高樁碼頭臨時鋼棧橋支撐系統轉換設計與驗算

劉陽威，喬建軍，王昌淼

（中交二航局，湖北 武漢 430000）

高樁碼頭臨時鋼棧橋支撐系統轉換設計與驗算

劉陽威，喬建軍，王昌淼

（中交二航局，湖北 武漢 430000）

本文通過泰興港區某碼頭工程臨時鋼棧橋的設計與施工，介紹鋼桁架作為施工棧橋在水工碼頭中的應用，闡述了鋼棧橋的設計結構及受力要點，并對鋼棧橋支撐系統轉換前后進行受力驗算，提出安全可靠、經濟高效的支撐系統轉換設計方案，為類似工程的施工提供了借鑒。

高樁碼頭；臨時鋼棧橋；支撐系統；設計驗算

1 工程概況

泰興港區某碼頭工程，外擋建設7萬噸級通用泊位2個，內擋建設1千噸級散貨泊位3個。水工建筑物主要由1座碼頭平臺、2座引橋組成。

碼頭平臺長529m，上游2#泊位寬30m，下游1#泊位寬35m，碼頭標準排架間距7.5m。樁基采用Φ1000mm PHC管樁，上部結構由現澆橫梁、預制梁板系、現澆面層及附屬設施組成。

接岸引橋兩座。上游1#引橋長223.8m，寬15m。下游2#引橋長307.9m，寬18m。引橋標準排架間距16m，樁基采用Φ 1000mm PHC管樁，上部結構由現澆橫梁、預制空心板及現澆面層組成。

2 工程特點

本工程臨時鋼棧橋主要作為施工人員安全通道、砼輸送通道、電纜敷設通道及臨時工作平臺。碼頭和引橋現澆結構砼均采用泵管輸送的方式進行，泵管走線沿引橋和碼頭排架進行布設，引橋排架間距16米，碼頭排架間距7.5米，需搭設臨時通道。考慮引橋排架跨度較大，故單獨進行引橋臨時鋼棧橋設計，碼頭鋼棧橋參照進行施工。鋼棧橋需要滿足安全標準化與安全文明施工要求，其結構功能應滿足安全與使用要求。

3 臨時鋼棧橋設計

方案提出。公司組織總體施工技術方案策劃時，由于本工程屬于常規的高樁梁板碼頭，在技術方面需有所創新。如本工程臨時通道參照以往類似項目的施工方法，即架設2根主梁、安裝次梁與面板的方式，該種形式棧橋擾度較大，穩定性較差，又由于該施工方法以橫梁底模作為支撐系統，需滿鋪底模，成本較高。故提出了臨時鋼棧橋擬采用鋼桁架的結構形式，橫梁澆筑成型前，以橫梁底模為支撐系統，臨時棧橋支撐結構圖見圖1。橫梁澆筑成型后，底模拆除前，對鋼棧橋的支撐系統進行轉換，即通過在橫梁端部預埋鋼板的形式，焊接支撐的方式，形成新的支撐系統，轉換后的臨時棧橋支撐圖見圖2。這樣，底模材料可周轉使用。從以下方面進行分析與驗算：

（1）鋼桁架材料選型及確定結構形式，并對鋼桁架自身的結構進行驗算；

（2）現澆橫梁底模平臺形成后，鋼棧橋以底模為支撐的受力驗算；

（3）橫梁澆筑成型后，拆除底模后，鋼棧橋支撐系統轉換后的受力驗算。

圖1 臨時棧橋支撐結構圖

圖2 轉換后的臨時棧橋支撐圖

4 臨時鋼棧橋強度驗算

4.1 施工技術參數

2#引橋鋼棧橋需搭設約320m，1#引橋鋼棧橋需搭設約230m，棧橋中心線與引橋中心線平行。引橋橫梁底標高+4.50m，橫梁高度1.3m，擬定鋼棧橋走道標高與橫梁頂標高一致為+5.8m。

鋼棧橋采用桁架式結構，鋼桁架基本參數：桁架主體采用[6.3槽鋼，中間采用C25螺紋鋼間距2.0m交叉連接形成整體。桁架長度按16m計算，桁架高度0.863m，豎桿間距1.375m，斜桿角度按37°設計，設計寬度1m，加工寬度按照1.06m制作。棧橋面板采用30mm厚塑膠板滿鋪，棧橋兩側安裝高度為1.2m的防護欄桿。在桁架兩端架設高度為1.4m支撐架，桁架兩端設置50cm[28a的支座型鋼。鋼棧橋桁架架設樣式見圖3。

4.2 鋼桁架受力驗算

4.2.1 荷載情況

施工過程中，荷載主要有鋼桁架、泵管及管內混凝土、施工人員等。泵管為直徑130mm、壁厚2mm的鋼管。人群荷載按集中5人80kg/人計算。固定荷載按均布荷載考慮，分項系數取1.2。活動荷載按最不利情況，即施工人員同時集中在棧橋跨中，按集中荷載考慮，分項系數取1.4。

圖3 鋼棧橋桁架架設圖（尺寸：mm）

4.2.1.1 固定荷載：

鋼棧橋自重：2×(2×16.5m+2×14.35m+11×0.863m+12×1.437m)×6.6kg/m=1167.4kg；

砼泵管重量：6.313kg/m×16m=101.0kg；

管內砼的重量：3.14×0.063×0.063×16×2500=498.5kg；

以上總重量：(1167.4kg+101.0kg+498.5kg)×1.2=2120.0kg；即總的均布荷載：Q=2120kg×9.8N/kg÷16m=1.3kN/m。

4.2.1.2 活動荷載：

集中荷載：400kg×9.8N/kg×1.4=5.49kN；

由于一榀鋼桁架是由兩片組成，取其中一片進行受力分析，則單片桁架上的均布荷載為q=1.3÷2=0.65kN/m；

集中荷載F=5.488kN÷2=2.74kN。

4.2.2 桁架結構編號，鋼桁架結構編號見圖4，鋼桁架彎矩圖見圖5。

4.2.3 桿件結構驗算

4.2.3.1 上弦桿

其中單元編號1～12為上弦桿，單根長度為1375mm。上弦桿為雙拼［6.3槽鋼，根據計算模型，可知上弦桿最大彎矩發生在桿件5、8上。最大剪力發生在桿件12的右側。

最大彎矩：Mmax=M6=5.656kN·m；最大剪力：Nmax=N13=-3.394kN

已知［6.3槽鋼屬性：

Wz=25.3cm3=16.1×103mm3

Sz=15.1cm3=9.8×103mm3

Iz=101cm4=51×104mm4

D=4.8mm，E=2.1×105MPa

根據公式σmax=Mmax/Wx=5.656kN ·m÷2÷16.1×103mm3=175.7MPa[σ]=215MPa，滿足要求。

單根槽鋼所受到的最大剪應力：

τmax=Nmax×SZ/(IZ×t)=3.394kN×9.8×103mm3÷(51×104mm4×4.8mm)=13.6MPa[fv]=125MPa，滿足要求。

根據第四強度理論進行強度校核：

σr4=(σ2+3τ2)1/2=（175.72+3×13.62）1/2=177.27MPa[σ]=215MPa，滿足強度要求。

4.2.3.2 下弦桿

其中單元編號13～22為下弦桿，單根長度為1375mm，下弦桿為雙拼［6.3槽鋼，根據計算模型，可知下弦桿最大彎矩發生在桿件16、19上，最大剪力發生在桿件14、21上。

最大彎矩：Mmax=M16=5.723kN·m；最大剪力：Nmax=N14=1.518kN

已知［6.3槽鋼屬性。

根據公式σmax=Mmax/Wx=5.723kN ·m÷2÷16.1×103mm3=177.7MPa[σ]=215MPa，滿足要求。

單根槽鋼所受到的最大剪應力：

τmax=Nmax× SZ/(IZ×t)=1.518 kN×9.8×103mm3÷(51×104mm4×4.8mm)=6.08MPa[fv]=125MPa,滿足要求。

根據第四強度理論進行強度校核：

σr4=(σ2+3τ2)1/2=(177.72+3×6.082)1/2=178.0MPa[σ]=215MPa，滿足強度要求。

4.2.3.3 斜桿

圖4 鋼桁架結構編號圖

圖5 鋼桁架彎矩圖

其中單元編號 23、25、27、29、31、33、35、37、39、41、43、45為斜桿，單根長度為1437mm。根據計算模型，可知斜桿最大彎矩發生在桿件33、35上，最大剪力發生在桿件25、43上。

最大彎矩：Mmax=M33=6.134kN·m；最大剪力：Nmax=N25=2.066 kN

已知［6.3槽鋼屬性。

根據公式 σmax=Mmax/Wx=9.275kN ·m÷2÷16.1×103mm3=190.5MPa[σ]=215MPa，滿足要求。

單根槽鋼所受到的最大剪應力：

τmax=Nmax×SZ/(IZ×t)=2.066kN×9.8×103mm3÷(51×104mm4×4.8mm)=8.27MPa[fv]=125MPa，滿足要求。

根據第四強度理論進行強度校核：

σr4=(σ2+3τ2)1/2=(190.52+3×8.272)1/2=191.04MPa[σ]=215MPa，滿足強度要求。

4.2.3.4 豎桿

其中單元編號 24、26、28、30、32、34、36、38、40、42、44為豎桿，單根長度為863mm。豎桿為單根［6.3槽鋼，根據計算模型，可知下弦桿最大彎矩發生在桿件44上，最大剪力發生在桿件24、44上。

最大彎矩：Mmax=M44=1.53kN·m；最大剪力：Nmax=N44=1.749kN

已知［6.3槽鋼屬性，詳見上節。

根據公式σmax=Mmax/Wx=1.53kN·m÷16.1×103mm3=95.03MPa[σ]=215MPa，滿足要求。

單根槽鋼所受到的最大剪應力：

τmax=Nmax×SZ/(IZ×t)=1.749kN×9.8×103mm3÷(51×104mm4×4.8mm)=7.0MPa[fv]=125MPa，滿足要求。

根據第四強度理論進行強度校核：

σr4=(σ2+3τ2)1/2=(95.032+3×7.02)1/2=95.8MPa[σ]=215MPa，滿足強度要求。

5 鋼棧橋以橫梁底模為支撐的受力分析

5.1 臨時鋼棧橋安裝

橫梁底模安裝加固后，立即安裝鋼棧橋，預先在加工場拼裝完整，驗收合格，利用駁船運輸，人工配合小型起重船安裝，鋼棧橋支撐與底模主梁槽鋼可靠焊接。鋼棧橋安裝斷面見圖6。

5.2 受力驗算

L2軸側走道懸挑區域：[28a槽鋼按最大間距1m計算，均布荷載q高度取1.3m，計算懸挑跨徑1.8+1.3=3.1m，則荷載示意如下：q=(3.1×1.3×25)÷2.5÷3=10.83kN/m。

恒載安全系數取1.2，施工荷載取2kN/m，總施工荷載為：q=10.83×1.2+2=14.50kN/m。

按懸挑梁計算，最大懸挑跨距為3.1m。截面類型：槽鋼[28a，材質Q235。

圖6 鋼棧橋安裝斷面圖（尺寸：mm）

圖7 彎矩圖

截面特性:E=2.1×105MPa，Ix=15760cm4，Wx=875cm3；

6 鋼棧橋支撐系統轉換后的受力分析

6.1 鋼棧橋受力支撐系統轉換

在橫梁下游端部，預埋2塊-20×200×350鋼板，4根50cm直徑16的U型錨筋，焊縫長度8cm，拆除底模前，將鋼棧橋的固節點轉移在以預埋鋼板為基礎的支撐型鋼上，四周滿焊。型鋼采用[28a槽鋼，槽鋼長度為2米。轉換后的鋼棧橋支撐斷面見圖8，轉換后的鋼棧橋支撐立面見圖9。

6.2 受力驗算

6.2.1 橫梁側面預埋鋼板受力驗算

6.2.1.1 受拉鋼筋錨固長度計算式

la=0.14×310÷1.43×d=29.13d=446mm，設計為4根50cm直徑16的U型錨筋，滿足要求。

6.2.1.2 焊縫剪力計算

單片鋼板承受豎向荷載F=4.0×2×0.6×1.5（安全系數）÷2=3.6kN；

單個焊縫承受最大荷載為V=0.7Hfbf[σ]=0.7×100×140÷1000=2.45kN；

單個鋼板為4道焊縫，則單個鋼板承受最大荷載N=2.45×4=9.8kN；

圖8 轉換后的鋼棧橋支撐斷面圖（尺寸：mm）

圖9 轉換后的鋼棧橋支撐立面圖（尺寸：mm）

6.2.2 支撐系統計算

6.2.2.1 主梁[28梁受力情況，選擇17，18，19排架計算

選擇最不利的情況分析：

[28a按最大間距1m，均布荷載q高度取0.6m，計算跨徑16.0m，則均布荷載為：q=1×0.6×2.5=1.5kN/m。

恒載安全系數取1.2，施工荷載取2kN/m，施工荷載總的為：q=3.5kN/m。

棧橋為簡支梁結構，取其中一跨作簡支梁計算，最大跨為16m。

截面類型：槽鋼[28a，材質Q235；

截面特性：E=2.1×105MPa，Ix=12170cm4，Wx=760cm3；

6.2.2.2 主梁[28梁受力計算16排架

選擇最不利的情況分析：橫梁為[28a，受縱梁跨中集中荷載，F=0.6×5.8×2.5/2=4.35kN。

恒載安全系數取1.2，施工荷載取2kN/m，施工荷載總的為：F=5.52kN。

分配梁為簡支梁結構，取其中一跨作簡支梁計算，最大跨為2m。

截面類型：槽鋼[28a，材質Q235；

截面特性：E=2.1×105MPa，Ix=15760cm4，Wx=875cm3；

7 施工注意事項

7.1 臨時鋼棧橋使用要求

（1）臨時棧橋上均勻堆載不能超過800kg，樹立荷載標志標牌。

（2）重件物品，如電焊機、切割機等機具不得擺放在棧橋上。

（3）當砼輸送泵管堵管時，拆管人員需分散，不得在跨中進行沖擊，以確保安全使用。

（4）棧橋拆除后，及時對外露鋼板進行防腐除銹處理。

7.2 臨時鋼棧橋維護

（1）鋼棧橋架設完畢后由項目部技術人員、安全人員會同監理進行一次全面檢查驗收。

（2）在使用階段，技術人員會同相關部門定期對棧橋結構進行檢查，并形成檢查記錄，發現問題及時上報并進行修補。主要檢查內容有：①檢查槽鋼之間的連接焊縫是否有脫落情況；②測量部定期對棧橋支撐固節點、棧橋擾度、棧橋沉降位移進行觀測；③檢查防護欄是否安裝牢固，對欄桿在施工過程中損壞部位及時修復；④對棧橋面板發生翹曲或損壞的部位，及時修復或更換；⑤為防止過往船只碰撞棧橋，在小型船只過往較為頻繁部位的棧橋底部安裝警示標志，避免發生碰撞事故。

8 結語

該棧橋設計方案指導本工程引橋和碼頭現澆結構施工，經過不斷改進，穩定性與安全性進一步得到提高，在水工碼頭中，該棧橋結構形式新穎，具有推廣價值，供同仁參考。

[1]劉昭培.結構力學M.天津:天津大學出版社.2003.

[2]江正榮.建筑施工計算手冊M.北京:中國建筑工業出版社.2004.

[3]建筑施工手冊（第三版）編寫組.建筑施工手冊M.北京:中國建筑工業出版社.1997.

U656.1

A

1006—7973（2017）12-0040-04

10.13646/j.cnki.42-1395/u.2017.12.016