高樁碼頭臨時(shí)鋼棧橋支撐系統(tǒng)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)與驗(yàn)算

劉陽(yáng)威，喬建軍，王昌淼

（中交二航局，湖北 武漢 430000）

高樁碼頭臨時(shí)鋼棧橋支撐系統(tǒng)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)與驗(yàn)算

劉陽(yáng)威，喬建軍，王昌淼

（中交二航局，湖北 武漢 430000）

本文通過(guò)泰興港區(qū)某碼頭工程臨時(shí)鋼棧橋的設(shè)計(jì)與施工，介紹鋼桁架作為施工棧橋在水工碼頭中的應(yīng)用，闡述了鋼棧橋的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及受力要點(diǎn)，并對(duì)鋼棧橋支撐系統(tǒng)轉(zhuǎn)換前后進(jìn)行受力驗(yàn)算，提出安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效的支撐系統(tǒng)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)方案，為類似工程的施工提供了借鑒。

高樁碼頭；臨時(shí)鋼棧橋；支撐系統(tǒng)；設(shè)計(jì)驗(yàn)算

1 工程概況

泰興港區(qū)某碼頭工程，外擋建設(shè)7萬(wàn)噸級(jí)通用泊位2個(gè)，內(nèi)擋建設(shè)1千噸級(jí)散貨泊位3個(gè)。水工建筑物主要由1座碼頭平臺(tái)、2座引橋組成。

碼頭平臺(tái)長(zhǎng)529m，上游2#泊位寬30m，下游1#泊位寬35m，碼頭標(biāo)準(zhǔn)排架間距7.5m。樁基采用Φ1000mm PHC管樁，上部結(jié)構(gòu)由現(xiàn)澆橫梁、預(yù)制梁板系、現(xiàn)澆面層及附屬設(shè)施組成。

接岸引橋兩座。上游1#引橋長(zhǎng)223.8m，寬15m。下游2#引橋長(zhǎng)307.9m，寬18m。引橋標(biāo)準(zhǔn)排架間距16m，樁基采用Φ 1000mm PHC管樁，上部結(jié)構(gòu)由現(xiàn)澆橫梁、預(yù)制空心板及現(xiàn)澆面層組成。

2 工程特點(diǎn)

本工程臨時(shí)鋼棧橋主要作為施工人員安全通道、砼輸送通道、電纜敷設(shè)通道及臨時(shí)工作平臺(tái)。碼頭和引橋現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)砼均采用泵管輸送的方式進(jìn)行，泵管走線沿引橋和碼頭排架進(jìn)行布設(shè)，引橋排架間距16米，碼頭排架間距7.5米，需搭設(shè)臨時(shí)通道。考慮引橋排架跨度較大，故單獨(dú)進(jìn)行引橋臨時(shí)鋼棧橋設(shè)計(jì)，碼頭鋼棧橋參照進(jìn)行施工。鋼棧橋需要滿足安全標(biāo)準(zhǔn)化與安全文明施工要求，其結(jié)構(gòu)功能應(yīng)滿足安全與使用要求。

3 臨時(shí)鋼棧橋設(shè)計(jì)

方案提出。公司組織總體施工技術(shù)方案策劃時(shí)，由于本工程屬于常規(guī)的高樁梁板碼頭，在技術(shù)方面需有所創(chuàng)新。如本工程臨時(shí)通道參照以往類似項(xiàng)目的施工方法，即架設(shè)2根主梁、安裝次梁與面板的方式，該種形式棧橋擾度較大，穩(wěn)定性較差，又由于該施工方法以橫梁底模作為支撐系統(tǒng)，需滿鋪底模，成本較高。故提出了臨時(shí)鋼棧橋擬采用鋼桁架的結(jié)構(gòu)形式，橫梁澆筑成型前，以橫梁底模為支撐系統(tǒng)，臨時(shí)棧橋支撐結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。橫梁澆筑成型后，底模拆除前，對(duì)鋼棧橋的支撐系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即通過(guò)在橫梁端部預(yù)埋鋼板的形式，焊接支撐的方式，形成新的支撐系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換后的臨時(shí)棧橋支撐圖見(jiàn)圖2。這樣，底模材料可周轉(zhuǎn)使用。從以下方面進(jìn)行分析與驗(yàn)算：

（1）鋼桁架材料選型及確定結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)鋼桁架自身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算；

（2）現(xiàn)澆橫梁底模平臺(tái)形成后，鋼棧橋以底模為支撐的受力驗(yàn)算；

（3）橫梁澆筑成型后，拆除底模后，鋼棧橋支撐系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后的受力驗(yàn)算。

圖1 臨時(shí)棧橋支撐結(jié)構(gòu)圖

圖2 轉(zhuǎn)換后的臨時(shí)棧橋支撐圖

4 臨時(shí)鋼棧橋強(qiáng)度驗(yàn)算

4.1 施工技術(shù)參數(shù)

2#引橋鋼棧橋需搭設(shè)約320m，1#引橋鋼棧橋需搭設(shè)約230m，棧橋中心線與引橋中心線平行。引橋橫梁底標(biāo)高+4.50m，橫梁高度1.3m，擬定鋼棧橋走道標(biāo)高與橫梁頂標(biāo)高一致為+5.8m。

鋼棧橋采用桁架式結(jié)構(gòu)，鋼桁架基本參數(shù)：桁架主體采用[6.3槽鋼，中間采用C25螺紋鋼間距2.0m交叉連接形成整體。桁架長(zhǎng)度按16m計(jì)算，桁架高度0.863m，豎桿間距1.375m，斜桿角度按37°設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)寬度1m，加工寬度按照1.06m制作。棧橋面板采用30mm厚塑膠板滿鋪，棧橋兩側(cè)安裝高度為1.2m的防護(hù)欄桿。在桁架兩端架設(shè)高度為1.4m支撐架，桁架兩端設(shè)置50cm[28a的支座型鋼。鋼棧橋桁架架設(shè)樣式見(jiàn)圖3。

4.2 鋼桁架受力驗(yàn)算

4.2.1 荷載情況

施工過(guò)程中，荷載主要有鋼桁架、泵管及管內(nèi)混凝土、施工人員等。泵管為直徑130mm、壁厚2mm的鋼管。人群荷載按集中5人80kg/人計(jì)算。固定荷載按均布荷載考慮，分項(xiàng)系數(shù)取1.2?；顒?dòng)荷載按最不利情況，即施工人員同時(shí)集中在棧橋跨中，按集中荷載考慮，分項(xiàng)系數(shù)取1.4。

圖3 鋼棧橋桁架架設(shè)圖（尺寸：mm）

4.2.1.1 固定荷載：

鋼棧橋自重：2×(2×16.5m+2×14.35m+11×0.863m+12×1.437m)×6.6kg/m=1167.4kg；

砼泵管重量：6.313kg/m×16m=101.0kg；

管內(nèi)砼的重量：3.14×0.063×0.063×16×2500=498.5kg；

以上總重量：(1167.4kg+101.0kg+498.5kg)×1.2=2120.0kg；即總的均布荷載：Q=2120kg×9.8N/kg÷16m=1.3kN/m。

4.2.1.2 活動(dòng)荷載：

集中荷載：400kg×9.8N/kg×1.4=5.49kN；

由于一榀鋼桁架是由兩片組成，取其中一片進(jìn)行受力分析，則單片桁架上的均布荷載為q=1.3÷2=0.65kN/m；

集中荷載F=5.488kN÷2=2.74kN。

4.2.2 桁架結(jié)構(gòu)編號(hào)，鋼桁架結(jié)構(gòu)編號(hào)見(jiàn)圖4，鋼桁架彎矩圖見(jiàn)圖5。

4.2.3 桿件結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

4.2.3.1 上弦桿

其中單元編號(hào)1～12為上弦桿，單根長(zhǎng)度為1375mm。上弦桿為雙拼［6.3槽鋼，根據(jù)計(jì)算模型，可知上弦桿最大彎矩發(fā)生在桿件5、8上。最大剪力發(fā)生在桿件12的右側(cè)。

最大彎矩：Mmax=M6=5.656kN·m；最大剪力：Nmax=N13=-3.394kN

已知［6.3槽鋼屬性：

Wz=25.3cm3=16.1×103mm3

Sz=15.1cm3=9.8×103mm3

Iz=101cm4=51×104mm4

D=4.8mm，E=2.1×105MPa

根據(jù)公式σmax=Mmax/Wx=5.656kN ·m÷2÷16.1×103mm3=175.7MPa[σ]=215MPa，滿足要求。

單根槽鋼所受到的最大剪應(yīng)力：

τmax=Nmax×SZ/(IZ×t)=3.394kN×9.8×103mm3÷(51×104mm4×4.8mm)=13.6MPa[fv]=125MPa，滿足要求。

根據(jù)第四強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度校核：

σr4=(σ2+3τ2)1/2=（175.72+3×13.62）1/2=177.27MPa[σ]=215MPa，滿足強(qiáng)度要求。

4.2.3.2 下弦桿

其中單元編號(hào)13～22為下弦桿，單根長(zhǎng)度為1375mm，下弦桿為雙拼［6.3槽鋼，根據(jù)計(jì)算模型，可知下弦桿最大彎矩發(fā)生在桿件16、19上，最大剪力發(fā)生在桿件14、21上。

最大彎矩：Mmax=M16=5.723kN·m；最大剪力：Nmax=N14=1.518kN

已知［6.3槽鋼屬性。

根據(jù)公式σmax=Mmax/Wx=5.723kN ·m÷2÷16.1×103mm3=177.7MPa[σ]=215MPa，滿足要求。

單根槽鋼所受到的最大剪應(yīng)力：

τmax=Nmax× SZ/(IZ×t)=1.518 kN×9.8×103mm3÷(51×104mm4×4.8mm)=6.08MPa[fv]=125MPa,滿足要求。

根據(jù)第四強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度校核：

σr4=(σ2+3τ2)1/2=(177.72+3×6.082)1/2=178.0MPa[σ]=215MPa，滿足強(qiáng)度要求。

4.2.3.3 斜桿

圖4 鋼桁架結(jié)構(gòu)編號(hào)圖

圖5 鋼桁架彎矩圖

其中單元編號(hào) 23、25、27、29、31、33、35、37、39、41、43、45為斜桿，單根長(zhǎng)度為1437mm。根據(jù)計(jì)算模型，可知斜桿最大彎矩發(fā)生在桿件33、35上，最大剪力發(fā)生在桿件25、43上。

最大彎矩：Mmax=M33=6.134kN·m；最大剪力：Nmax=N25=2.066 kN

已知［6.3槽鋼屬性。

根據(jù)公式 σmax=Mmax/Wx=9.275kN ·m÷2÷16.1×103mm3=190.5MPa[σ]=215MPa，滿足要求。

單根槽鋼所受到的最大剪應(yīng)力：

τmax=Nmax×SZ/(IZ×t)=2.066kN×9.8×103mm3÷(51×104mm4×4.8mm)=8.27MPa[fv]=125MPa，滿足要求。

根據(jù)第四強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度校核：

σr4=(σ2+3τ2)1/2=(190.52+3×8.272)1/2=191.04MPa[σ]=215MPa，滿足強(qiáng)度要求。

4.2.3.4 豎桿

其中單元編號(hào) 24、26、28、30、32、34、36、38、40、42、44為豎桿，單根長(zhǎng)度為863mm。豎桿為單根［6.3槽鋼，根據(jù)計(jì)算模型，可知下弦桿最大彎矩發(fā)生在桿件44上，最大剪力發(fā)生在桿件24、44上。

最大彎矩：Mmax=M44=1.53kN·m；最大剪力：Nmax=N44=1.749kN

已知［6.3槽鋼屬性，詳見(jiàn)上節(jié)。

根據(jù)公式σmax=Mmax/Wx=1.53kN·m÷16.1×103mm3=95.03MPa[σ]=215MPa，滿足要求。

單根槽鋼所受到的最大剪應(yīng)力：

τmax=Nmax×SZ/(IZ×t)=1.749kN×9.8×103mm3÷(51×104mm4×4.8mm)=7.0MPa[fv]=125MPa，滿足要求。

根據(jù)第四強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度校核：

σr4=(σ2+3τ2)1/2=(95.032+3×7.02)1/2=95.8MPa[σ]=215MPa，滿足強(qiáng)度要求。

5 鋼棧橋以橫梁底模為支撐的受力分析

5.1 臨時(shí)鋼棧橋安裝

橫梁底模安裝加固后，立即安裝鋼棧橋，預(yù)先在加工場(chǎng)拼裝完整，驗(yàn)收合格，利用駁船運(yùn)輸，人工配合小型起重船安裝，鋼棧橋支撐與底模主梁槽鋼可靠焊接。鋼棧橋安裝斷面見(jiàn)圖6。

5.2 受力驗(yàn)算

L2軸側(cè)走道懸挑區(qū)域：[28a槽鋼按最大間距1m計(jì)算，均布荷載q高度取1.3m，計(jì)算懸挑跨徑1.8+1.3=3.1m，則荷載示意如下：q=(3.1×1.3×25)÷2.5÷3=10.83kN/m。

恒載安全系數(shù)取1.2，施工荷載取2kN/m，總施工荷載為：q=10.83×1.2+2=14.50kN/m。

按懸挑梁計(jì)算，最大懸挑跨距為3.1m。截面類型：槽鋼[28a，材質(zhì)Q235。

圖6 鋼棧橋安裝斷面圖（尺寸：mm）

圖7 彎矩圖

截面特性:E=2.1×105MPa，Ix=15760cm4，Wx=875cm3；

6 鋼棧橋支撐系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后的受力分析

6.1 鋼棧橋受力支撐系統(tǒng)轉(zhuǎn)換

在橫梁下游端部，預(yù)埋2塊-20×200×350鋼板，4根50cm直徑16的U型錨筋，焊縫長(zhǎng)度8cm，拆除底模前，將鋼棧橋的固節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移在以預(yù)埋鋼板為基礎(chǔ)的支撐型鋼上，四周滿焊。型鋼采用[28a槽鋼，槽鋼長(zhǎng)度為2米。轉(zhuǎn)換后的鋼棧橋支撐斷面見(jiàn)圖8，轉(zhuǎn)換后的鋼棧橋支撐立面見(jiàn)圖9。

6.2 受力驗(yàn)算

6.2.1 橫梁側(cè)面預(yù)埋鋼板受力驗(yàn)算

6.2.1.1 受拉鋼筋錨固長(zhǎng)度計(jì)算式

la=0.14×310÷1.43×d=29.13d=446mm，設(shè)計(jì)為4根50cm直徑16的U型錨筋，滿足要求。

6.2.1.2 焊縫剪力計(jì)算

單片鋼板承受豎向荷載F=4.0×2×0.6×1.5（安全系數(shù)）÷2=3.6kN；

單個(gè)焊縫承受最大荷載為V=0.7Hfbf[σ]=0.7×100×140÷1000=2.45kN；

單個(gè)鋼板為4道焊縫，則單個(gè)鋼板承受最大荷載N=2.45×4=9.8kN；

圖8 轉(zhuǎn)換后的鋼棧橋支撐斷面圖（尺寸：mm）

圖9 轉(zhuǎn)換后的鋼棧橋支撐立面圖（尺寸：mm）

6.2.2 支撐系統(tǒng)計(jì)算

6.2.2.1 主梁[28梁受力情況，選擇17，18，19排架計(jì)算

選擇最不利的情況分析：

[28a按最大間距1m，均布荷載q高度取0.6m，計(jì)算跨徑16.0m，則均布荷載為：q=1×0.6×2.5=1.5kN/m。

恒載安全系數(shù)取1.2，施工荷載取2kN/m，施工荷載總的為：q=3.5kN/m。

棧橋?yàn)楹?jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，取其中一跨作簡(jiǎn)支梁計(jì)算，最大跨為16m。

截面類型：槽鋼[28a，材質(zhì)Q235；

截面特性：E=2.1×105MPa，Ix=12170cm4，Wx=760cm3；

6.2.2.2 主梁[28梁受力計(jì)算16排架

選擇最不利的情況分析：橫梁為[28a，受縱梁跨中集中荷載，F(xiàn)=0.6×5.8×2.5/2=4.35kN。

恒載安全系數(shù)取1.2，施工荷載取2kN/m，施工荷載總的為：F=5.52kN。

分配梁為簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，取其中一跨作簡(jiǎn)支梁計(jì)算，最大跨為2m。

截面類型：槽鋼[28a，材質(zhì)Q235；

截面特性：E=2.1×105MPa，Ix=15760cm4，Wx=875cm3；

7 施工注意事項(xiàng)

7.1 臨時(shí)鋼棧橋使用要求

（1）臨時(shí)棧橋上均勻堆載不能超過(guò)800kg，樹(shù)立荷載標(biāo)志標(biāo)牌。

（2）重件物品，如電焊機(jī)、切割機(jī)等機(jī)具不得擺放在棧橋上。

（3）當(dāng)砼輸送泵管堵管時(shí)，拆管人員需分散，不得在跨中進(jìn)行沖擊，以確保安全使用。

（4）棧橋拆除后，及時(shí)對(duì)外露鋼板進(jìn)行防腐除銹處理。

7.2 臨時(shí)鋼棧橋維護(hù)

（1）鋼棧橋架設(shè)完畢后由項(xiàng)目部技術(shù)人員、安全人員會(huì)同監(jiān)理進(jìn)行一次全面檢查驗(yàn)收。

（2）在使用階段，技術(shù)人員會(huì)同相關(guān)部門定期對(duì)棧橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，并形成檢查記錄，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)上報(bào)并進(jìn)行修補(bǔ)。主要檢查內(nèi)容有：①檢查槽鋼之間的連接焊縫是否有脫落情況；②測(cè)量部定期對(duì)棧橋支撐固節(jié)點(diǎn)、棧橋擾度、棧橋沉降位移進(jìn)行觀測(cè)；③檢查防護(hù)欄是否安裝牢固，對(duì)欄桿在施工過(guò)程中損壞部位及時(shí)修復(fù)；④對(duì)棧橋面板發(fā)生翹曲或損壞的部位，及時(shí)修復(fù)或更換；⑤為防止過(guò)往船只碰撞棧橋，在小型船只過(guò)往較為頻繁部位的棧橋底部安裝警示標(biāo)志，避免發(fā)生碰撞事故。

8 結(jié)語(yǔ)

該棧橋設(shè)計(jì)方案指導(dǎo)本工程引橋和碼頭現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)施工，經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，穩(wěn)定性與安全性進(jìn)一步得到提高，在水工碼頭中，該棧橋結(jié)構(gòu)形式新穎，具有推廣價(jià)值，供同仁參考。

[1]劉昭培.結(jié)構(gòu)力學(xué)M.天津:天津大學(xué)出版社.2003.

[2]江正榮.建筑施工計(jì)算手冊(cè)M.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社.2004.

[3]建筑施工手冊(cè)（第三版）編寫組.建筑施工手冊(cè)M.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社.1997.

U656.1

A

1006—7973（2017）12-0040-04

10.13646/j.cnki.42-1395/u.2017.12.016