鋼棧橋在深水施工中的設(shè)計與應用

任加亮

(中鐵十四局集團有限公司，河南鄭州 450006)

1 工程概況

援尼日爾二橋位于尼日爾共和國首都尼亞美市，南北縱跨尼日爾河，全長 600 m，4 聯(lián)（3×40 m＋4×40 m＋4×40 m＋4×40 m）15 跨，雙幅 4 車道，北岸為 0#橋臺，南岸為 15#橋臺。其中 5#～11#墩處于水中，其余處于旱地，其中 5#～11#墩右幅每跨在上游處設(shè)一根防撞墩。尼日爾河是季節(jié)性河流，水位受降雨量變化而差異很大，為方便施工時材料、機具設(shè)備的運輸，項目技術(shù)組在水中架設(shè)鋼棧橋、水中墩設(shè)置固定鉆孔平臺。為不影響航道通行，棧橋設(shè)置成通航棧橋形式，預留 8#墩至 9#墩之間作為通航孔，不設(shè)鋼棧橋。

2 棧橋設(shè)計說明

河床地質(zhì)條件表層為 1.0 m～1.5 m 厚淤泥，以下依次為 1.8 m 砂礫層、強風化巖層。

鋼棧橋分北棧橋和南棧橋，北棧橋從 5#墩至8#墩位，5#墩位采用筑島填土修筑棧橋引道，從引道至 8#墩搭設(shè)棧橋，6#、7#、8#墩采用固定平臺方案施工。南棧橋從南岸至 9#墩位，棧橋起點設(shè)在 11#墩和 12#墩之間，9#、10#、11#墩采用固定平臺方案施工。

按照鋼棧橋的施工方法，投入 50 t 履帶吊，架設(shè)施工采用釣魚法進行，鋼棧橋按 12 m 跨距設(shè)計，棧橋承載力應滿足：50 t 履帶吊在橋面行走和起重 20 t 要求、6 m3 混凝土罐車(30 t)行車要求。

棧橋橋面和鉆孔平臺面設(shè)計標高按最高水位考慮，以使棧橋和平臺在施工期時間內(nèi)都能正常作業(yè)，尼日爾河常水位標高 176.5 m，最高水位180.56 m，棧橋橋面、平臺面設(shè)計標高 180.56 m。

沿橋軸線布置鋼棧橋，使鋼棧橋位于左右兩幅橋中間，棧橋采用凈寬 4.2 m 設(shè)計，左右兩幅橋最內(nèi)側(cè)的兩根樁的凈間距為 4.45 m，相應鋼護筒凈間距為 4.25 m，棧橋?qū)挾葷M足施工需要。

平臺采用鋼管樁基礎(chǔ)，并結(jié)合利用鋼護筒，梁部采用縱橫工字鋼。鋼棧橋的平面位置不得妨礙鉆孔樁、系梁施工，并考慮與鉆孔平臺系統(tǒng)的配合。表1為棧橋、平臺施工設(shè)計方案表。

表1 棧橋、平臺施工設(shè)計方案表

3 棧橋、平臺結(jié)構(gòu)

設(shè)計棧橋面 4.2 m，設(shè)計標高 180.56 m，棧橋橋面標高比同位置系梁頂面高 20 cm。棧橋樁采用直徑 φ600×8 mm 的 Q235a 鋼管樁。為避免尼日爾河洪水位時發(fā)生意外事件，基礎(chǔ)形式為雙排樁，每排為 3 根Ф60 鋼管樁。鋼管樁入土深度 4～6 m。下橫梁采用 I40b 型鋼，主縱梁采用 1．5 m 高的“321”型普通型貝雷梁，共兩組，每組布置二榀。貝雷梁上依次鋪設(shè) I25 的橫向分配梁，間距 1.50 m；I12.6 型鋼的縱向分配粱，間距 40 cm；橋面板采用8 mm 厚防滑鋼板，最后，安裝欄桿、照明和管線等附屬結(jié)構(gòu)。用同種方法施工鉆孔平臺。圖1為棧橋立面、平面結(jié)構(gòu)圖，圖2為鉆孔平臺立面、平面、橫斷面圖，圖3為棧橋平面圖，圖4為棧橋與平臺位置示意圖。

4 鋼棧橋受力檢算

鋼棧橋受力檢算，其最大跨徑為 12 m。

圖1 棧橋立面、平面結(jié)構(gòu)圖

圖2 鉆孔平臺立面、平面、橫斷面圖

圖3 棧橋平面圖

圖4 棧橋與平臺位置示意圖

4.1 計算基本參數(shù)

I40b 工字鋼：0.74 kN/m;

I28a 工字鋼：0.43 kN/m；

I12.6 工字鋼：0.12 kN/m;

φ600×8 鋼管樁：1.18 kN/m；

人群荷載：3.00 kN/m；

移動均布荷載：500 kN；

單排單層加強型貝雷梁 單位重：1.50 kN/m；

截面模量：W=7 699 cm3；

慣性矩：I=577 434 cm4；

貝雷梁（16 錳鋼）：容許彎曲應力[σ]=210 MPa，

容許剪應力[τ]=120 MPa，

彈性模量 E=210 GPa；

I40b 工字鋼（A3 鋼）：容許彎曲應力[σ]=160 MPa，

容許剪應力[τ]=100 MPa，

彈性模量 E=210 GPa；

截面模量：W=1 139 050 mm3；

慣性矩：I=227 810 000 mm4。

4.2 貝雷梁抗彎強度、剛度檢算

恒載計算：

q 恒=(橋面橫向分配梁+橋面縱向分配梁+橋面方木)/21+貝雷梁自重=[0.43×(12/1.5+1)×4.2+0.12 ×(4.2/0.4+1)× 12+(12/0.22+1)× 0.2 ×0.2×4×4.2]/12+1.5×4=11.85(kN/m)

活載計算：q 活=3 kN/m

總均布荷載：q 總=14.85 kN/m;集中荷載：P=700 kN。

圖5為其荷載最不利組合計算圖示。

圖5 貝雷梁荷載最不利組合計算圖示

抗彎強度計算：

跨中彎矩：Mmax=2367.30 kN· m

彎曲應力：σ=Mmax/W=2367.30/(4×7699 ×10-3）=76.87（MPa）<[σ]=210（MPa）

抗彎剛度計算：

f=5mm<[f]=L/500=24mm

由以上計算知貝雷梁抗彎強度、剛度滿足使用要求。

4.3 橫向分配梁計算

橫向分配梁為雙 I40b 工字鋼，圖6為其荷載最不利組合計算圖示。

P1=350 ×(12-2.25)/12 ×(1+(3.02-2.5)/3.02)+14.85×12/2=422.44（kN · m）

P2=350 ×(12-2.25)/12 ×(2.5/3.02)+14.85×12/2=324.51(kN· m)

由圖6可知:因為間距和均布力太小,所以不考慮彎曲。

Qmax=422.44 kN

工字鋼梁剪切應力：

τ=QmaxSmax（/It）=Qmax[bH2-(b-t)h2]/(8It)=422440 ×(144× 4002-(144-12.5)× 3672/8/227800000/2/12.5=49.41（MPa）<[τ]=100 MPa

圖6 橫向分配梁荷載最不利組合計算圖示

由以上計算可知：雙 40b 工字鋼橫向分配梁滿足使用要求。

4.4 縱向分配梁計算

縱向分配梁為單 I40b 工字鋼，圖7為其荷載最不利組合計算圖示。

圖7 縱向分配梁荷載最不利組合計算圖示

跨 中 彎 矩 ：Mmax=PL/4+qL2/8=422.44× 1.2/4+1.48×1.22/8=126.98（kN · m）Qmax=P/2+qL/2=422.44/2+1.48× 1.2/2=212.11（KN）彎 曲 應 力 ：σ=Mmax/W=126.98/（1139050×10-6× 2）=55.74（MPa）<[σ]=160 MPa

工字鋼梁剪切應力：τ=QmaxSmax（/It）=Qmax[bH2-(b-t)h2]/(8It)/2=212.11 ×(144×4002-(144-12.5)× 3672)/8/227800000/2/12.5=24.81（MPa）<[τ]=100 MPa

由以上計算可知：單 40b 工字鋼橫向分配梁滿足使用要求。

4.5 鋼管樁承載力檢算

樁基承載力驗算：根據(jù)結(jié)構(gòu)分析可知，樁基最不利荷載組合為 500 kN 履帶吊位于樁基位置，故樁基上所承受最大荷載：

P=212.11 kN

根據(jù)公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范（JTJ024-85）中沉樁的承載力驗算要求：

[P]=U×L ×τi×ai/2

式中：U——樁的周長，樁徑 0.6 m；

L——樁在局部沖刷線以下的有效長度，埋深 5 m；

τi——樁壁土的極限摩阻力，kPa，根據(jù)大橋工程地質(zhì)勘察說明該橋位處土極限摩阻力為粘土 100 kPa，淤泥不考慮承載；

ai——震動沉樁對各土層樁周摩擦力的影響系數(shù)，取值 0.6。

則：[P]=U×L ×τi×ai/2=π× 0.6 ×（5×100）×0.6/2=282.6（kN）

故：[P]=282.6 kN>1.3P=1.3× 212.11 kN=275.74 kN，承載力滿足使用要求。

5 棧橋、平臺材料數(shù)量

考慮南、北棧橋倒運，先施工南棧橋及 9#、10#、11#諸墩的基礎(chǔ)和下部結(jié)構(gòu)（因預制場設(shè)在南岸），之后將棧橋拆除倒運至北岸，故棧橋材料數(shù)量按單邊計算。

固定平臺的材料數(shù)量也考慮南北岸倒運，按 3個平臺投入、詳見表1、表2所列。

6 棧橋、平臺施工

6.1 采用 50 t 履帶吊車進行釣魚法施工

鋼棧橋跨度為 12 m，架設(shè)采用 650 kN 履帶吊、DZ90 振動錘逐跨打樁搭設(shè)鋼棧橋。每排鋼管樁下沉到位后，應進行樁之間的連接，增加樁的穩(wěn)定性，每跨雙排鋼管樁連接材料采用［20 a 細梁連接。鋼管尺寸需根據(jù)現(xiàn)場尺寸下料，焊縫質(zhì)量滿足設(shè)計及規(guī)范要求。施工時注意履帶吊懸出長度不準超過 2.5 m，現(xiàn)場要根據(jù)吊機的實際性能進行施工。

棧橋搭設(shè)示意圖如圖8所示。

步驟：利用履帶起重機提升振樁錘沉放→鋼管管樁沉放就位，準備安裝貝雷梁→利用履帶起重機安裝貝雷梁，鋪設(shè)橋面結(jié)構(gòu)。按上述方法施工下一跨棧橋。

在測量給出的樁位處將鋼管樁震動下沉至設(shè)計標高。根據(jù)設(shè)計標高與水面標高的關(guān)系，計算鋼管樁外露水面的長度，沉樁過程中應嚴密注視鋼管樁的下沉速度，若在沉樁過程中出現(xiàn)急速下沉，或無法下沉到設(shè)計標高時，應綜合考慮各種因素并報告項目部分析情況予以處理。

鋼棧橋施工流程工藝如圖9所示。

固定平臺的施工采用類似于棧橋的方法進行施工：履帶吊釣魚法施工，此處不再重述。

6.2 測量控制

施工時測量定位控制：施工采用架設(shè) 2 臺全站儀進行交匯測量，首先，在岸上設(shè)置測量平臺，在其上控制鋼管樁的平面位置、垂直度及標高，兩臺儀器的交會角控制在允許范圍內(nèi)，在震動下沉工程中始終保持鋼管樁的垂直度。當發(fā)現(xiàn)傾斜時，立即進行微調(diào)，利用吊車擺臂來糾正其垂直度的偏差和調(diào)整樁位，直至矯正后繼續(xù)震動下沉。當鋼管樁下沉至所畫的紅油漆標識附近時，適當減慢震動下沉量，由測量人員對樁頂標高進行復合，當樁頂標高達到設(shè)計標高時，震動錘與鋼管樁之間脫開。如實際標高高于設(shè)計標高時，震動錘向下做少許震動，直至達到設(shè)計標高，從而保證鋼管樁的垂直度和樁位及標高符合要求。

表1 棧橋材料數(shù)量計算表

表2 3個平臺材料計算表

圖8 鋼棧橋搭設(shè)示意圖

圖9 鋼棧橋施工流程工藝圖

7 結(jié)語

本文通過援尼日爾二橋的鋼棧橋施工過程，詳細介紹了臨時鋼棧橋搭設(shè)方案，并以此對鋼棧橋結(jié)構(gòu)進行設(shè)計受力驗算。在棧橋施工和應用中，可以得出一些結(jié)論：

（1）臨時鋼棧橋在深水施工中鋼管樁作為基礎(chǔ)，具有施工便利，造價低等優(yōu)點。

（2）臨時鋼棧橋用大塊焊接鋼板作為面板，可以大幅度降低棧橋的維修費用。

（3）臨時棧橋是工字鋼與貝雷梁的受力組合，結(jié)構(gòu)方便拆除，臨時性和可重復性的利用是鋼棧橋的顯著優(yōu)點，尤其是要求工期緊的條件下，可縮短施工工期。

（4）棧橋承載力的主要荷載因素是自重恒載和移動荷載工況的組合，對整個棧橋的穩(wěn)定性驗算而言，貝雷縱梁和鋼管樁承載力的驗算是關(guān)鍵。

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