鋼棧橋設(shè)計(jì)及基巖裸露地質(zhì)條件下施工方法研究

鄭忠仁

摘要：結(jié)合南昆鐵路增建二線馬村左江右線特大橋水中墩施工實(shí)例，本文詳細(xì)闡述了采用鋼管樁基礎(chǔ)、貝雷片作縱向主梁的鋼棧橋的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)承載驗(yàn)算及施工關(guān)鍵技術(shù)。并介紹了在基巖裸露的地質(zhì)條件下施工鋼管樁所采用的新技術(shù)。

Abstract： In combination with the construction of the water pier of the Macun Zuojiang Right Line Bridge in the second line of the Nankun Railway， this paper elaborates on the design， structural bearing calculation and construction key technology of the steel trestle bridge using the steel pipe pile foundation and the Bailey piece as the longitudinal main beam. It also introduces the new technology used to construct steel pipe piles under the exposed geological conditions of bedrock.

關(guān)鍵詞：鋼棧橋;貝雷桁片;基巖裸露;新技術(shù);承載驗(yàn)算

Key words： steel trestle;Bailey slab;base rock exposure;new technology;bearing verification

中圖分類號(hào)：U445.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）11-0099-04

0 ?引言

進(jìn)行橋梁水中墩施工時(shí)，為了加快施工進(jìn)度，確保施工工期及降低施工成本，通常設(shè)置棧橋通往水中墩位置，將設(shè)備、材料直接運(yùn)達(dá)墩位處。因鋼棧橋需要通行大型、重型施工機(jī)械及材料，對棧橋的承載能力及安全穩(wěn)定性要求高，故須嚴(yán)格進(jìn)行棧橋的設(shè)計(jì)及精心組織施工，確保工程質(zhì)量。而鋼棧橋以鋼管樁作為支墩、貝雷梁作橋跨的應(yīng)用最為廣泛，但在基巖裸露的不良地質(zhì)條件下，按常規(guī)施工技術(shù)難以成樁，則需要采取新的施工技術(shù)，以便順利完成棧橋的修建。本文對鋼棧橋的設(shè)計(jì)、驗(yàn)算及施工，以及基巖裸露情況下鋼管樁施工新技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 ?工程概況

馬村左江右線特大橋是南昆鐵路增建二線工程上的一座重點(diǎn)橋梁工程，為跨越左江而設(shè)。左江為內(nèi)河Ⅲ—（3）級(jí)通航河流，橋下凈高為15.56m，凈寬156m，最高通航水位81.89m，最低通航水位63.69m，百年一遇洪水85.72m，流速2.56m/s，施工水位75.5m，江面寬度約180m。跨越左江的主跨為8+2×80+48m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，全橋長1444.848m ，主墩22#、23#、24#墩位于左江河槽內(nèi)，墩位處河床常年受水流沖刷，河床基底無覆蓋層，基巖裸露。

2 ?鋼棧橋設(shè)計(jì)總體方案

本項(xiàng)目水墩施工建設(shè)工期短，工期壓力大，經(jīng)過反復(fù)論證和方案比選，決定采用設(shè)置鋼棧橋作為水墩施工機(jī)具、材料運(yùn)送的通道，提高機(jī)具及材料的運(yùn)送效率，降低施工難度。根據(jù)工期計(jì)劃，結(jié)合橋址處地層巖性、水文地質(zhì)和氣象特征等自然條件，確定在南寧方向22#至21#橋墩間、昆明方向23#至25#橋墩間搭設(shè)鋼棧橋，22#與23#橋墩間設(shè)置船只正常通行的通航口。

2.1 鋼棧橋總體布置及設(shè)計(jì)參數(shù)

馬村左江右線特大橋設(shè)計(jì)提供的設(shè)計(jì)水位75.5m，擬定棧橋橋面板標(biāo)高為79.00m，并適當(dāng)降低兩端堤壩處橋面標(biāo)高，確保棧橋河道堤壩順接平交，方便車輛通行。鋼棧橋設(shè)計(jì)荷載為汽車60t級(jí)（12m3混凝土輸送車），棧橋設(shè)計(jì)時(shí)速為5km/h。

棧橋橫截面寬6m，設(shè)計(jì)孔徑12m。順橋向雙排樁布置，往南寧方向棧橋跨度為36m，往昆明方向棧橋跨度為144m。

2.2 鋼管樁基礎(chǔ)

鋼棧橋采用？準(zhǔn)529×10mm鋼管樁作支墩，每處橋墩處設(shè)置3根，間距為2.5m，普通地質(zhì)條件下采取錘擊法沉樁，鋼管樁沉入地層不少于3m。

本橋22#橋墩位于左江主河槽內(nèi)，基巖裸露或?yàn)闇\覆蓋層，基巖為完整性較好的灰?guī)r，鋼管樁無法錘擊進(jìn)入基巖中，因此，如何確保基巖該處鋼管樁的施工成為鋼棧橋能否按時(shí)順利建設(shè)完成的關(guān)鍵難題。經(jīng)進(jìn)行研究探索和實(shí)施技術(shù)創(chuàng)新，該處鋼管樁基礎(chǔ)采取鉆孔樁接長鋼管樁的技術(shù)方案。即在樁位處采用529×10mm鋼管樁作鋼護(hù)筒，進(jìn)行？準(zhǔn)50鉆孔樁的施工，鉆孔樁采取沖擊鉆循環(huán)成孔，鉆孔樁深入完整灰?guī)r不少于3m，鉆孔樁達(dá)到深度后，孔內(nèi)澆灌水下混凝土，混凝土灌注超過基巖面以上不少于3m，即混凝土澆灌高度至少為6m，達(dá)到鋼管樁通過鉆孔樁與基巖固結(jié)的目的。隨后在混凝土中插入背背焊接的2[25b槽鋼，增強(qiáng)連接處的抗剪、抗彎能力，以滿足承載要求。如圖1所示。

鋼管樁樁頂下0.8m處設(shè)置[20a連接系，將同排3根鋼管樁支墩聯(lián)結(jié)成整體，以增強(qiáng)其承載能力及安全穩(wěn)定性。

2.3 上部結(jié)構(gòu)

棧橋材料上部結(jié)構(gòu)從上到下依次為10mm鋼面板、16工字鋼分配梁、321貝雷片、40b雙拼工字鋼承重梁。16工字鋼分配梁設(shè)置間距為30cm;棧橋主梁由6片貝雷桁架組成，貝雷片采用90cm連接片，橫斷面設(shè)成3組。

2.4 鋼棧橋結(jié)構(gòu)布置如圖2、圖3所示。

3 ?便橋結(jié)構(gòu)檢算

面板由10mm鋼板組成，其自重為78.5kg/m2。

工字鋼、鋼管樁的鋼材的容許拉壓應(yīng)力[σ]=180MPa，容許剪應(yīng)力[τ]=85MPa。

雙排單層貝雷片的容許彎矩[M]=4809.4kN·m，容許剪力[Q]=698.9kN，自重270kg/片（3m）。

設(shè)計(jì)通行的最大荷載為60t（混凝土輸送車12m3），其各軸重及荷載分布情況如圖4所示。

3.1 分配梁16工字鋼驗(yàn)算

16工字鋼材料特性為：重量20.5kg/m;A=26.1cm2，W=141cm3，E=2.1×105MPa，I=1130cm4。

單根分配梁承受的均布線荷載（橋面板及自重）為：q=78.5×0.3×9.8×10-3+20.5×9.8×10-3=0.43kN/m。

后軸每軸單側(cè)為雙輪，其觸地面積為0.25m×0.6m，按車輛經(jīng)過便橋時(shí)后軸每側(cè)雙輪至少壓在3根16工字鋼分配梁上進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)后軸車輪荷載作用在分配梁中間時(shí)產(chǎn)生最大彎矩。分配梁簡化為簡支梁進(jìn)行驗(yàn)算，其跨度為2.5-0.9=1.6m，單根分配梁承受的車輪荷載為120kN/3=40kN，分配梁受力如圖5所示。

Mmax=ql2/8+Pl/4=0.43×1.62/8+40×1.6/4=17.1kN·m

故σmax=Mmax/W=（17.1×103）/（141×10-6）=121.3MPa<[σ]=180MPa

Qmax=P+ql/2=40+0.43×1.6/2=40.3kN

故τmax=Qmax/A=（40.3×103）/（26.1×10-4）=15.4MPa<[τ]=85MPa

fmax=5ql3/384EI+Pl3/48EI =（5×0.43×103×1.63）/（384×2.1×105×106×1130×10-8）+（40×103×1.63）/（48×2.1×105×106×1130×10-8）=1.4mm

3.2 貝雷片抗彎、抗剪驗(yàn)算

考慮最不利彎矩為車輛荷載重心位于12m跨的跨中處，最不利剪力為車輛荷載重心位于鋼管樁樁頂處。將貝雷片主梁簡化為跨度為12m簡支梁，所有汽車荷載作為一個(gè)集中荷載進(jìn)行貝雷片承載檢算，其計(jì)算結(jié)果偏于保守，有利于確保棧橋的承載安全。

所有橋面系及貝雷片自重按均布線性荷載，經(jīng)計(jì)算得q=14.2kN/m。

①當(dāng)汽車荷載作用于跨中時(shí)，得：

Mmax=ql2/8+Pl/4=14.2×122/8+600×12/4=2055.6kN·m<[M]=4809.4kN·m

②汽車荷載作用于橋墩頂上一側(cè)時(shí)，得：

Qmax=P+ql/2=600+14.2×12/2=685.2kN<[Q]=698.9kN

3.3 承重梁40b工字鋼剪力驗(yàn)算

40b工字鋼橫梁上貝雷片設(shè)置位置基本與鋼管柱位置基本對應(yīng)，橫梁基本不承受彎矩，故不需進(jìn)行檢算。

3.4 鋼管樁承載力驗(yàn)算

鋼管樁采用？準(zhǔn)529×10mm鋼管，其最大自由長度按18m。

當(dāng)汽車荷載行駛至橋墩頂上時(shí)，單個(gè)鋼管樁承受由橋面系、汽車荷載產(chǎn)生的軸向壓力為（600+12×14.2）/3=256.8kN，單根管樁自重及承受承重梁40b工字鋼重量合計(jì)23.8kN。

？準(zhǔn)529×10mm鋼管單根的理論承載力為：

P=[σ]S=180×103×3.14×（0.5292-0.5092）/4=2933.3kN>（256.8+23.8）=280.6kN，滿足要求。

3.5 鋼管穩(wěn)定性驗(yàn)算

Φ529×10mm鋼管截面面積A為：л×（D2-d2）/4=3.14×（5292-5092）/4=16296.6（mm2）。

529鋼管回轉(zhuǎn)半徑為i=（5292-5092）1/2/4=183.53mm。

取最長18m鋼管樁計(jì)算，按一端嵌固，一端鉸支，長度系數(shù)μ=0.7。

壓桿長細(xì)比：

λ=L×μ/i=18000×0.7/183.53=68.65。

查表得穩(wěn)定折減系數(shù)？漬=0.6515

N/？漬A=（256.8+23.8）/（0.6515×16296.6×103）=26.4MPa<[σ]=180MPa

由驗(yàn)算可得，棧橋各主要承載結(jié)構(gòu)受力滿足要求。

4 ?棧橋施工關(guān)鍵技術(shù)及措施

4.1 測量放樣

現(xiàn)場合理布置測量控制點(diǎn)以開展外業(yè)，根據(jù)棧橋平面設(shè)計(jì)方案，對鋼管樁的坐標(biāo)位置采用全站儀進(jìn)行準(zhǔn)確放樣，采用坐標(biāo)定位法測放樁位。鋼管樁采用錘擊法施工，錘擊過程中隨時(shí)監(jiān)控樁體的垂直度、錘入深度和貫入度，以確保施工質(zhì)量。鋼管樁錘擊至設(shè)計(jì)位置及達(dá)到質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)后，施做同排管樁間的連接系，然后施做樁頂放置橫梁的槽口及封口鋼板，鋼板精確測量定位，確保位置準(zhǔn)確無誤后方與管樁焊接固定，以確保承重橫梁安放于管樁中心，以保證鋼管柱處于承受軸心壓力狀態(tài)。最后用全站儀精確放線定位，按設(shè)計(jì)要求施做承重梁、貝雷片及橋面系等。

4.2 管樁沉放

鋼管樁為？準(zhǔn)529×10mm鋼管，根據(jù)地質(zhì)情況及試樁結(jié)果，采用25t汽車吊配以振動(dòng)錘施打鋼管樁，下沉到設(shè)計(jì)位置。

鋼管樁施打前，檢測坐標(biāo)及垂直度準(zhǔn)確無誤后方可沉樁，采用型鋼自制導(dǎo)向架對水中鋼管樁進(jìn)行導(dǎo)向定位。導(dǎo)向架樁在樁位處直徑較鋼管樁大5mm，導(dǎo)向長度超過2m，垂直偏差須小于1%。沉樁時(shí)隨時(shí)監(jiān)測鋼管樁的樁位及垂直度，出現(xiàn)偏移或是傾斜時(shí)馬上調(diào)整，沉樁之初就要嚴(yán)格控制位置及垂直度，并及時(shí)糾偏，以免沉樁過深后再實(shí)施糾偏時(shí)調(diào)整過大而對地下支承土層造成擾動(dòng)和破壞，降低了管樁的承載能力。沉樁采取貫入度和沉入樁長檢核的雙控措施，以確保管樁的承載力。

單根樁的沉樁要連續(xù)進(jìn)行，避免停歇時(shí)間過長，打麻將導(dǎo)致樁身周邊土體恢復(fù)，造成再次沉樁時(shí)下沉困難。

振動(dòng)錘須被夾緊樁頭，不可松動(dòng)或存在間隙，以免影響振動(dòng)力的充分向下傳遞，而對降低沉樁效率，同時(shí)也使接頭產(chǎn)生振動(dòng)。

在動(dòng)送、吊裝及儲(chǔ)存鋼管樁時(shí)，避免因碰撞管樁而產(chǎn)生變形及破損，如沉樁時(shí)發(fā)現(xiàn)樁體產(chǎn)生破損或是變形，及時(shí)采取修復(fù)措施。

4.3 嵌巖樁施工

鋼管樁沉樁完成后，及時(shí)量測該樁處水深，根據(jù)管壁上的刻度計(jì)算得樁體沉入土層的長度。同時(shí)檢校樁基設(shè)計(jì)情況。

4.4 管樁切割或接長至設(shè)計(jì)標(biāo)高

根據(jù)管樁的設(shè)計(jì)標(biāo)高。在鋼管樁外壁設(shè)置鋼筋制作的爬梯，要樁頂標(biāo)高以下1.2m焊接用型鋼制作的施工平臺(tái)，以供施工人員對鋼管樁施做接長或切割工作。鋼管樁要平順接長，通常采取對接方式，接口處滿焊，焊縫高度不少于6mm。鋼管樁頂面切割要水平及平齊。

4.5 管樁間橫聯(lián)、斜聯(lián)焊接安裝

同排鋼管樁間設(shè)置連接系，以增加鋼管樁間的剛度，使之受力均勻，連接系的橫向平撐、斜撐采用[20槽鋼。同時(shí)排鋼管樁沉樁完成并檢測合格后，及時(shí)施做樁間連接系。要接樁間實(shí)際間距在加工棚內(nèi)下料加工橫聯(lián)、斜聯(lián)，采用平板運(yùn)輸車到現(xiàn)場后25T汽車吊吊裝，焊接固定。連接系采用角焊焊接，焊縫高度要大于6mm。

4.6 樁頂橫梁2I40b工字鋼架設(shè)

鋼管樁切割平整后，按設(shè)計(jì)位置擺放2I40b工字鋼橫向承重梁，承重梁工字鋼與樁頂封板周邊滿焊固定，焊接采用角焊，焊縫高度要大于6mm。

4.7 貝雷梁架設(shè)

鋼棧橋縱梁采用321型貝雷梁桁架拼裝構(gòu)成，貝雷片在現(xiàn)場岸邊拼裝成整跨12m后運(yùn)至橋位，采用25T汽吊架設(shè)，貝雷桁架吊放至橫梁上后，用U形鋼板固定，U形鋼板與承重梁焊接牢固，確保其整體穩(wěn)定性。

4.8 工字鋼橫向分配梁、橋面系等鋪設(shè)

貝雷桁架縱梁上鋪設(shè)I16工字鋼橫向分配梁，間距30cm，相鄰橫向分配梁的接頭應(yīng)錯(cuò)開。與貝雷梁滿焊牢固連接，共同形成剛性橋面系，以將橋上車輛活載均勻地傳遞給貝雷主梁上。分配梁鋪設(shè)完成后，鋪設(shè)10mm厚花紋鋼板作橋面板，并與I16工字鋼焊接牢固。

最后，在鋼棧橋兩側(cè)設(shè)置防護(hù)欄桿，防護(hù)欄桿立柱與扶手鋼管焊接而成。防護(hù)欄桿上涂上紅白相間的油漆，每根欄桿上端還要貼上反光標(biāo)志，以便在夜間引導(dǎo)車輛，預(yù)防事故發(fā)生。在防護(hù)欄桿外側(cè)規(guī)范排布電纜、電線、夜間照明燈以及其他管線。

鋼棧橋施工和使用過程中，在防護(hù)欄桿75cm內(nèi)不宜集中堆碼各種較大荷載的材料和機(jī)械設(shè)備，重型車輛盡量在棧橋中部通行，保證鋼棧橋安全施工和使用。

5 ?結(jié)束語

采用鋼管樁作為支墩，貝雷片作為橋跨主梁的鋼棧橋因承載能力強(qiáng)、施工簡便、造價(jià)較低，而在橋梁水中墩便橋施工中得到廣泛應(yīng)用。馬村左江右線特大橋的22#墩位于處于基巖裸露河床上，鋼管樁不能錘擊進(jìn)入基巖中，如果采用其他棧橋形式，不僅工期長，且施工成本。本項(xiàng)目采取了鉆孔樁接長鋼管樁的技術(shù)方案，成功地按期完成了鋼棧橋的建設(shè)施工，為同類地質(zhì)條件下棧橋鋼管樁的施工積累了借鑒經(jīng)驗(yàn)。

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