縱梁采用 1．5 m 高的“321”型普通型貝雷梁，共兩組，每組布置二榀。貝雷梁上依次鋪設(shè) I25 的橫向分配梁，間距 1.50 m；I12.6 型鋼的縱向分配粱，間距 40 cm；橋面板采用8 mm 厚防滑鋼板，最后，安裝欄桿、照明和管線等附屬結(jié)構(gòu)。用同種方法施工鉆孔平臺(tái)。圖1為棧橋立面、平面結(jié)構(gòu)圖，圖2為鉆孔平臺(tái)立面、平面、橫斷面圖，圖3為棧橋平面圖，圖4為棧橋與平臺(tái)位置示意圖。

4 鋼棧橋受力檢算

鋼棧橋受力檢算，其最大跨徑為 12 m。

圖1 棧橋立面、平面結(jié)構(gòu)圖

圖2 鉆孔平臺(tái)立面、平面、橫斷面圖

圖3 棧橋平面圖

圖4 棧橋與平臺(tái)位置示意圖

4.1 計(jì)算基本參數(shù)

I40b 工字鋼：0.74 kN/m;

I28a 工字鋼：0.43 kN/m；

I12.6 工字鋼：0.12 kN/m;

φ600×8 鋼管樁：1.18 kN/m；

人群荷載：3.00 kN/m；

移動(dòng)均布荷載：500 kN；

單排單層加強(qiáng)型貝雷梁 單位重：1.50 kN/m；

截面模量：W=7 699 cm3；

慣性矩：I=577 434 cm4；

貝雷梁（16 錳鋼）：容許彎曲應(yīng)力[σ]=210 MPa，

容許剪應(yīng)力[τ]=120 MPa，

彈性模量 E=210 GPa；

I40b 工字鋼（A3 鋼）：容許彎曲應(yīng)力[σ]=160 MPa，

容許剪應(yīng)力[τ]=100 MPa，

彈性模量 E=210 GPa；

截面模量：W=1 139 050 mm3；

慣性矩：I=227 810 000 mm4。

4.2 貝雷梁抗彎強(qiáng)度、剛度檢算

恒載計(jì)算：

q 恒=(橋面橫向分配梁+橋面縱向分配梁+橋面方木)/21+貝雷梁自重=[0.43×(12/1.5+1)×4.2+0.12 ×(4.2/0.4+1)× 12+(12/0.22+1)× 0.2 ×0.2×4×4.2]/12+1.5×4=11.85(kN/m)

活載計(jì)算：q 活=3 kN/m

總均布荷載：q 總=14.85 kN/m;集中荷載：P=700 kN。

圖5為其荷載最不利組合計(jì)算圖示。

圖5 貝雷梁荷載最不利組合計(jì)算圖示

抗彎強(qiáng)度計(jì)算：

跨中彎矩：Mmax=2367.30 kN· m

彎曲應(yīng)力：σ=Mmax/W=2367.30/(4×7699 ×10-3）=76.87（MPa）<[σ]=210（MPa）

抗彎剛度計(jì)算：

f=5mm<[f]=L/500=24mm

由以上計(jì)算知貝雷梁抗彎強(qiáng)度、剛度滿足使用要求。

4.3 橫向分配梁計(jì)算

橫向分配梁為雙 I40b 工字鋼，圖6為其荷載最不利組合計(jì)算圖示。

P1=350 ×(12-2.25)/12 ×(1+(3.02-2.5)/3.02)+14.85×12/2=422.44（kN · m）

P2=350 ×(12-2.25)/12 ×(2.5/3.02)+14.85×12/2=324.51(kN· m)

由圖6可知:因?yàn)殚g距和均布力太小,所以不考慮彎曲。

Qmax=422.44 kN

工字鋼梁剪切應(yīng)力：

τ=QmaxSmax（/It）=Qmax[bH2-(b-t)h2]/(8It)=422440 ×(144× 4002-(144-12.5)× 3672/8/227800000/2/12.5=49.41（MPa）<[τ]=100 MPa

圖6 橫向分配梁荷載最不利組合計(jì)算圖示

由以上計(jì)算可知：雙 40b 工字鋼橫向分配梁滿足使用要求。

4.4 縱向分配梁計(jì)算

縱向分配梁為單 I40b 工字鋼，圖7為其荷載最不利組合計(jì)算圖示。

圖7 縱向分配梁荷載最不利組合計(jì)算圖示

跨 中 彎 矩 ：Mmax=PL/4+qL2/8=422.44× 1.2/4+1.48×1.22/8=126.98（kN · m）Qmax=P/2+qL/2=422.44/2+1.48× 1.2/2=212.11（KN）彎 曲 應(yīng) 力 ：σ=Mmax/W=126.98/（1139050×10-6× 2）=55.74（MPa）<[σ]=160 MPa

工字鋼梁剪切應(yīng)力：τ=QmaxSmax（/It）=Qmax[bH2-(b-t)h2]/(8It)/2=212.11 ×(144×4002-(144-12.5)× 3672)/8/227800000/2/12.5=24.81（MPa）<[τ]=100 MPa

由以上計(jì)算可知：單 40b 工字鋼橫向分配梁滿足使用要求。

4.5 鋼管樁承載力檢算

樁基承載力驗(yàn)算：根據(jù)結(jié)構(gòu)分析可知，樁基最不利荷載組合為 500 kN 履帶吊位于樁基位置，故樁基上所承受最大荷載：

P=212.11 kN

根據(jù)公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ024-85）中沉樁的承載力驗(yàn)算要求：

[P]=U×L ×τi×ai/2

式中：U——樁的周長，樁徑 0.6 m；

L——樁在局部沖刷線以下的有效長度，埋深 5 m；

τi——樁壁土的極限摩阻力，kPa，根據(jù)大橋工程地質(zhì)勘察說明該橋位處土極限摩阻力為粘土 100 kPa，淤泥不考慮承載；

ai——震動(dòng)沉樁對(duì)各土層樁周摩擦力的影響系數(shù)，取值 0.6。

則：[P]=U×L ×τi×ai/2=π× 0.6 ×（5×100）×0.6/2=282.6（kN）

故：[P]=282.6 kN>1.3P=1.3× 212.11 kN=275.74 kN，承載力滿足使用要求。

5 棧橋、平臺(tái)材料數(shù)量

考慮南、北棧橋倒運(yùn)，先施工南棧橋及 9#、10#、11#諸墩的基礎(chǔ)和下部結(jié)構(gòu)（因預(yù)制場(chǎng)設(shè)在南岸），之后將棧橋拆除倒運(yùn)至北岸，故棧橋材料數(shù)量按單邊計(jì)算。

固定平臺(tái)的材料數(shù)量也考慮南北岸倒運(yùn)，按 3個(gè)平臺(tái)投入、詳見表1、表2所列。

6 棧橋、平臺(tái)施工

6.1 采用 50 t 履帶吊車進(jìn)行釣魚法施工

鋼棧橋跨度為 12 m，架設(shè)采用 650 kN 履帶吊、DZ90 振動(dòng)錘逐跨打樁搭設(shè)鋼棧橋。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，每跨雙排鋼管樁連接材料采用［20 a 細(xì)梁連接。鋼管尺寸需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)尺寸下料，焊縫質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。施工時(shí)注意履帶吊懸出長度不準(zhǔn)超過 2.5 m，現(xiàn)場(chǎng)要根據(jù)吊機(jī)的實(shí)際性能進(jìn)行施工。

棧橋搭設(shè)示意圖如圖8所示。

步驟：利用履帶起重機(jī)提升振樁錘沉放→鋼管管樁沉放就位，準(zhǔn)備安裝貝雷梁→利用履帶起重機(jī)安裝貝雷梁，鋪設(shè)橋面結(jié)構(gòu)。按上述方法施工下一跨棧橋。

在測(cè)量給出的樁位處將鋼管樁震動(dòng)下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高。根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)高與水面標(biāo)高的關(guān)系，計(jì)算鋼管樁外露水面的長度，沉樁過程中應(yīng)嚴(yán)密注視鋼管樁的下沉速度，若在沉樁過程中出現(xiàn)急速下沉，或無法下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，應(yīng)綜合考慮各種因素并報(bào)告項(xiàng)目部分析情況予以處理。

鋼棧橋施工流程工藝如圖9所示。

固定平臺(tái)的施工采用類似于棧橋的方法進(jìn)行施工：履帶吊釣魚法施工，此處不再重述。

6.2 測(cè)量控制

施工時(shí)測(cè)量定位控制：施工采用架設(shè) 2 臺(tái)全站儀進(jìn)行交匯測(cè)量，首先，在岸上設(shè)置測(cè)量平臺(tái)，在其上控制鋼管樁的平面位置、垂直度及標(biāo)高，兩臺(tái)儀器的交會(huì)角控制在允許范圍內(nèi)，在震動(dòng)下沉工程中始終保持鋼管樁的垂直度。當(dāng)發(fā)現(xiàn)傾斜時(shí)，立即進(jìn)行微調(diào)，利用吊車擺臂來糾正其垂直度的偏差和調(diào)整樁位，直至矯正后繼續(xù)震動(dòng)下沉。當(dāng)鋼管樁下沉至所畫的紅油漆標(biāo)識(shí)附近時(shí)，適當(dāng)減慢震動(dòng)下沉量，由測(cè)量人員對(duì)樁頂標(biāo)高進(jìn)行復(fù)合，當(dāng)樁頂標(biāo)高達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，震動(dòng)錘與鋼管樁之間脫開。如實(shí)際標(biāo)高高于設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，震動(dòng)錘向下做少許震動(dòng)，直至達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，從而保證鋼管樁的垂直度和樁位及標(biāo)高符合要求。

表1 棧橋材料數(shù)量計(jì)算表

表2 3個(gè)平臺(tái)材料計(jì)算表

圖8 鋼棧橋搭設(shè)示意圖

圖9 鋼棧橋施工流程工藝圖

7 結(jié)語

本文通過援尼日爾二橋的鋼棧橋施工過程，詳細(xì)介紹了臨時(shí)鋼棧橋搭設(shè)方案，并以此對(duì)鋼棧橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)受力驗(yàn)算。在棧橋施工和應(yīng)用中，可以得出一些結(jié)論：

（1）臨時(shí)鋼棧橋在深水施工中鋼管樁作為基礎(chǔ)，具有施工便利，造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。

（2）臨時(shí)鋼棧橋用大塊焊接鋼板作為面板，可以大幅度降低棧橋的維修費(fèi)用。

（3）臨時(shí)棧橋是工字鋼與貝雷梁的受力組合，結(jié)構(gòu)方便拆除，臨時(shí)性和可重復(fù)性的利用是鋼棧橋的顯著優(yōu)點(diǎn)，尤其是要求工期緊的條件下，可縮短施工工期。

（4）棧橋承載力的主要荷載因素是自重恒載和移動(dòng)荷載工況的組合，對(duì)整個(gè)棧橋的穩(wěn)定性驗(yàn)算而言，貝雷縱梁和鋼管樁承載力的驗(yàn)算是關(guān)鍵。

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