北江特大橋鋼棧橋和施工平臺的設計、施工與使用

張福群

（廣東交通實業投資有限公司，廣東 廣州 510100）

0 引言

加快珠三角地區重大交通基礎設施建設步伐，是廣東省貫徹落實習近平總書記重要批示精神的重大舉措，對于建設粵港澳大灣區，打造珠三角世界級城市群具有十分重要的意義。粵港澳地區正在興建的要素流動通道，有望勾連出一個世界級城市群。清遠清新至廣州花都高速公路項目（下稱清花項目）作為綜合交通樞紐的重要組成部分，被納入廣東省“十四五”規劃重大交通基礎設施的重點建設項目。項目擬建北江特大橋位于清遠水利樞紐庫區內，下距樞紐大壩約1.5km，同時跨越北江一、二線航道，故在綜合交通樞紐下的北江特大橋鋼棧橋設計與施工技術成為一個難題。本文對清遠清新至廣州花都高速公路中北江特大橋鋼棧橋和施工平臺的設計、施工與使用進行總結。

1 工程概況

北江航道為規劃Ⅱ級航道，代表船型為2000t級貨船，代表船型尺度（總長×型寬×設計吃水）為90m×14.8m×2.6m。清花項目北江特大橋跨越該航道，設計最高通航水位13.13m，設計最低通航水位7.98m。

北江特大橋跨徑總體布置為33+147+3×360+147+33=1440m，為四塔雙索面半漂浮體系混凝土梁斜拉橋，主梁采用PK箱混凝土梁，全寬37.6m，基礎采用C35混凝土鉆孔灌注樁形式，樁徑3m，橋型布置圖如圖1。

圖1 北江特大橋橋型布置圖

主橋3#墩位于北江西岸，地勢起伏較大。河堤標高+17.6m，3#主墩中心河床標高+8.257m，樁號K14+226.162，3#主墩承臺底面標高-4.4m，承臺頂面標高+2.1m，承臺厚6.5m。主墩承臺設直徑300cm樁基，共設24根，樁間距6.0m，全部為嵌巖樁，樁長50m。主墩基礎結構圖見圖2。

圖2 主墩基礎結構圖（單位：cm）

2 鋼棧橋及施工平臺設計

2.1 鋼棧橋

北江特大橋3#主墩（索塔）為水中墩，3#墩水中施工平臺通過鋼棧橋與北江西岸河堤路順接，棧橋長 23.6m（含鋼筋混凝土橋臺），寬9m，鋼棧橋跨徑13.8m。棧橋及施工平臺與河堤路面順接，頂標高為+17.6m。

2.2 施工平臺

施工平臺由鉆孔平臺、碼頭平臺、支棧橋組成，鉆孔平臺主要用于主墩樁基施工，滿足鉆機鉆孔、鋼護筒振設、樁基鋼筋籠及樁基混凝土施工條件需求；支棧橋及碼頭主要用于輔助主墩承臺、索塔及主梁施工，滿足承臺圍堰、索塔鋼筋節段吊裝、主梁掛籃拼裝、材料運輸、臨時倉庫、施工通道及部分臨時材料存放等施工條件需求[1-2]。

棧橋及施工平臺三維模型圖和立面圖分別見圖3、圖4所示。棧橋斷面圖見圖5所示。

圖3 棧橋及施工平臺三維模型圖

圖4 棧橋及施工平臺立面圖（單位：cm）

圖5 棧橋斷面圖（單位：cm）

2.3 結構型式

（1）棧橋下部結構：橋臺位于大堤，采用鋼筋混凝土（C30）基礎，棧橋1#墩采用打入鋼管樁基礎，樁徑820mm，壁厚12mm，單排3根鋼管樁，橫向間距為3m；平聯采用Ф 426mm×6mm鋼管，剪刀撐采用I20a型鋼。

（2）棧橋上部結構：從下到上依次是樁頂2I56a型鋼承重梁、貝雷梁、I22a橫向分配梁、裝配式橋面板（I12.6縱向分配梁、1cm厚花紋鋼板）。貝雷梁橫向共設11排，貝雷布置圖見圖6；I22a橫向分配梁縱向間距0.75m。

圖6 貝雷布置圖

（3）施工平臺下部結構：采用打入鋼管樁基礎，樁徑820mm，壁厚12mm；平聯采用Ф426mm×6mm鋼管，剪刀撐采用I20a型鋼。

（4）施工平臺上部結構：從下到上依次是樁頂2I56a型鋼承重梁、貝雷梁、I25a縱向分配梁、橋面板（I14分配梁、1cm厚花紋鋼板）。

施工平臺結構圖見圖7，棧橋及施工平臺平面圖見圖8。

圖8 棧橋及施工平臺平面圖（單位：cm）

3 鋼棧橋及施工平臺結構驗算

3.1 荷載控制

（1）棧橋設計控制荷載：80t履帶吊吊重15t、120t履帶吊、12m3混凝土罐車通行、XR550D旋挖鉆機運輸通行。

（2）平臺設計控制荷載：XR550D旋挖鉆施工、鋼護筒振設[3]。

3.2 工程材料

鋼棧橋及施工平臺使用的主要材料如表1所示。

表1 工程材料用表

3.3 計算控制參數

（1）鋼材強度設計值：Q235鋼（厚度＜16mm）抗拉、抗壓和抗彎強度f=215MPa，抗剪強度fv=125MPa；Q345鋼（厚度＜16mm）抗拉、抗壓和抗彎強度f=305MPa，抗剪強度fv=175MPa。

（2）允許撓度：簡支結構L/400，懸臂結構L/200。

3.4 荷載計算

（1）結構自重；

（2）80T履帶吊荷載：80T履帶吊（履帶吊自重按78t，吊重15t）按總重93t，單根履帶寬80cm，履帶與地面接觸長度為554cm。

（3）120T 履帶吊荷載：120T 履帶吊（履帶吊自重按110t），單根履帶寬101.5cm，履帶與地面接觸長度為689cm。

（4）鉆機荷載

XR550D旋挖鉆機：自重185t，包括鉆桿27t，不計鉆桿重158t，加載時按1.3×185=240.5t計，旋挖鉆機履帶長按6.8m計算，履帶寬1.0m，橫向凈距4m。

（5）12 方混凝土罐車荷載：滿載按50t總重，空載按20t。

滿載時：P1=10t，P2=P3=20t，總重50t。

（6）流水壓力：施工區域流水設計流速取1.85m/s。根據《公路橋涵設計通用規范》計算公式FW=

對圓柱墩K=0.8，流水壓力：Fw=0.8×10×0.82h×1.852/(2×9.81)=1.1443h(kN)；即鋼管樁在水中的自由段上端承受2.2886kN/m的水流壓力，流速隨河水深度增加而遞減，呈倒三角形分布。計算時按13.13m高水位加載，加載至鋼管樁上的荷載為：1.1443kN/m。

（7）風荷載：基本風速按28.4m/s。

正面風荷載標準值：

式中：

WK—風荷載標準值，kPa；

βgz—高度Z處的陣風系數；

μS1—風荷載體型系數；

μZ—風壓高度變化系數；

wO—基本風壓，kPa。

（8）人群荷載：按3kPa計。

3.5 荷載組合及工況分析

3.5.1 鋼棧橋

通過對比分析，80T履帶吊、120T履帶吊重量較旋挖鉆機輕，計算時按旋挖鉆機通行計算[4]。

（1）工況一：旋挖鉆機通行。

剛度組合：棧橋自重⑴+鉆機重⑷+人群荷載⑻+風荷載⑺+水流力⑹；

強度組合：1.2棧橋自重+1.4（鉆機+人群荷載+風荷載）+1.5水流力

（2）工況二：2輛混凝土罐車滿載從棧橋右側經過、左側為空罐車（按汽20加載）

剛度組合：棧橋自重⑴+混凝土罐車⑸+人群荷載⑻+風荷載⑺+水流力⑹；

強度組合：1.2棧橋自重+1.4（混凝土罐車+人群荷載+風荷載）+1.5水流力。

（3）工況三：前后兩輛混凝土罐車在棧橋中間通行。

剛度組合：棧橋自重⑴+混凝土罐車⑸+人群荷載⑻+風荷載⑺+水流力⑹；

強度組合：1.2棧橋自重+1.4（混凝土罐車+人群荷載+風荷載）+1.5水流力。

3.5.2 施工平臺

（1）工況一：平臺搭設工況，平臺搭設及鉆孔時80t履帶吊在材料堆放平臺及支棧橋上進行平臺搭設施工。

剛度荷載組合：施工平臺自重⑴+履帶吊荷載⑵+流水壓力⑹+風荷載⑺+人群荷載⑻；

強度荷載組合：1.2施工平臺自重+履帶吊荷載⑵+1.5流水壓力+1.4風荷載+1.4人群荷載

（2）工況二：鋼護筒振設工況，120t履帶吊振鋼護筒

剛度荷載組合：施工平臺自重⑴+履帶吊荷載⑶+流水壓力⑹+風荷載⑺+人群荷載⑻；

強度荷載組合：1.2 施工平臺自重+1.4 履帶吊荷載+1.5流水壓力+1.4風荷載+1.4人群荷載。

（3）工況三：鉆孔及混凝土澆筑工況。混凝土罐車及履帶吊在材料堆放平臺及支棧橋上通行、鉆機在鉆孔。沖擊鉆較輕，只計算旋挖鉆施工。

剛度荷載組合：施工平臺自重⑴+履帶吊荷載⑵+鉆機荷載⑷+罐車荷載⑸+流水壓力⑹+風荷載⑺+人群荷載⑻；

強度荷載組合：1.2 施工平臺自重+1.4 履帶吊荷載+1.5 鉆機 荷 載+1.4 罐 車荷載+1.4 流水壓 力+1.4 風 荷載+1.4人群荷載。

3.6 計算模型及驗算

3.6.1 計算模型

鋼棧橋及施工平臺計算采用整體建模計算，主要驗算棧橋的強度、剛度及結構穩定性，棧橋和施工平臺計算模型示意分別如圖9、圖10所示。

圖9 鋼棧橋計算模型

圖10 施工平臺計算模型

3.6.2 各工況驗算結果及穩定性分析

（1）對鋼棧橋及施工平臺各工況進行驗算，結果如表2。

表2 驗算結果匯總表

（2）整體穩定性分析。

對鋼棧橋整體結構進行屈曲分析，在旋挖鉆機通過時，結構穩定性臨界荷載系數為8.53，滿足要求，如圖11。

圖11 鋼棧橋屈曲分析

施工平臺整體穩定性分析的二階模態結果如圖12所示：臨界荷載系數為16.3，鉆孔平臺的整體穩定性滿足要求。

圖12 施工平臺屈曲分析

（3）鋼管樁穩定性分析。

根據計算，鋼管樁最大軸力為1716.08kN，鋼管樁Ф 820 回轉半徑i＝287mm，按自由長度為l＝16000mm，鋼管樁按8mm壁厚計算，截面面積Am=20407mm2，長細比：λ=l0/i=16000/287＝55.75，查受壓構件穩定系數表，穩定系數Φ=0.829。

鋼管允許壓力:[N]=Φ×Am×[σ]=0.829×20407mm2×215MPa=3637.2kN＞1716.08kN，單樁穩定性滿足要求。

3.6.3 結論

根據計算，鋼棧橋及施工平臺結構整體強度、剛度、穩定性均滿足規范要求，能夠滿足現場施工。

4 鋼棧橋及施工平臺施工

根據鋼棧橋及施工平臺的結構布置，綜合考慮其所處位置的地質情況，下部結構施工采用履帶吊+“釣魚法”振設施工。由于此工程位于繁忙水利樞紐，為減少水上拼裝作業時間，依托本項目研發出一套“裝配式棧橋拼裝模塊”，將貝雷及平聯成榀加工后，直接吊裝，具體施工工藝流程見表3。

表3 鋼棧橋及施工平臺的施工流程

5 鋼棧橋及施工平臺的使用

5.1 使用過程養護

由于鋼棧橋需使用較長時間，必要的維護是維持其使用壽命的有力保障，需成立鋼棧橋管理小組，定期分別對鋼棧橋進行全方位的檢查和保養，以確保其結構的穩定性和使用安全，使用過程中加強棧橋貝雷片的檢查，如發現變形及時加固或更換，具體的維護項目包括以下幾點：

（1）做好施工監控，經常測量鋼管樁標高，監測相鄰鋼管樁基之間的相對沉降；

（2）定期觀測鋼管樁的沖刷情況，對于沖刷過大的位置采用拋填砂袋或插打鋼管樁分水墻的方法進行維護；

（3）定期檢查貝雷桁架縱梁連接處的銷子、定位銷的松動脫落情況；

（4）檢查螺栓松動情況，對螺栓、螺帽脫落的部位及時安裝緊固；

（5）檢查警示燈、照明線路的完好情況，發現損壞的及時修復；

（6）對橋面板發生翹曲或損壞的部位，及時修復或更換；

（7）遇到臺風、龍卷風、汛情、大潮、大霧等災害性天氣時，在保證設備、人員安全撤退后及時關閉鋼棧橋，禁止一切人員、車輛上橋，待解除警報后再使用。

5.2 竣工拆除

（1）北江特大橋橋梁索塔、主跨、邊跨施工完成后，拆除鋼棧橋及平臺。

（2）自棧橋終點至起點依次拆除橋面附屬設施、橋面板、型鋼分配梁、貝雷、承重型鋼、鋼管樁平聯與斜撐、鋼管樁。

6 結束語

本文以清遠清新至廣州花都高速公路中北江特大橋為例，對鋼棧橋和施工平臺進行設計，并對鋼棧橋及施工平臺結構進行驗算，根據計算，鋼棧橋及施工平臺結構整體強度、剛度、穩定性均滿足規范要求，能夠滿足現場施工。由于該工程位于繁忙水利樞紐，為減少水上拼裝作業時間，采用“裝配式棧橋拼裝模塊”，將貝雷及平聯成榀加工后，直接吊裝。從鋼管樁振設、平聯模塊安裝、貝雷模塊安裝、橋面板及防護欄桿模塊安裝等方面分析施工工藝流程。由于鋼棧橋需使用較長時間，應定期分別對鋼棧橋進行全方位的檢查和保養，以確保其結構的穩定性和使用安全。