水中鋼棧橋及作業平臺結構設計探討

李貝貝

中鐵十五局集團第四工程有限公司

水中鋼棧橋及作業平臺結構設計探討

李貝貝

中鐵十五局集團第四工程有限公司

隨著社會的日益發展，跨越江河湖海的交通拉近了人們的距離，橋梁就是連接你我的主要方式。在水中修建橋梁，鋼棧橋及水中作業平臺作為必要的措施不可缺少，然而地形、地貌、地質、水文條件和橋梁結構型式的不同，鋼棧橋和作業平臺的結構設計方案也不盡相同。本文就我公司修建的安徽省無為縣西河特大橋水中鋼棧橋及作業平臺的結構設計進行探討，希望能為類似橋梁水中鋼棧橋及作業平臺提供參考。

鋼棧橋；作業平臺；結構設計

1 工程背景

西河特大橋是無為縣S319省道改造項目的重要控制性工程，位于縣城南凌莊自然村和馬口自然村之間，橋梁跨越西河，其中主橋為雙幅(33+55+55+33)m對稱四跨預應力混凝土變截面現澆箱梁，12#、13#、14#主墩為西河特大橋跨西河主墩，均位于西河內，其中12#主墩距離東岸駁岸線約6.0m，13#主墩位于河中心部位，14#主墩距離西岸駁岸線約29m。主墩基礎采用大孔徑低樁承臺，樁基直徑2.0m。西河現狀為Ⅵ級航道，但有500噸級船舶通行，橋梁施工不能中斷航道。

2 結構設計方案

2.1 地質參數

地質編號 土質 層底標高范圍 層厚 F(KPa) Φ(°) γ(KN/m3)② 粉質粘土 4.68m～2.48m 2.2m 35 15 18.5③ 軟土 2.48m～-12.92m 15.4m 20 15.5 18④ 粉土 -12.92m～-15.72m 2.8m 25 19.5 18

2.2 水文情況

左岸大堤頂標高約為11.5m，右岸大堤頂標高約為11.6。十年一遇頻率洪水位為9.25m，二十年一遇頻率洪水位10.076m，流量為450m3/s，常水位為5.53m。

2.3 設計要求

·保證橋址處西河航運正常，橋梁施工不得中斷航道；

·鋼棧橋及作業平臺橋面高于二十年一遇洪水位，且不得阻礙泄洪；

·鋼棧橋及作業平臺能承受QY50型履帶吊和福田8m3混凝土運輸車作業；

·鋼棧橋及作業平臺要滿足13#、14#鋼板樁圍堰和0#塊件支撐體系作業；

2.4 設計方案

鋼棧橋按照9m×5+6m×9跨徑布置，總長99m，橋面寬度6.0m。初始作業平臺設置于13#、14#主墩旁，按照6m×5跨徑布置，單個初始作業平臺長30m，橋面寬度9.0m。(見圖1)

鋼棧橋自上而下分別為：鋼護欄、橋面板、橫梁、貝雷梁、橫向分配梁、鋼管樁基礎、剪刀撐。橋面板采用δ10mm鋼板，滿鋪布置。橫梁采用雙拼[20b槽鋼，按照中心間距0.3m沿橋向通長布置。貝雷梁采用國產321型，按照三排單層設置。樁基礎采用φ630×10mm螺旋鋼管，每墩設3根，單排布置，間距2.5m布置，鋼管樁上口設置槽口，槽口寬度0.4m，高度0.25m， 400×400mmH型鋼單根分配梁放置其上，并用牛腿和斜撐將分配梁固定。螺旋鋼管之間剪刀撐采用[20b槽鋼。鋼棧橋橋尾設制動墩，雙排樁布置，每排設置3根螺旋鋼管。兩排樁之間采用單根400×400mmH型鋼縱向分配梁，其上設單根400×400mmH型鋼橫向分配梁。

圖1

3 結構驗算

3.1 荷載分析

本鋼棧橋和初始作業平臺最大的施工荷載為徐工QUY50型履帶吊在其上作業時的荷載，主要負責棧橋、圍堰、承臺、墩柱和上部0～1(1`)#塊施工時的材料起吊和螺旋鋼管樁、鋼板樁的插拔施工。QUY50型履帶吊自重52t，起吊的重量在10t以下(施工中最大構件為22m〈暫估〉長螺旋鋼管樁3.36t，DZJ120型振動錘自重7t)，所以本方案擬取用的荷載值為65t。徐工履帶吊履帶著地寬度為70cm，著地長度為450cm，整車寬度3.4m。

另外，本項目所用為福田8m3混凝土罐車，整車整備重量約15t，在運輸8m3混凝土時重量約為35t，其滿載時荷載的70%由后軸承擔，即后軸(后軸8輪)承擔24.5t。

3.2 工況分析

橋面板為10mm厚鋼板，在本驗算過程中暫不考慮橋面板的影響。

由于鋼棧橋設計的跨徑不一致，初始作業平臺寬度與鋼棧橋寬度不一致，取以下幾種極端情況分別驗算橫梁、貝雷梁和螺旋鋼管樁結構承載能力。

(1)履帶吊位于墩頂工作時，螺旋鋼管樁受力最大，通過比較履帶吊在6m寬橋面和9m寬橋面墩頂作業時的荷載并取最大值進行螺旋鋼管樁結構承載能力驗算、計算入土深度和長度。

(2)當履帶吊位于9m跨和6m跨跨中時，貝雷梁為最不利受力狀態，由于兩種跨徑時貝雷梁布置數量不一致，故分別驗算貝雷梁的結構承載能力

(3)當混凝土罐車后軸輪胎落于兩排橫梁上部時，為橫梁承受的最不利荷載，故取9m寬橋面時驗算橫梁的結構承載能力。

3.3 螺旋鋼樁入土深度驗算

當履帶吊位于樁墩頂正上方時，為鋼管樁承受的最不利荷載，此時近似按集中荷載作用于本墩上。超載系數為1.05，動載系數取1.2，安全系數取1.1。那么最大活載為90.09t。

當履帶在墩頂吊裝作業時，在鋼棧橋和作業平臺上存在兩種工況。經荷載分析對比，鋼棧橋單墩中間的螺旋鋼管樁受力最大，即：F＝48.96t

根據《路橋施工計算手冊》：Qd=U∑(qfili+qRA)/rd和地質參數表，并取1.2倍的安全系數，可得單根螺旋鋼管樁的入土深度為16.81m，單根長度為22.73m。入土深度計算結果為鋼管樁振設施工提供參考，實際入土深度以試樁最終貫入度作為校核。本工程經過試樁，最終實際螺旋鋼管長度為24m，入土深度18.01m。

3.4 貝雷梁受力驗算

當履帶吊位于跨中時，為貝雷梁承受的最不利荷載，以下分別對履帶吊在9m跨和6m跨時的貝雷梁進行結構承載能力驗算。

由《裝配式公路鋼橋使用手冊》可知，貝雷梁的容許內力表如右表所示。

3.4.1 9m跨貝雷梁驗算

貝雷梁采用國產321型，按照單層三排設置，鋼棧橋9m跨時單排貝雷梁設置3片，橋面承受活載時通過雙拼[20b槽鋼橫梁分配到貝雷梁主梁上。

當履帶吊通過最大跨徑移跨中時，貝雷梁在此時承受的彎矩最大：

M活=PL/4=202.7T·M

鋼棧橋9m跨其總恒載為：

F9m棧橋恒＝15633kg，即15.63t。

M恒=(1/8)QL2=17.58T·M

Mmax=361.93T·M

Mmax＞M活＋M恒=220.28T·M

當活載通過樁頂時，貝雷主梁在此時承受的剪力最大：Q=52.86T

貝雷主梁抵抗的最大剪力：Qmax=112.59＞Q=52.86T，滿足要求。3.4.2 6m跨貝雷梁驗算

貝雷梁采用國產321型，按照單層三排設置，鋼棧橋6m跨時單排貝雷梁設置2片，橋面承受活載時通過雙拼[20b槽鋼橫梁分配到貝雷梁主梁上。

當履帶吊通過最大跨徑移跨中時，貝雷梁在此時承受的彎矩最大：

M活=PL/4=135.14T·M

鋼棧橋6m跨其總恒載為(取初始作業平臺恒載)：

F平臺恒＝11737.9kg，即11.74t

將數據從純文本數據轉換成數據庫格式數據。通過對文本數據進行識別、讀取和存儲，實現對純文本文檔的解析和轉換。

M恒=(1/8)QL2=8.81T·M

貝雷主梁抵抗彎距(由縱向3排單層貝雷梁承擔)：

Mmax=229.22T·M

Mmax＞M活＋M恒=143.95T·M

當活載通過樁頂時，貝雷主梁在此時承受的剪力最大：

Q=52.86T

貝雷主梁抵抗的最大剪力：Qmax=71.32＞Q=52.86T，滿足要求。

3.5 雙拼[20b槽鋼驗算

當混凝土罐車后軸輪胎落于兩排橫梁上部時，為橫梁承受的最不利荷載。

初始作業平臺橋面寬度9m，雙排[20b槽鋼在貝雷梁之間的跨度最大，即L＝4m，[20b槽鋼的力學參數。

福田8m3混凝土罐車，整車整備重量約15t，在運輸8m3混凝土時重量約為35t，其滿載時荷載的70%由后軸承擔，即后軸(后軸8輪)承擔24.5t，那么單組輪單側傳遞的罐車集中荷載為6.125t。

(1)按強度要求考慮，橫梁的最大彎矩為：

Mmax＝FL/4＝60.03KN·m

[20b槽鋼的許用彎曲應力為[σ]＝158Mpa

根據彎曲正應力強度條件，那么：

Wmax＝Mmax/[σ]=0.37994×10-3m3

即：Wmax＝379.94cm3

2排雙拼工字鋼(4根[20槽鋼組成]的抗彎截面系數為：Wz＝764cm3

故Wz＞Wmax，滿足要求。

(2)按剛度要求考慮，則要滿足：

FL3/48EIz≤L/500，即Iz≥500F L2/48E＝5002.1cm4

Iz＝7656 cm4，滿足要求。

4 結束語

(1)本文所述的鋼棧橋及作業平臺，滿足了通航、鋼板樁圍堰及橋梁結構施工作業的需求，同時也經受住了百年一遇洪水的考驗，有效的保證了施工生產的正常進行；

(2)鋼棧橋和作業平臺橋面板由[20槽鋼和δ10mm鋼板組成，考慮到材料的充分利用和周轉需要，按照1.5m寬的標準焊接成塊，一方面便于快速組裝，另一方面單塊橋面板稍加改裝即可作為路基箱使用；

(3)鋼棧橋和作業平臺的結構設計根據地形、地貌、地質、水文條件和橋梁結構的不同亦有所區別，本文所探討的結構型式可為類似條件提供參考。

[1] 劉松亮. 滬昆客專沅江大橋鋼棧橋設計和施工技術[J]. 價值工程，2015，18：103-107.

[2] 張偉. 水中臨時鋼棧橋固定平臺施工分析[J]. 黑龍江交通科技，2012，07：77+79.