大跨度橋梁臨時鋼棧橋施工模擬與監測分析

摘 要：本文介紹了龍鳳大橋臨時施工鋼棧橋的設計和結構特點，并采用Midas Civil對鋼棧橋進行數值模擬分析，驗算設計工況下工字鋼橫縱梁、分配梁及鋼管樁的受力性能，以此確定鋼棧橋的施工工藝。基于數值分析結果，對臨時鋼棧橋的承重關鍵部位布設位移測點，并實時監測獲得大跨度橋梁臨時鋼棧橋使用過程的水平位移和沉降情況變化規律，總結高可靠度和高安全度的臨時鋼棧橋施工方法，從而保障砼運輸車作用下鋼棧橋的安全運營。

關鍵詞：大跨度橋梁；鋼棧橋；施工模擬；監測分析

中圖分類號：U 44 " 文獻標志碼：A

在建設跨越河流的大跨度橋梁工程中，為解決材料、設備運輸以及人員進出困難的問題，建設臨時施工鋼棧橋是常用的施工方法之一[1]。然而，鋼棧橋結構連接節點數量較多，在車輛荷載作用下具有較大的動能，因此鋼棧橋的使用過程存在較大的安全隱患[2]。結合龍鳳大橋施工過程的實際需求，采用有限元分析方法進行臨時鋼棧橋設計，研究了適用于大跨度橋梁臨時鋼棧橋的施工和拆除工藝，同時根據鋼棧橋數值分析結果中的薄弱點進行位移監測，分析鋼棧橋在車輛荷載作用下墩臺頂部位移的變化規律，保證鋼棧橋的實時穩定性能和鋼棧橋使用過程的可靠性。

1 鋼棧橋工程概況

龍鳳大橋位于清遠市佛岡縣龍鳳新區，跨越潖江，橋長250.5m、寬43.5m。為解決建橋過程的施工交通及物資調配問題，需要搭設臨時鋼棧橋。考慮棧橋的車輛荷載較大以及工程量使用情況，鋼棧橋采用鋼管柱結合工字鋼梁的結構形式，基礎采用鋼管樁。臨時鋼棧橋長度為137.8m，寬度為6.0m，頂面高程為65.09m。鋼棧橋橋址位置不要求航道通行，其設計荷載主要為施工車輛荷載，應滿足40t砼運輸車通行條件，設計行車速度為10km/h。

2 鋼棧橋結構形式

臨時鋼棧橋設計單跨標準跨徑5.30m，橋面凈寬6.0m，鋼棧橋結構自上至下依次為橋面鋼板、I20a工字鋼分配梁、I32a工字鋼縱梁、2I45a工字鋼橫梁、?529mm×10mm鋼管樁、[20槽鋼橫斜聯。鋼棧橋兩頭各設置一橋臺，兩側設置防護鋼管欄桿，橋墩采用?530mm鋼管樁，每排2根，管橫向中心間距為4.0m，橫向用[20槽鋼聯接。鋼管樁頂采用斜拉桿[12槽鋼搭設，用2根I45a工字鋼相互拼焊作為橫梁，鋼棧橋上部縱梁采用14排I32a工字鋼拼裝，工字鋼間距0.45m，在I32a工字鋼縱梁上布置間距0.30m的I20a號工字鋼橫向分配梁，分配梁頂橋面采用厚8mm的花紋鋼板滿鋪而成。

3 鋼棧橋結構模擬分析

3.1 計算模型

采用Midas Civil有限元分析軟件對臨時鋼棧橋進行數值分析，建立實體模型如圖1所示。其中臨時鋼棧橋的鋼管樁、工字鋼橫梁、工字鋼縱梁以及工字鋼分配梁均采用空間梁單元，鋼管樁頂部和工字鋼橫梁、工字鋼縱梁、工字鋼分配梁之間采用彈性連接。鋼管樁底部的邊界條件完全固定，約束6個方向的自由度。鋼材為Q235鋼，力學參數f為215MPa，fv為125MPa。鋼棧橋車輛荷載取1.4倍的安全系數，強度驗算的荷載組合為1.2自重+1.4車輛荷載，剛度驗算的荷載組合為1.0自重+1.0車輛荷載，用均布荷載的方式將荷載施加到分配梁上。

3.2 鋼棧橋安裝過程模擬

3.2.1 I20a工字鋼分配梁驗算

為了得到鋼棧橋橋面板、分配梁等構件的組合應力與剪應力，需要對鋼棧橋各組成部件進行內力分析[3]，經過計算，當混凝土運輸車經過棧橋時，I20a工字鋼的最大組合應力σ為215MPa，大于68.3MPa，最大剪應力τ為125MPa，大于20.6MPa，因此在最不利工況下，I20a工字鋼的抗彎強度和抗剪強度滿足要求。

3.2.2 I32a工字鋼縱梁驗算

經過進一步運算分析，砼車經過棧橋時，I32a工字鋼縱梁最大組合應力σ為215MPa，大于89.5MPa，最大剪力τ為125MPa，大于46.9MPa，因此I32a工字鋼縱梁的抗彎強度和抗剪強度滿足要求。

3.2.3 鋼棧橋2I45a工字鋼橫梁驗算

經運算分析，運輸車通過棧橋時，2I45a工字鋼在樁頂橫梁處產生最大組合應力，計算可知，40t砼運輸車通過棧橋時，鋼棧橋2I45a工字鋼最大組合應力σ為215MPa，大于68.5MPa，最大剪應力τ為125MPa，大于32.3MPa，因此鋼棧橋2I45a工字鋼的抗彎強度和抗剪強度滿足要求。

3.2.4 鋼管樁內力和棧橋撓度模擬結果

鋼棧橋?529mm×10mm鋼管樁埋深于卵石層中，鋼管柱入土深度不小于6m，進入卵石層不小于1.5m。根據鋼管樁設計方案對其內力分布及棧橋位移變形進行模擬分析，當砼車通過棧橋時，鋼管樁的最大壓應力為101.3MPa，小于規范中允許的最大應力值215MPa。鋼棧橋橋面撓度值均發生不同程度變化，其中鋼棧橋跨中位置撓度最大，為5.7mm，小于規范要求的L/400=13.25mm，滿足要求。

綜上所述，本文提出的施工方法對臨時鋼棧橋內力和位移控制起到了較為理想的作用，即龍鳳大橋臨時鋼棧橋的設計符合承載性能要求。

4 臨時鋼棧橋關鍵施工技術

4.1 橋臺施工工藝

當鋼棧橋施工時，須清除橋臺基礎位置的軟土，開挖至承載力滿足要求且深度超過1m的硬底河床，棧橋兩頭各設置一個橋臺。橋臺施工完成后通過測量放樣預埋橋臺支座鋼板，橋臺采用[20槽鋼支墊，并對工字鋼縱梁采取限位措施[4]。

4.2 鋼管樁施工工藝

鋼棧橋采用振動錘沉樁形式埋設鋼管樁，橋臺施工完成后進行棧橋搭設，根據圖紙計算鋼管樁平面坐標和標高，利用全站儀和導向架精確定位鋼管樁位置，并根據計算結果在控制點放置觀測點。鋼管樁由?529mm×10mm規格鋼管組成，利用掛車運至施工現場，最大運輸長度取9.0m。

施錘過程通過測量放樣鋼管樁外圓的兩根切線，根據鋼管外圓兩處切點下放鋼管樁以確定樁中心位置，在樁位處橫橋向安放雙“井”字定位架，首先，采用鋼管樁及樁錘自重進行壓樁，其次，鋼管樁下沉時同步測量樁位和傾斜度，最后，誤差過大時通過樁架調整，滿足要求即開始錘擊。鋼管樁振動錘型號為DZ90，通過入土深度控制鋼管樁最終樁尖標高。鋼管樁接長采用多層焊，焊接時兩鋼管接頭采用對接坡口焊，對口拼接時相鄰管節的焊縫接頭錯開0.5m以上，焊接采用二氧化碳氣體保護焊，焊條型號為E50X，焊接過程通過控制走向順序、焊接電流、焊縫尺寸等工藝參數，提高焊縫質量，保證臨時鋼棧橋使用過程的耐久性能。

4.3 樁頂橫梁施工工藝

完成鋼管樁基礎施工后，進行鋼棧橋橋面系施工。首先，復核鋼管樁樁頂標高，切除超高部分鋼管樁，其次，下放橫梁至樁頂開槽口處，用臨時牽引吊索懸掛電焊線移動至待施工鋼管樁處，將鋼管樁與橫梁焊接，最后，進行縱梁架設，提高棧橋整體穩定性[5]。

在型鋼頂面鋪設貝雷片，貝雷片間距8m×0.90m。對部分貝雷梁進行加密，采用12片貝雷片，貝雷片間距為0.45m和0.90m，組合布置。貝雷片之間采用花架固定，在架設貝雷片前，須根據施工跨徑提前組拼成形，運輸至現場后由履帶現場吊裝，安裝貝雷架橫梁后，貝雷片底部與樁頂承重梁間采用槽鋼制作限位裝置連接固定，保證限位裝置與承重梁之間滿焊，角焊縫厚度不小于8mm。

4.4 棧橋拆除工藝

主橋單幅通車后，可逐孔跨拆除臨時鋼棧橋及其鋼管樁，由江中心向棧橋兩端方向由上至下逐跨拆除，采用DZJ-60振動錘拆除鋼管樁，用25t汽車吊進行起重吊裝作業。按照從棧橋跨中向兩端逐跨拆除順序拆除縱向分配梁及橫梁。在鋼管樁拔除過程中，利用空壓機或吸泥機在鋼管樁內外射水或吸泥處理后，可以最大程度減少摩擦阻力，再利用50t履帶起重機或DZJ-60沉撥樁錘緩慢拔出鋼管樁。采用25t吊車在未拆除棧橋的橋面上配合人工進行其他拆除工序，拆下的材料用平板車運輸到橋頭，并及時外運。

5 鋼棧橋監測

5.1 監測設計

在鋼棧橋使用過程中，穩定加載所有豎向施工荷載后，對鋼棧橋各測點的水平及豎向位移監測數據進行綜合分析，能夠準確反映臨時鋼棧橋的受力狀態。為防止運輸過程中車輛荷載對鋼棧橋產生不利影響，采用位移監測的方法掌握運營期間關鍵部位的位移變形規律，分析運輸車輛荷載及振動荷載對鋼棧橋安全承載性能的影響[6]。根據數值分析結果在橋兩面跨中位置埋設32個位移監測點，墩臺頂部水平位移測點16個，墩臺沉降測點16個。主要監測方法包括極坐標法和閉合水準線路法，采用索佳IM-101全站儀監測墩臺頂部水平位移，采用索佳SDL1X電子水準儀進行墩臺頂部沉降監測。

5.2 監測結果分析

對臨時鋼棧橋進行實時監測，保證其使用過程結構穩定性以及位移量滿足規范限值要求，各監測周期測到的臨時鋼棧橋位移最大值如圖2～圖5所示。由圖2～圖3可知，隨著監測周期增長，鋼棧橋水平最大位移量幅值逐漸趨于0mm，豎向最大位移量變化趨勢逐漸趨于穩定，表明在鋼棧橋使用過程中，運營狀態逐漸穩定。由圖4～圖5可知，鋼棧橋施工過程中同步監測到的水平和豎向累計最大位移量變化趨勢平滑穩定，未出現異常波動和位移巨變的情況，實測水平累計最大位移值為6.1mm，豎向累計最大位移值為6.8mm，與理論撓度值誤差較小，且滿足規范要求的13.25mm。因此，臨時鋼棧橋的剛度符合規范要求。

通過分析各周期監測到的鋼棧橋水平及豎向變形數據，發現在施工過程中，位移監測數據隨施工荷載的變化而變動，水平和豎向的變形數據隨著鋼棧橋使用時間增長逐漸趨于平穩，各監測點累計變化量及單次變化速率較小，監測數據符合施工過程對結構的影響變化規律，表明鋼棧橋施工過程安全可控。

6 結語

本文對仿真模擬技術對鋼棧橋進行施工模擬分析，并監測臨時鋼棧橋使用過程的變形情況，分析鋼棧橋橋面板、分配梁、鋼管樁等構件的內力和變形，得出以下結論。1）通過有限元分析，40t砼運輸車鋼棧橋作業時，棧橋的剛度（最大撓度為5.7mm＜L/400=13.25mm）、強度（棧橋構件最大應力為101.3MPa，＜215MPa）均滿足規范要求，證明了臨時鋼棧橋設計方案的可行性。2）目前龍鳳大橋主體結構已完成施工，本文總結的鋼棧橋施工工藝，不僅為大橋主體結構的施工提供了可靠的運輸通道和施工平臺，還可為其他類似工程提供借鑒。3）通過監測數據分析可知，鋼棧橋以承受豎向力為主，抵抗水平力較差，鋼棧橋開始受荷階段水平位移較大，隨著貝雷梁連接越來越緊固，水平最大位移值隨時間逐漸減少趨于穩定。通過隨時監測棧橋運營狀況，發現施加荷載過程大部分監測數據與數值模擬值相差較小，說明加載過程鋼棧橋的變形情況可控。

參考文獻

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