大型水利樞紐工程施工棧橋設計與施工

汪良軍

（廣東水電二局股份有限公司，廣州 511340）

0 引言

廣東省韓江高陂水利樞紐工程采用了兩期及四段施工的導流方式，總體的施工順序為：一期左岸船閘→左岸重力壩→10.5 孔泄水閘→二期右岸廠房→剩余7.5孔泄水閘→右岸重力壩→魚道→排漂孔，混凝土工程量約80 萬m3，先左岸后右岸的施工順序進行施工安排。為了解決左右岸交通聯通和施工材料的運輸任務，以施工速度快，易于修建拆除，便于周轉，后期不影響主體工程為出發點，設計鋼棧橋方案。

1 施工棧橋的布置

施工棧橋的線路選定在下游下閘首處，（詳見圖1）具體布置為：利用進入下游施工棧橋（設計汽車荷載：公路-Ⅱ級，采用120 t 的荷載復核）作為線路的一部分，施工棧橋通過下閘首，經過二期二段縱向混凝土圍堰，落于二期一段圍堰上，全長2763 m，設計高程在下閘首部分橋面是43.2 m，橋底高程41.41 m，和下閘首一致，然后按一定坡度，放緩至二期一段圍堰的頂高程40.5 m）。施工棧橋是以貝雷架、鋼管、工字鋼等為主要材料組裝的，橋面寬度設計為8 m（下閘首段長18 m，寬5.7 m），最大跨徑16 m，標準跨度12 m，共20個橋墩。

圖1 施工棧橋縱剖面圖

橋面采用波紋板，厚10 mm，材質Q235。波紋板支撐在I28 a 的工字鋼橫梁。工字鋼橫梁間距375 mm，材質Q235。橫梁與321不加強型貝雷架通過U 型卡連接。橋面寬8 m 段采用5 組10 片貝雷架。貝雷架支撐在I56b 工字鋼上，材質Q235。每隔12 m 設一個橋墩，每個橋墩設計使用2 排共6 根Φ630、壁厚10 mm 的鋼管柱，鋼管柱橫向間距3 m，縱向間距跨中位置1.2 m，伸縮縫段位置2.2 m，鋼管柱之間采用16槽鋼做柱間支撐，單斜構造，傾角45°（詳見圖2）。鋼管柱與承臺通過預埋鋼板相連。承臺厚2 m，長8 m，跨中位置寬2.6 m，伸縮縫段位置5.2 m，最低位置高程19.0 m。橋梁基礎采用灌注樁，灌注樁在跨中位置直徑1.2 m，伸縮縫位置1.4 m，灌注樁型式為嵌巖樁，入巖不小于2D。

圖2 橋墩橫斷面圖

2 棧橋主要結構設計計算

2.1 車輛載荷

橋面的荷載按照滿載12 m3的混凝土罐車作為計算荷載。1 臺12 m3的混凝土罐車車輛荷載的立面及平面如下（參考車型：海諾集團生產HNJ 5253GJB），見圖3、圖4。

圖3 荷載平面圖

圖4 荷載立面圖

其中：P1=9 t；P2=P3=25.5 t；沖擊系數μ=1.2，偏載系數0.54。

2.2 貝雷架設計計算

根據實際連接情況，貝雷架的整體性較好，其上的鋼板，槽鋼，工字鋼的可視作均布荷載，貝雷架視作簡支梁。

（1）跨徑最大16 m 時。由恒荷載產生的彎矩M1=（q板+q槽+qI28b+q貝）×l2/8=541.12 kN·m

最大剪力Q1=（q板+q槽+qI28b+q貝）×l/2=135.28 kN。

鋼棧橋是單車道，最不利工況是兩車同時行駛到橋中，汽車荷載在貝雷架上產生最大的彎矩M2=600×16/4=2400 kN·m，引起的剪力最大值Q2=549 kN。

M=M2+M1=2 941.12kN·m＜[M] ×10=6 307.2 kN·m，滿足要求。

Q=Q1+Q2=684.28＜[Q]×8=1984，滿足要求。

f1+f2=FL3/48+5ql4/384=19.61 mm＜[l/400] =40 mm，滿足要求。

（2）當跨度為12 m 時貝雷架的驗算。由恒荷載產生的彎矩M1=（q板+q槽+qI28b+q貝）×l2/8=399.24 kN·m。

最大剪力Q1=（q板+q槽+qI28b+q貝）×l/2=133.08 kN。

由于是雙車道，考慮最不利荷載情況，由汽車活荷載產生的彎矩M2=2×600×12/4=3600 kN·m，引起的剪力最大值Q2=1098 kN。

M=M2+M1=3 999.24 kN·m＜[M]×10=7884 kN·m，滿足要求。

Q=Q1+Q2=1214＜[Q]×10=2480，滿足要求。

f1+f2=FL3/48EI+5ql4/384EI=14.68 mm＜[l/400]=30 mm，滿足要求。

（3）采用橫向分布系數的復核。偏安全地認為汽車的軸重是60 t，根據相關規范的規定及論文的論述，鋼棧橋的橫向分布系數采用杠桿原理計算，經計算中梁分布系數η為0.606。

M=μηPL/4=1 308.96 kN·m＜1576 kN·m，滿足承載力要求。

2.3 下承梁設計計算

I56 b是支撐在鋼柱上的兩跨連續梁，貝雷架間用90 cm 和115 cm 的標準加固桿件，貝雷架整體受力，可視作汽車荷載、槽鋼、工字鋼、鐵板的荷載通過貝雷架均勻的傳遞給工字鋼。計算簡圖見圖5。

圖5 計算簡圖

利用結構計算軟件，跨中最大彎矩M=187.92 kN·m。

f=M/rdW=187.92/1.05×2 446.5=73.2 N/mm2＜[f]=210 N/mm2，滿足要求。

最大剪力Q=372.6 kN。

σ=Q×Sx/（Ix×t）=372.6×1 447.2/（68 503×2.1）=37.42＜[σ]=115，滿足要求。

2.4 鋼管設計計算

本項目鋼管采用Q235 鋼，鋼管最大壁厚為10 mm，設計強度為215 N/mm2，采用無縫鋼管，鋼管直徑為630 mm，鋼管搭設高度為24 m，軸向恒載標準值為657.07 kN，容許穩定性安全系數為1.001，容許強度安全系數為1.00。由于鋼管槽口的加工誤差和汽車沖擊荷載的影響，取荷載的偏心距Ex：15.0 cm偏心距Ey：15.0 cm。

（1）穩定驗算。繞X軸彎曲：繞X軸最不利位置穩定應力按照《鋼結構規范》公式（5.2.5-1）

最大及最小穩定性安全系數均為1.81。

繞Y軸彎曲：繞Y軸最不利位置穩定應力按照《鋼結構規范》公式（5.2.5-2）

最大及最小穩定性安全系數均為1.32。

（2）強度驗算。計算荷載考慮為683.18 kN。最小強度安全系數情況下，對應的截面到鋼管頂部的距離為22 m。最大及最小強度安全系數均為1.96。

最不利位置強度應力按《鋼結構規范》公式（5.2.1）

結論：構件穩定，強度均滿足要求。

2.5 灌注樁的計算

（1）單樁豎向承載力。在偏心荷載作用下，按《樁基規范》5.2.1（不考慮地震作用）式5.2.1-2（γ0Nkmax≤1.20R）計算：

樁最大反力N1k=1917.733 kN，計入承臺自重1040/2 kN，N=1917+520=2437≤（1.20Ra=17 475 kN）承載力滿足。

（2）單樁水平承載力。根據《樁基規范》5.7.2第4款（式5.7.2-1）及第7款（不考慮地震作用）計算：

經計算，單樁水平承載力特征值Rha=288.886（kN）＞汽車沖擊荷載分配到每根樁上的水平力F=180（kN）。

3 棧橋施工安裝順序

3.1 施工工藝順序

棧橋施工及工藝較多，主要順序見圖6：

圖6 棧橋施工工藝流程圖

3.2 施工中主要危險源

棧橋為鋼管和貝雷主梁結構，結構形式相對較簡單，建造成本合理，但工程規模大，需要注意以下風險點，并從管理上消除。

（1）灌注樁打入深度不足，地基承載力不夠，或洪水沖刷引起承臺埋深不足，導致承載力不足失穩；

（2）鋼管樁焊縫沒有保證，導致鋼管樁承載力不足失穩；

（3）在使用過程中任意拆除必不可少的桿件或在氣割作業時損壞了構件的截面；

（4）構架缺陷：鋼管樁自身存在缺陷，樁間連接系等尺寸規格不足，構架缺少必要的結構桿件，未按照規定的數量和要求進行縱橫向連接設置。

4 結語

本工程棧橋施工與設計方案，從多方面綜合考慮，根據工程實際的具體問題做了相應的具體分析和設計，確定了合理的結構型式和構件尺寸，達到了安全、適用、合理、經濟、美觀的要求。