小曲線中等跨度橋梁棧橋及鉆孔樁平臺設計

張國紅

(中鐵十二局集團第一工程有限公司 陜西西安 710038)

1 工程概況

溫州市域鐵路自溫州動車南站并行引出，為實現線路向東折向、近似垂直上跨沿海鐵路的目的，在溫州南站至沿海鐵路之間線路平面采用400 m小半徑曲線，呈“S”形布置。同時，采用溫州特大橋跨越站西河、既有道路及沿海鐵路，其中溫州特大橋4＃、5A＃、5B＃、6＃墩為跨站西河水中墩，對應的 3＃～7＃墩橋梁結構類型為3×22 m連續剛構＋2×35 m簡支箱梁，采用鋼管立柱＋貝雷梁支架現澆施工。橋梁基礎為樁基＋承臺，采用搭設水中棧橋＋鉆孔平臺＋鋼板樁圍堰方案進行施工[1]。

2 棧橋及鉆孔平臺設計難點

2.1 河道通航要求影響棧橋高程及結構

(1)通航凈高

站西河實際水位高程為2.83 m，河岸陸地地面高程4.2 m，而河道在棧橋施工期間通航凈空需滿足3 m的要求，即棧橋下緣高程需為5.83 m。當采用貝雷梁時橋面高程需7.33 m，則需從河岸邊修筑坡道與棧橋順接[2]，此時存在填筑坡道工程量大、占用臨時用地多等弊端。

(2)通航凈跨

主體橋梁跨度為22 m、35 m兩種類型，而棧橋受貝雷梁模數等因素影響，選用常規跨徑12 m時，棧橋臨時支墩容易與主體橋墩錯位，減小了通航凈跨。

2.2 曲線半徑小影響棧橋平面布置

通常棧橋平面布置與線路平行，且按照直線進行布置，但由于該主體橋梁位于半徑400 m的小曲線上，經計算長120 m的棧橋若按照直線布置，受小半徑曲率的影響在一端會偏離主體橋梁約8.5 m，則棧橋與主體墩位有空檔需額外搭設平臺，浪費施工材料。

2.3 鉆孔平臺平面尺寸影響成本及施工

鉆孔平臺平面尺寸需滿足鉆機、挖掘機等機械作業及材料擺放需要[3]，設計尺寸過大方便機械作業及材料擺放，但材料成本較大；否則，則相反。

3 棧橋及鉆孔平臺設計關鍵技術方案

3.1 保證臨時通航孔滿足通航要求

(1)圍繞橋梁最大跨度35 m布置

為保證通航凈寬滿足要求，選擇跨度35 m為臨時通航孔，并以該孔中心為準，棧橋采用12 m跨度分別向兩側岸邊對稱、依次進行布置。

(2)臨時通航孔采用型鋼降低棧橋結構高度

棧橋與陸地銜接的兩端按照填高約1.5 m路基順接棧橋進行設計，以滿足便道坡度要求，達到減少填筑工程量和臨時占地面積的目的。同時臨時通航孔臨時棧橋采用HM588型鋼搭設，增加通航凈空，其余棧橋采用單層貝雷梁結構[4]。

3.2 設置雙排支墩降低小曲線影響

為降低曲線對棧橋平面布置的影響，棧橋按照分段偏轉、相切便道中心線的原則布置[5]。同時按照計算偏距不超過1 m進行模擬布置，則約120 m長棧橋按照三段折線相切便道中心線進行布置。

(1)結合棧橋貝雷梁與型鋼交界處臨時支墩為雙排鋼管的結構，對棧橋在兩個交界墩處設置轉角。

(2)在棧橋長約1/3處設計雙排臨時支墩以設置轉角。

(3)臨時支墩兩排鋼管樁成扇形布置，以實現棧橋在該處偏轉。同時，將兩排鋼管樁進行縱橫向連結，并形成整個棧橋的固定墩以滿足棧橋縱向穩定性要求。

3.3 相鄰鉆孔平臺采用連體平臺

為滿足鉆孔作業需要且達到經濟目的，經模擬比選，以臨時通航孔為中心，兩端每相鄰的兩個鉆孔平臺組成整體連體平臺。在施工時適當調整工序，錯峰施工，滿足對平臺平面尺寸的要求，達到節約成本的目的。橋梁棧橋及鉆孔平臺布置見圖1。

圖1 橋梁棧橋及鉆孔平臺布置

4 總體設計方案

(1)棧橋承載力按照滿足25 t汽車吊、10 m3混凝土罐車及平板車載重10 t行走要求進行設計。

(2)棧橋設計長度約120 m，橋面寬約6 m[6]。臨時通航孔縱梁為長12 m、HM588×300H型鋼，共10根，H型鋼間距按照0.6 m布置。其余縱梁采用6片單層上承式貝雷梁[7]，跨徑12 m，每兩片貝雷梁通過90 cm連接片連接成一組，共三組。

(3)棧橋基礎結構形式采用長度24 m、φ630×8 mm鋼管，橫向間距2.25m，鋼管樁之間采用 20型鋼連結[8]。樁頂分配橫梁采用雙榀40b工字鋼，工字鋼嵌入鋼管25 mm，與鋼管采用U型連接件連結[9]。

(4)縱梁頂面橫橋向鋪設 20b型鋼，間距30 cm，20b橫梁通過U型卡與貝雷梁連接牢固。

(5) 20b橫梁上鋪設Q235花紋鋼板，厚度1 cm，橋面鋼板與 20b型鋼橫梁焊接牢固。

5 模型及受力分析

5.1 荷載

(1)活載計算

棧橋荷載按以10 m3混凝土罐車為控制荷載進行檢算，混凝土罐車共3軸，軸距為3.575 m＋1.35 m。

(2)恒載計算

棧橋恒載主要為橋面鋼板、橫梁、貝雷梁、H型鋼縱梁及墩頂分配梁等結構自重[10]。

(3)荷載組合

根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)，按照承載能力極限狀態進行檢算，恒載分項系數取1.2，車輛荷載分項系數取1.4。考慮荷載分項系數后車輛荷載取值為G＝550 kN，前軸取值110 kN，中后軸取值22 kN[11]。

5.2 計算模型及檢算

根據實際受力工況，建立MIDAS有限元計算模型，見圖2。

圖2 棧橋計算模型

橋面板采用10 mm厚花紋鋼板，鋼板下布置20b型鋼橫梁，中心間距30 cm，凈距19.6 cm，小于混凝土罐車前、中、后輪壓地長度(20 cm)，重量均由工字鋼承受，鋼板不參與計算。

將平均粒徑18 μm碳酸鈣粉末在一定溫度下煅燒4 h后獲得生石灰，將生石灰和石英粉按n(CaO):n(SiO2 )=11，添加劑氧氯化鋯按n(ZrOCl2·8H2 O)n(CaO+SiO2)=0.05加入高壓釜，并按水固比401加入水。以2 ℃/min的升溫速率升溫至220 ℃，攪拌轉速分為三階段：25～150 ℃采用450 r/min轉速，150～220 ℃采用350 r/min轉速，220 ℃保溫階段采用250 r/min轉速，在220 ℃條件下保溫7 h后自然冷卻，將產物取出在110 ℃鼓風烘干至恒重，即可獲得硬硅鈣石纖維產品。

經過計算得到 20b橫梁應力云圖，見圖3。由圖3可知，σmax＝126.1 MPa＜f＝215 MPa。

圖3 20b橫梁應力檢算

經過計算得到貝雷梁弦桿應力云圖，見圖4。由圖4可知，σmax＝280.2 MPa＜f＝310 MPa。

圖4 貝雷梁弦桿應力檢算

經過計算得到貝雷梁腹桿應力云圖，見圖5。由圖5可知，σmax＝278.3 MPa＜f＝310 MPa。

圖5 貝雷梁腹桿應力檢算

經計算得到2 40b大橫梁應力云圖，見圖6。由圖6可知，σmax＝34.4 MPa＜f＝215 MPa。

圖6 2 40b大橫梁應力檢算

可見，貝雷梁棧橋強度滿足施工要求。

5.3 變形計算

經過計算得到貝雷梁最大變形如圖7所示。w＝20.9 mm＜[w]＝12 000/400＝30 mm。可見，貝雷梁棧橋剛度滿足施工要求。

圖7 貝雷梁撓度計算

5.4 鋼管樁基礎計算

(1)鋼管樁基礎軸力計算

當罐車行駛至如圖8模型位置時，中間一排外側鋼管樁承受支反力最大。

圖8 鋼管樁計算模型

此時對應的鋼管樁支反力如圖9所示，則:

圖9 鋼管樁支反力計算

鋼管樁承受豎向最大支反力P＝Fmax＝393.3 kN。

(2)鋼管樁樁長計算

按照《建筑樁基技術規范》(JGJ 94-2008)5.3.7條計算鋼管樁承載力[12]。單樁軸向受壓承載力計算值見表1。

表1 單樁軸向受壓承載力計算結果

貝雷梁棧橋段鋼管樁總長:L＞4.6-(-1.32)＋7.78＋6.59＝20.3 m，施工選用24 m長鋼管樁。

(3)鋼管樁整體穩定性檢算

鋼管樁為一端固定、一端自由的壓桿，則鋼管樁截面回轉半徑i＝22 cm。

截面面積:A＝156.326 cm2

查表得軸心受壓構件的穩定系數φ＝0.498，[N]＝0.498×15 632.6×215/1 000＝1 673.8 kN＞393.3 kN。

經驗算，選用24 m長的φ630×8 mm鋼管滿足使用要求。

6 結束語

根據棧橋需適應主體橋梁小半徑、河道通航的需要，通過設置臨時通航孔、改變棧橋縱梁結構、設置臨時雙支墩及連體鉆孔平臺方便了現場操作應用，很好地解決了小曲線中等跨度棧橋及鉆孔平臺設計中的難題，實際應用效果良好，為類似工程提供了可借鑒經驗。該棧橋使用周期為7個月，主體樁基、承臺、墩身及現澆梁采用平行流水作業，作業強度高、機械投入量大。因棧橋及鉆孔平臺設計科學合理，很好地滿足了現場施工需要。