跨青龍灣減河大橋施工棧橋方案設計實踐

苑宗存

(中鐵十八局集團第五工程有限公司,天津 300459)

1 工程概況

京濱鐵路線路起自京唐鐵路寶坻南站，迄于天津地區濱海站。其中的寶坻-北辰段站前工程JBSG-2標段，需要上跨青龍灣減河通過。

青龍灣減河與線路交叉里程為DK118+467，交叉角度為114°04′，河道在橋位的寬度約為240 m。京濱鐵路線采用2×24 m簡支梁跨越左截滲溝，1×32 m簡支梁跨越右截滲溝，采用(60+100+100+60)m連續梁跨越主河道。為進行跨越河流大橋的施工，需在施工區域附近建造施工臨時棧橋，以便于各種施工車輛的通行。

2 棧橋施工方案

2.1 棧橋方案選擇

棧橋主體結構一般采用大號型鋼(工字鋼或者H型鋼)、六四軍用梁、321貝雷梁三種形式。三種方案的分析如下[1-2]：①大號型鋼方案。由于該位置的棧橋長度大，如果采用型鋼作為結構主體，因其跨度較小，則必然需要布置更多的螺旋鋼管樁，增加下部工程造價；經過權衡和造價預算分析，該方案經濟效益性差，且由于跨度較小，影響河流船只的通行和泄洪，安全系數大大降低。②六四軍用梁方案。六四軍用梁的抗彎剛度大，可以提高跨度，但是六四軍用梁為以前遺留下來的舊材料，其性能會有折扣，且社會存量小，附近沒有相應的貨源。③321貝雷梁方案。貝雷梁的抗彎剛度界于型鋼棧橋和軍用梁棧橋之間，但是貝雷梁器材的購買、租賃方便、貨源充足。

該棧橋需要滿足施工通行需要，根據已編制的施工組織設計，施工中需要通行的重載車輛包括12 m3混凝土運輸車、重型履帶吊車、鉆孔灌注樁重型沖擊鉆機等，同時橋下偶爾會有小船通過，有一定的通航要求。

基于以上分析，最終決定采用321貝雷梁作為棧橋結構的主體，既可以承載較重荷載、又可以采用較大跨度滿足通航和泄洪要求。

2.2 棧橋詳細構造

經過綜合權衡和試算，最終決定采用8片貝雷梁作為主梁，棧橋寬度9 m，主跨為12 m，滿足雙車道通行要求。棧橋一共有22跨，由于棧橋兩側有1.5 m支撐在河岸路基土上，考慮河岸土強度很低，沒有進行處理，該1.5 m長度按照懸臂考慮，因此棧橋跨度為(0.7+11.3+20×12+11.3+0.7)m。棧橋的布置如圖1所示，棧橋主要構件的布置自下而上依次為：基礎、橫梁、主梁和橋面系。

圖1 棧橋布置(單位：cm)

(1)基礎：每個棧橋支撐處采用兩根?820 mm×10 mm的鋼管樁作為基礎，每排鋼管2根，間距設置為5 m，棧橋鋼管樁長平均約30 m。鋼管樁橫向平聯采用[28b槽鋼連接，以形成整體，增加鋼管樁的整體穩定性。

(2)橫梁：位于各排鋼管的頂部，采用雙拼45b工字鋼，直接卡在安放在鋼管立柱頂部的開槽上。

(3)主梁：采用“4+4”共8片貝雷片。貝雷片支撐在橫梁上，為了防止貝雷片橫橋向發生移位，在貝雷梁下弦桿兩側設置限位結構，限位結構焊接在橫梁上，8片貝雷之間需要采用花窗連成整體。

(4)橋面系：采用分配梁+鋼板結構。分配梁位于主梁上方，采用I25b工字鋼橫橋向布置，間距為30 cm，分配梁與貝雷梁上弦桿(雙拼10號槽鋼)之間通過卡板、騎馬螺栓進行固定；分配梁上鋪設10 mm鋼板作為橋面板，10 mm厚鋼板與分配梁之間焊接固定。

3 棧橋結構檢算

3.1 荷載和荷載組合

通過對該棧橋通行車輛進行綜合分析，以下兩種車輛荷載控制設計：①施工需要通行的混凝土罐車軸重最大，且總重也比較大，三軸罐車總重達到了460 kN，兩個后軸重量均為170 kN，前軸稍輕，軸重為120 kN，三個軸的軸距為3.6 m、 1.5 m。②圍堰施工需要自重1 000 kN的履帶吊，吊重為300 kN，履帶吊的總重合計為1 300 kN，總重量遠大于混凝土罐車，會控制棧橋的受力。根據履帶吊廠家資料，履帶吊的履帶間距為3.55 m，每側履帶接觸地面長度6.85 m，履帶寬度0.8 m。1 300 kN按照兩個履帶均分計算。

計算采用極限狀態法，結合橋梁規范，采用兩種荷載組合：①荷載組合1，1.2恒載+1.4罐車活載，同時考慮1.2的沖擊系數。②荷載組合2，1.2恒載+1.4履帶吊，吊車作業時都是緩慢提升，因此吊重加載時不計沖擊，且吊車保證位于棧橋中間；吊車兩側30 m內戒嚴，不允許再有其他荷載。以上荷載組合是強度計算時采用的，計算位移時不計1.2、1.4的系數，且不計沖擊的影響。

3.2 棧橋的計算模型

棧橋計算采用midas civil建立仿真模型進行計算，由于棧橋很長，且重車通行時需要拉開距離，因此只需要建立能代表棧橋受力的代表跨度即可，因此建立的棧橋模型為0.7 m+11.3 m+12 m+12 m，既考慮了懸臂0.7 m的情況，也考慮了11.3 m+12 m和連跨12 m的情況，能夠反映整聯棧橋的工作狀態。

棧橋的上分配梁、貝雷梁下橫梁均采用梁單元進行模擬，模型中未建立橋面鋼板。建模時進行如下處理：①貝雷片連接銷軸位置釋放相應的轉動自由度。②在不同構件的接觸位置，上分配梁和貝雷上弦桿、貝雷下弦桿和橫梁之間進行了一般彈性連接的處理，釋放相應的自由度，保證結構變形與實際工作狀態相一致，防止產生附加內力。③為了方便移動荷載加載，還在上分配梁中心建立了一個小縱梁(最小型號角鋼)，方便車道定義和車道加載。④約束施加在貝雷下橫梁的支撐位置，并釋放相應自由度，保證貝雷縱向自由伸縮。模型如圖2所示。

圖2 棧橋模型

3.3 棧橋上部結構計算

3.3.1 主體結構計算

根據荷載重量，通過定義移動荷載、車道并加載計算，其中混凝土罐車加載時考慮了0.5 m的車道偏心，且考慮施工要求，按照雙車道加載計算。履帶吊按照單車道加載，不考慮車道偏心。兩個荷載組合的計算結果如圖3、圖4和表1所示。

表1 棧橋主結構仿真分析結果(極值)

圖3 荷載組合1計算結果

圖4 荷載組合2計算結果

從計算結果可以得到：①Q345材質的貝雷梁的組合應力最大為285.7 MPa，小于材料的設計值305 MPa；剪應力最大158 MP，小于設計值175 MPa；最大豎向位移14.3 mm，小于限值30 mm (12 m/400)。②Q235材質橫梁的組合應力最大為143.1 MPa，小于材料的設計值215 MPa；剪應力最大87.6 MP，小于設計值125 MPa；最大豎向位移6.1 mm，小于限值12.5 mm (5 m/400)。均滿足要求。

3.3.2 上分配梁和鋼板計算

由于罐車荷載軸載大，罐車+自重的荷載組合控制設計。

(1)分配梁計算：荷載組合1(罐車+自重)下橫梁的受力控制設計，其計算結果如圖5所示。

根據圖5，上分配梁的最大組合應力為143.09 MPa<215 MPa，最大剪切應力為82.57 MPa<125 MPa；上分配梁的豎向位移，需要消除貝雷梁支撐處位移影響，選取中墩下橫梁上方位置進行截圖：2.7 mm<2 060 mm/400=5.15 mm。

圖5 荷載組合1上分配梁計算結果

(2)鋼板計算：橋面鋼板按照厚度1 mm的單向板進行計算，荷載根據輪胎與鋼板的接觸面積0.6 m(橫橋向)×0.25 m(縱橋向)施加，查表計算，鋼板組合應力196 MPa<215 MPa，剪切應力15 MPa<125 MPa，最大豎向位移0.7 mm<300 mm/400=0.75 mm(分配梁的間距300 mm)。

3.4 棧橋下部結構計算

棧橋下部結構為?820 mm×10 mm的鋼管樁，計算鋼管樁需要根據上部結構的反力數據，上述2個工況中，履帶吊吊重300 kN，且履帶中心位于中間跨橫梁中心位置時，鋼管樁受壓力最大，其計算結果如圖6所示。

圖6 鋼管最大反力

根據《港口工程樁基規范》，按彈性長樁計算，鋼管樁的嵌固點深度：t=1.8×T=1.8×2.43 m=4.4 m。

根據棧橋和河床面的高程，疊加嵌固深度4.4 m，計算得到鋼管樁頂到嵌固點的最大長度11.164 m，不考慮樁周土的約束，長度計算系數取2，計算鋼管長細比為79，鋼管壓彎穩定性計算的應力：σ=N/A=38.4 MPa<φf=151 MPa。式中：A為鋼管截面積，為25 447 mm2；φ為鋼管壓彎穩定系數，按長細比查表為0.701；f為鋼材設計強度，215 MPa。

(2)軸向承載力計算：根據各土層厚度、側阻和端阻標準值、鋼管樁的截面特性，計算單鋼管樁的軸向承載力公式如下：Quk=μ∑qsikli+λpqpkAp。式中：μ為樁周長，根據樁徑0.82 m，μ=2.57 m；li為各層土厚，深入河床23 m，穿越淤泥、細沙嵌入中砂層，土層厚依次為10.3 m淤泥、7.5 m細砂、5.2 m中砂；qsik、qpk分別為各土層側阻、端阻標準值，不計淤泥層摩阻，細砂層qsik=45 kPa，中砂層qsik=61 kPa，qpk=245 kPa；λp為樁端土塞效應系數，根據規范，取值0.8；Ap為樁端面積，按照閉口樁計算，為0.53 m2。計算得到：Quk=1 787 kN>978 kN，達標。

4 結束語

跨青龍灣減河大橋的棧橋通行荷載大，最重吊車(含吊重)總重量高達1 300 kN，同時雙車道通行460 kN的混凝土罐車，且橋下有一定的通行要求，通過分析確定了主跨12 m的貝雷棧橋方案。對棧橋采用midas軟件對棧橋的上部結構進行了仿真分析，并且對鋼管樁進行了穩定性和承載能力檢算，均滿足要求。

目前該棧橋已經拆除，且整個施工期間，棧橋最大豎向位移12.2 mm，與計算值14.3 mm非常接近，此外測得的鋼管樁沉降量僅為0.5 mm。這些數據表明棧橋的檢算準確、橋面平順，棧橋的工作狀態良好，這為大噸位棧橋的方案設計提供了參考。