重載型貝雷梁鋼棧橋和鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)研究與方案設(shè)計(jì)

黃文武

摘要：文章結(jié)合田陽(yáng)縣東江二橋5號(hào)主墩水中樁基施工實(shí)例，針對(duì)重型旋挖鉆在水上鋼平臺(tái)施工所面臨的結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題，根據(jù)確定的荷載組合作用及現(xiàn)場(chǎng)施工條件，闡述了重載型貝雷梁鋼棧橋和鋼平臺(tái)的結(jié)構(gòu)研究與方案設(shè)計(jì)，可為類(lèi)似工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：重載型;貝雷梁;鋼棧橋;鋼平臺(tái);旋挖鉆;結(jié)構(gòu)安全

0 引言

重載型貝雷梁鋼棧橋和鋼平臺(tái)在橋梁施工中作為臨時(shí)輔助工程應(yīng)用較少，與常規(guī)載重鋼棧橋和鋼平臺(tái)相比，本重載型設(shè)計(jì)考慮自重118t的重型旋挖鉆作用，對(duì)橋墩和主梁的承載能力及穩(wěn)定性要求高。本文根據(jù)重型旋挖鉆施工作業(yè)時(shí)的荷載組合作用，優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力設(shè)計(jì)，提高橋墩承載能力，充分發(fā)揮貝雷梁性能，保證結(jié)構(gòu)使用安全且總體經(jīng)濟(jì)合理。對(duì)于水中樁基工程，設(shè)計(jì)一種滿(mǎn)足重型旋挖鉆施工作業(yè)的重載型貝雷梁鋼棧橋和鋼平臺(tái)，應(yīng)用旋挖鉆施工工藝可以加快施工速度，節(jié)省工期，對(duì)控制關(guān)鍵性工程的進(jìn)度具有重要意義。

1 工程概況

田陽(yáng)縣東江二橋全橋長(zhǎng)464.3m，主橋設(shè)計(jì)為（80+145+80）m預(yù)應(yīng)力混凝土變高連續(xù)梁橋，主橋墩采用群樁基礎(chǔ)。其中東江二橋5號(hào)主墩位于右江河道中，距離岸邊約90m，采用搭設(shè)鋼棧橋和鋼平臺(tái)作為通道和平臺(tái)施工基礎(chǔ)及下構(gòu)。

橋址區(qū)域常水位為99.77m，水面寬度約236m，最大水深約7m，5年一遇水位為105.41m，10年一遇水位為106.10m。根據(jù)河床、河面寬度、通航要求及往年水文資料，結(jié)合實(shí)際施工需要，擬定鋼棧橋橋面高程為104.0m，鋼平臺(tái)與棧橋橋面等高設(shè)計(jì)。

2 重載型貝雷梁鋼棧橋和鋼平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 跨度選擇與貝雷梁組數(shù)確定

在棧橋跨度的選擇上，結(jié)合其他工程項(xiàng)目的類(lèi)似應(yīng)用案例，根據(jù)貝雷梁受力特點(diǎn)與強(qiáng)度和剛度的最優(yōu)組合，貝雷梁棧橋多采用12m跨設(shè)計(jì)。綜合棧橋施工、使用期間的荷載以及棧橋的拆除，本重載型鋼棧橋選擇單跨12m跨徑。重載型鋼平臺(tái)跨度則根據(jù)承臺(tái)樁基分布情況采用單跨6m和4.5m跨徑。

貝雷梁鋼棧橋常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式有：?jiǎn)闻艈螌?、雙排單層、三排單層、雙排雙層、三排雙層以及上述五種組合結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)型。本工程采用單排單層不加強(qiáng)型貝雷梁。根據(jù)《裝配式公路鋼橋多用途使用手冊(cè)》中的載重跨徑組合表，單排單層不加強(qiáng)的12m跨徑貝雷梁鋼棧橋可承受履帶-400kN荷載。本工程使用的旋挖鉆機(jī)在非工作狀態(tài)下自重1180kN，考慮1.4倍的安全系數(shù)，則鋼棧橋荷載設(shè)計(jì)為1652kN，理論上需設(shè)置2×1652/400=8.3排貝雷梁。綜合考慮棧橋?qū)挾?、旋挖鉆履帶寬度和軌距及施工安全，鋼棧橋采用10排貝雷梁：每側(cè)輪帶下布置4排，中間布置2排，共10排。

樁基施工鋼平臺(tái)，因樁基的分布和鋼護(hù)筒的設(shè)置，在鋼護(hù)筒兩側(cè)設(shè)置貝雷梁，旋挖鉆工作最大起拔力為334kN，加上自重1180kN，工作最大荷載為1514kN，考慮1.4安全系數(shù)，旋挖鉆鋼平臺(tái)設(shè)計(jì)荷載為2120kN，按12m跨度理論上需設(shè)置2×2120/400=10.6排貝雷梁。綜合考慮旋挖鉆施工荷載、鋼平臺(tái)跨度及施工安全，每側(cè)輪帶下布置5排貝雷梁，即5排一組。

本重載型鋼棧橋和鋼平臺(tái)均采用連續(xù)梁設(shè)計(jì)，考慮實(shí)際施工情況，當(dāng)旋挖鉆行進(jìn)或作業(yè)時(shí)，會(huì)限制其他車(chē)輛或機(jī)械在旋挖鉆路線(xiàn)的前后活動(dòng)。旋挖鉆履帶實(shí)際接地長(zhǎng)度即荷載作用長(zhǎng)度為6.33m，對(duì)于12m跨鋼棧橋，按簡(jiǎn)支梁模型進(jìn)行受力分析;對(duì)于6m跨鋼平臺(tái)，則按兩等跨連續(xù)梁模型進(jìn)行受力分析。按簡(jiǎn)化模型分析貝雷梁受力情況，得到最大彎矩、最大剪力和最大撓度分別為493.51kN·m、184.50kN、15.20mm，設(shè)計(jì)允許值分別為788.2kN·m、245.2kN、30mm，故貝雷梁滿(mǎn)足要求。

2.2 橋墩結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)

在常規(guī)鋼棧橋應(yīng)用案例中，橋墩多數(shù)采用雙排樁和單排樁間隔設(shè)計(jì)，橫向設(shè)計(jì)為3根，樁頂直接設(shè)置橫梁以承受貝雷梁荷載，這種形式的橋墩應(yīng)用廣泛。本重載型鋼棧橋和鋼平臺(tái)由于旋挖鉆重量大，在作業(yè)狀態(tài)下未考慮安全系數(shù)時(shí)最大荷載已達(dá)到1514kN，若采用排樁形式，如圖1所示，旋挖鉆在行進(jìn)或作業(yè)時(shí)，與旋挖鉆距離近的排樁承擔(dān)了大部分施工荷載，對(duì)于雙排樁設(shè)計(jì)的橋墩可能會(huì)出現(xiàn)受力不均、單樁承載大的情況，對(duì)地基軟弱或打入深度難以保證的鋼管樁承載力和穩(wěn)定性極為不利。

若采用板凳式橋墩，上部荷載通過(guò)橫梁與樁頂扁擔(dān)梁分配再傳遞，使同一橋墩各樁均衡受力，避免單樁承載過(guò)大。板凳式橋墩各樁通過(guò)樁頂扁擔(dān)梁、三角撐、剪刀撐及橫聯(lián)形成整體，四樁共同受力，穩(wěn)定性好，同時(shí)也能減少鋼管樁用量，如圖2所示。

2.3 重載型鋼棧橋設(shè)計(jì)

下部結(jié)構(gòu)：采用板凳式橋墩，用[WTBX]630×10mm螺旋鋼管設(shè)置，橋墩管樁間距為橫橋向405cm，縱橋向300cm。在橋墩上部設(shè)置剪刀撐和橫撐連接加強(qiáng)管樁整體性，管樁頂部順橋向設(shè)置扁擔(dān)梁，扁擔(dān)梁上設(shè)置橫梁。墩頂聯(lián)接系采用對(duì)口雙拼20號(hào)槽鋼，扁擔(dān)梁和橫梁采用雙拼Ⅰ40a工字鋼。

上部結(jié)構(gòu)：鋼棧橋跨徑為12m?？v梁采用10排單層貝雷梁組，貝雷梁間距為（3×45）cm+（3×90）cm+（3×45）cm，貝雷梁間用支撐架聯(lián)結(jié)。將分配梁鋪設(shè)在貝雷梁上，采用Ⅰ20a工字鋼，間距為30cm。橋面板采用10mm厚鋼板。重載型鋼棧橋結(jié)構(gòu)見(jiàn)下頁(yè)圖3。

2.4 重載型鋼平臺(tái)設(shè)計(jì)

鋼平臺(tái)根據(jù)承臺(tái)尺寸及后續(xù)施工工藝進(jìn)行布置和分區(qū)設(shè)計(jì)。承臺(tái)范圍內(nèi)為旋挖鉆作業(yè)區(qū)，設(shè)計(jì)為重載型鋼平臺(tái)，承臺(tái)前后為吊裝作業(yè)區(qū)，按常規(guī)鋼平臺(tái)設(shè)計(jì)。

重載型鋼平臺(tái)下部結(jié)構(gòu)與鋼棧橋進(jìn)行同樣設(shè)計(jì)，鋼管樁采用[WTBX]529×8mm規(guī)格。平臺(tái)跨徑分為6m和4.5m兩種，適應(yīng)于承臺(tái)樁基分布設(shè)計(jì)。鋼平臺(tái)長(zhǎng)寬尺寸為（45×17）m。在每排樁兩側(cè)設(shè)置貝雷梁組，每組由5排組成，中間兩組各排貝雷梁間距為4×45cm，兩側(cè)邊組貝雷梁間距為90cm+（3×45）cm，貝雷梁間用支撐架聯(lián)結(jié)。分配梁設(shè)置在貝雷梁上，采用Ⅰ20a工字鋼，間距為30cm。橋面板采用10mm厚鋼板。重載型鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

2.5 重載型鋼棧橋和鋼平臺(tái)Midas模型驗(yàn)算

在重載型鋼棧橋和鋼平臺(tái)Midas模型中的貝雷梁采用16Mn鋼，其他鋼材采用Q235鋼。建立Midas模型如圖5和圖6所示。

設(shè)計(jì)考慮118t旋挖鉆施工（作業(yè)時(shí)最大起拔力為33t，最大扭矩為36t·m）、25t汽車(chē)吊吊裝及40t運(yùn)輸車(chē)輛（混凝土罐車(chē)或自卸貨車(chē)）組合荷載，進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)，考慮旋挖鉆作業(yè)時(shí)的扭矩，將扭矩轉(zhuǎn)換為水平均布荷載q=1.74kN/m施加在履帶范圍內(nèi)的貝雷梁上。強(qiáng)度驗(yàn)算的荷載組合為1.2自重+1.4車(chē)輛荷載+1.0水平荷載，剛度及穩(wěn)定性驗(yàn)算的荷載組合為1.0自重+1.0車(chē)輛荷載+1.0水平荷載。

對(duì)結(jié)構(gòu)受力共分四種工況進(jìn)行驗(yàn)算。對(duì)鋼棧橋，工況一為運(yùn)輸車(chē)及混凝土車(chē)等車(chē)輛通過(guò)棧橋時(shí)結(jié)構(gòu)的安全性;工況二為旋挖鉆通過(guò)棧橋時(shí)結(jié)構(gòu)的安全性。對(duì)鋼平臺(tái)，工況一為旋挖鉆在邊排樁基作業(yè)區(qū)作業(yè)時(shí)結(jié)構(gòu)的安全性;工況二為旋挖鉆在中排樁基作業(yè)區(qū)作業(yè)時(shí)結(jié)構(gòu)的安全性。

對(duì)模型進(jìn)行加載分析，綜合四種工況最不利情形，得到運(yùn)算結(jié)果為：16Mn鋼結(jié)構(gòu)組合最大應(yīng)力[WTBX]σmax=300.1MPa

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以看到，重型載鋼棧橋和鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性方面均能滿(mǎn)足規(guī)范及施工要求。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)優(yōu)化橋墩結(jié)構(gòu)形式，變傳統(tǒng)的雙排式樁為板凳式樁，并通過(guò)設(shè)置橫梁和加扁擔(dān)梁將上部荷載進(jìn)行再分配，有利于鋼管樁均衡承載，提高承載能力，以防單樁承載過(guò)大，造成不均衡沉降，形成不利的受力狀態(tài)。

（2）根據(jù)旋挖鉆軌距大小確定合理的貝雷梁布置間距，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況選擇最優(yōu)跨度，充分發(fā)揮貝雷梁性能，使結(jié)構(gòu)安全經(jīng)濟(jì)，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃紹金.裝配式公路鋼橋多用途手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社，2001.