烏干達(dá)沼澤區(qū)鋼棧橋受力分析與施工技術(shù)研究

李欽浦 熊排良 林 偉 汪 威 王凱鵬

(1.中交第一公路工程局集團(tuán)有限公司 北京 100024; 2.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

沼澤化濕地在東非地區(qū)分布廣泛，由于長(zhǎng)時(shí)間淤積，易形成沼澤性濕地軟土或軟黏土。該土質(zhì)摩阻力小，承載能力差，且通常帶有腐蝕性[]。鋼棧橋作為水上施工平臺(tái)，為陸地車(chē)輛通行及橋梁施工過(guò)程中的材料運(yùn)輸提供便利，具有承載力大、施工便捷、拆除方便、可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于橋梁、大壩及港口碼頭等實(shí)際工程中[2-5]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)不少專(zhuān)家學(xué)者對(duì)鋼棧橋在強(qiáng)震作用、風(fēng)浪耦合作用，以及復(fù)雜地質(zhì)等環(huán)境下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和施工技術(shù)進(jìn)行了報(bào)道[6-8]，但對(duì)鋼棧橋在沼澤地質(zhì)環(huán)境下的受力分析與施工工藝方面的研究較為少見(jiàn)。本文以烏干達(dá)共和國(guó)坎帕拉市(Kampala)至恩德培(Entebble)機(jī)場(chǎng)高速公路項(xiàng)目中某貝雷梁鋼棧橋工程為背景，采用midas Civil軟件對(duì)該鋼棧橋進(jìn)行受力分析，并對(duì)其施工方案進(jìn)行闡述，以期為今后東非地區(qū)沼澤濕地地質(zhì)下的類(lèi)似工程建設(shè)提供參考。

1 工程情況

1.1 工程概況

烏干達(dá)共和國(guó)坎帕拉市至恩德培機(jī)場(chǎng)高速公路項(xiàng)目，簡(jiǎn)稱(chēng)“KE”項(xiàng)目，全長(zhǎng)51 km，其中主線長(zhǎng)37.2 km，支線長(zhǎng)14.1 km。由于主線橋在施工過(guò)程中需要跨越Nambigiwa沼澤區(qū)，而鄰近橋位部分無(wú)橋梁跨越，因此項(xiàng)目采用架設(shè)1座鋼棧橋作為樁基施工提供平臺(tái)、材料運(yùn)輸?shù)耐ǖ馈?/p>

1.2 工程地質(zhì)條件

Nambigirwa沼澤表面被喬木和灌木覆蓋，地表大部分地方常年積水，表層為流塑-軟塑狀黏土，含植物根系及腐殖質(zhì)?，F(xiàn)場(chǎng)勘察和鉆探結(jié)果表明，沼澤積水較深，水深約為1.4～6.5 m，水體表層漂浮大量植物，其下為根系。水體底部土層自上而下主要分為3層：①流塑狀黑色泥沼，厚度約為2.5～4.4 m，腐殖質(zhì)含量高達(dá)80%～100%；②軟塑狀土，厚度約為2～2.5 m，以粉質(zhì)黏土為主；③硬塑的粉質(zhì)黏土，含粗砂，多以透鏡體的形式出現(xiàn)，密實(shí)度較高，屬中密-密實(shí)級(jí)。橋梁范圍內(nèi)鉆孔主要成份為水，腐殖質(zhì)土，黏土，粉砂，中砂等摩阻力和承載力較差的土質(zhì)，部分樁端為中風(fēng)化或強(qiáng)風(fēng)化片麻巖，黑白相雜，可見(jiàn)風(fēng)化后的基巖顏色變淺，巖芯呈碎石狀，局部段落呈短柱狀。

2 鋼棧橋計(jì)算

2.1 棧橋結(jié)構(gòu)形式

棧橋兩側(cè)用紅土粒料填筑便道，全長(zhǎng)435 m。樁基施工平臺(tái)分布在棧橋兩側(cè)，左、右兩幅各搭設(shè)8個(gè)平臺(tái)。棧橋橋墩基礎(chǔ)采用外徑600 mm、壁厚6 mm的鋼管樁，每墩設(shè)置2根鋼管樁，橫向鋼管樁中心間距4.235 m，縱向設(shè)置1排鋼管樁，中心間距分別為4.5 m和8 m。每一橋墩鋼管樁頂部放置10 mm×600 mm×600 mm樁帽，樁帽頂面采用雙拼I28b工字鋼作蓋梁，縱橫梁均焊接牢固。蓋梁定面兩側(cè)分別布置3片間距0.45 m貝雷梁，兩貝雷梁間每3 m設(shè)置1道支撐片，貝雷梁上設(shè)置I28b工字鋼，間距1.5 m。橋面板采用U形標(biāo)準(zhǔn)橋面鋼板，采用2×1.05和4×0.93形式拼接，每段縱向長(zhǎng)度為3 m。鋼棧橋具體設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 鋼棧橋設(shè)計(jì)參數(shù)及基本數(shù)據(jù)

2.2 計(jì)算過(guò)程與結(jié)果分析

采用midas Civil 2012軟件對(duì)鋼棧橋進(jìn)行三維空間有限元計(jì)算分析，選取一聯(lián)75 m作為計(jì)算模型，計(jì)算模型和計(jì)算工況分別見(jiàn)圖1和表2。

圖1 鋼棧橋計(jì)算模型

表2 鋼棧橋計(jì)算工況

各工況計(jì)算應(yīng)力和支點(diǎn)反力結(jié)果見(jiàn)圖2～圖5，鋼棧橋在工況3、4下的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。有限元計(jì)算結(jié)果表明：①鋼棧橋處于偏載(工況3、4)下為不利情況；②計(jì)算貝雷弦桿最大應(yīng)力均位于貝雷節(jié)點(diǎn)(321.6 MPa)和I28b型鋼節(jié)點(diǎn)(256.6 MPa)，但考慮到實(shí)際接觸為面接觸，且該處為貝雷銷(xiāo)接加強(qiáng)處，實(shí)際應(yīng)力小于計(jì)算值，除去該點(diǎn)外，貝雷上下弦桿最大應(yīng)力在-180.4～138.2 MPa范圍內(nèi)(工況3)，小于16 Mn鋼許用應(yīng)力(273 MPa)；③工況4中I28b型鋼最大應(yīng)力達(dá)256.6 MPa，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)使用過(guò)程中，應(yīng)在護(hù)欄底往中心線方向布置一定的防偏結(jié)構(gòu)，例如焊接一定的倒鉤槽鋼，使運(yùn)營(yíng)車(chē)輛不過(guò)分偏向一側(cè)。

圖2 工況1計(jì)算結(jié)果

圖3 工況2計(jì)算結(jié)果

圖4 工況3計(jì)算結(jié)果

圖5 工況4計(jì)算結(jié)果

表3 鋼棧橋計(jì)算結(jié)果

3 鋼棧橋受力驗(yàn)算

3.1 計(jì)算說(shuō)明

該棧橋上部構(gòu)造為裝配式公路鋼橋，每墩柱下部分別設(shè)置2根A600 mm(外徑)鋼管樁基礎(chǔ)，鋼管壁厚為6 mm，鋼管樁縱橫向均有水平構(gòu)件連接，主要對(duì)以下2點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)算：①鋼管樁基礎(chǔ)的自身強(qiáng)度、穩(wěn)定性及承載能力；②主橋加強(qiáng)貝雷梁的強(qiáng)度。

3.2 荷載確定及計(jì)算

根據(jù)實(shí)際使用情況，橋面荷載主要為鋼棧橋使用中汽-20荷載和架設(shè)時(shí)履帶吊荷載。其中，汽-20荷載根據(jù)JTJ 021-89《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》確定，履帶吊自重500 kN，吊帶重100 kN，計(jì)算取值600 kN。鋼材彈性模量Es=2.1×105MPa，16 Mn鋼材許用應(yīng)力[σ]=273 MPa，[τ]=208 MPa。主要構(gòu)件荷載計(jì)算見(jiàn)表4，當(dāng)履帶吊居中行駛時(shí)，橫向分配系數(shù)取0.5。

表4 主要構(gòu)件荷載計(jì)算 kN

3.3 鋼管承載力、穩(wěn)定性驗(yàn)算

3.3.1承載力驗(yàn)算

本聯(lián)共26根樁，每個(gè)樁所承受的荷載為：P=(496.2+342.5+140.0+71.3+600)×1.5/26=95.2 kN，取P作為鋼管的承載力。立桿外徑600 mm，壁厚6 mm鋼管橫截面面積A=(d1/2)2×3.14-(d2/2)2×3.14=11 197 mm2，工作狀態(tài)下最大的正應(yīng)力(安全系數(shù)取1.4)：σ=1.4×N/A=1.4×95 200/11 197=11.9 MPa，σ<[σ]=160 MPa。表明鋼管樁具備足夠的內(nèi)部強(qiáng)度。

3.3.2穩(wěn)定性驗(yàn)算

根據(jù)鋼管樁的承載力以及當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)情況，確定鋼管樁入土深度為4.0 m，橋下凈空按2.0 m，水深按2.0 m考慮，淤泥層和軟土層按5.0 m厚考慮，鋼管樁總長(zhǎng)度為16 m。通過(guò)計(jì)算可知：鋼管換算截面回轉(zhuǎn)半徑i=210.1 mm，長(zhǎng)細(xì)比為22.3，立桿穩(wěn)定系數(shù)φ為1.0，則鋼管穩(wěn)定承載力容許最大值Nmax=φ×A×f=1 791.5 kN。其中：f=160 MPa。鋼管樁穩(wěn)定性滿足要求。

3.4 棧橋縱橫向工字鋼驗(yàn)算

樁頂以上貝雷梁以下蓋梁雙拼I28b型工字鋼考慮受力方向基本為軸心受壓，可不作驗(yàn)算。

橫向I28b型工字鋼驗(yàn)算?？紤]車(chē)輛荷載非集中荷載，后輪軸重如達(dá)到6 500 kN時(shí)為雙橋或三橋，按橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中，雙橋車(chē)輛兩軸間距為1.4 m，按照后輪軸重500 kN汽車(chē)考慮縱梁上單個(gè)輪承載力為125.0 kN，車(chē)輪橫向間距按2.3 m計(jì)算。通過(guò)計(jì)算可得，最大彎矩M為221.88 kN·m，最大剪力Q為125 kN，則最大正應(yīng)力、剪應(yīng)力以及撓度分別為

σ=M/W=221.8×106/(2×4.8778×105)=227.4 MPa<[σ]=273 MPa；

τ=Q/A=125.0×106/6 050=20.7 MPa<[τ]=208 MPa；

f=FL3/(48EI)=(125×103×5.853)/(48×2.1×109×7.481×10-5)=3.32 mm

各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。

3.5 主跨貝雷梁強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)《裝配式公路鋼橋手冊(cè)》中荷載與跨徑組合表查得，4.5 m和8 m跨徑小于9.0 m跨徑，從表中可知3排單層貝雷梁滿足荷載履帶-50(汽-20)的受力要求。

4 鋼棧橋施工

4.1 施工方法

首先采用震動(dòng)錘依次對(duì)鋼管樁進(jìn)行打設(shè)，然后采用吊車(chē)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)拼裝完成的貝雷梁進(jìn)行架設(shè)，最后安裝橋面梁系。

4.2 施工工藝流程

棧橋施工工藝流程：棧橋設(shè)計(jì)→方案制定→設(shè)備材料進(jìn)場(chǎng)→施工放樣→鋼樁插打→焊接剪刀撐→蓋梁安裝→棧橋組拼成型→汽車(chē)吊車(chē)安裝就位→棧橋精確就位。

1) 測(cè)量放線。根據(jù)圖紙?jiān)谥鳂蚺赃叿懦鰲蛑休S線，并根據(jù)岸基情況，定出棧橋的起始樁位。

2) 樁體質(zhì)量檢查。施工前檢查樁體本身是否有裂痕，是否已彎曲變形，表面有無(wú)嚴(yán)重的銹蝕和割焊受傷現(xiàn)象，其壁厚應(yīng)當(dāng)滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)于存在缺陷的樁體禁止使用。

3) 場(chǎng)地。場(chǎng)地平整，便道應(yīng)具有一定的承載力與水平度，以保證機(jī)械的垂直穩(wěn)定和移動(dòng)，以及鋼管樁、蓋梁的順利焊接。

4) 下部結(jié)構(gòu)施工流程主要分為打樁、鋼管樁縱橫向加固連接以及蓋梁施工3個(gè)部分。

打樁。鋼管樁采用DZ35震動(dòng)打樁錘依次打入。用浮吊將其豎直吊起，對(duì)準(zhǔn)樁位放下。對(duì)準(zhǔn)好樁位后，用履帶吊吊起液壓錘，液壓夾頭夾住鋼管樁，初步檢驗(yàn)樁體縱橫方向垂直度，并在鋼棧橋上設(shè)置導(dǎo)向裝置，確保樁體在錘擊過(guò)程中始終保持垂直。符合要求后，開(kāi)動(dòng)錘將樁打入沼澤土中。當(dāng)樁底遇到硬物時(shí)，樁位易打偏或不垂直，應(yīng)及時(shí)清理調(diào)整后再施打。

鋼管樁縱橫向加固連接。每一橋墩處的鋼管樁插打完成后，縱橫向采用150 mm×150 mm(δ=6 mm)的槽鋼交叉焊接，將各樁連接成整體，保證縱橫向穩(wěn)定并防止出現(xiàn)不均勻下沉。各支撐型鋼與鋼管樁連接處采用滿焊，確保焊縫質(zhì)量。

蓋梁施工。打設(shè)好鋼管樁后，在每一橋墩處的鋼管樁頂部放置10 mm×600 mm×600 mm樁帽，其上放置蓋梁。鋼管樁的蓋梁采用2根I28b工字鋼并焊而成。最后將鋼管樁、樁帽及蓋梁焊牢成為整體。

5) 棧橋橋體安裝。貝雷主梁在營(yíng)地空曠場(chǎng)地內(nèi)拼裝，下面墊枕木，用桁架銷(xiāo)子相互連接接長(zhǎng)。該橋共有6排2組貝雷，2組貝雷梁端頭用米支撐架連接。布置6排貝雷梁布置間距為2×0.45 m+3.365 m+2×0.45 m。連接桁架的所有螺栓螺帽必須擰緊，桁架銷(xiāo)子穿到位后必須插好保險(xiǎn)銷(xiāo)。每跨橋體組裝完成，采用履帶吊逐孔安裝。

4.3 棧橋施工注意事項(xiàng)

1) 鋼管樁打入時(shí)需按照設(shè)計(jì)要求達(dá)到入土深度，錘樁終止控制應(yīng)嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)范規(guī)程；若不能打入設(shè)計(jì)深度，應(yīng)及時(shí)通知工程部，分析原因后采取相應(yīng)措施，可臨時(shí)增加1排鋼管作為加強(qiáng)和止推墩。

2) 鋼管樁施打完成后，應(yīng)立即進(jìn)行鋼管樁橫向連接、焊接剪刀撐及鋼管平聯(lián)，夜間作業(yè)時(shí)應(yīng)提前安裝照明設(shè)施。

3) 所有鋼結(jié)構(gòu)的焊接，包括鋼管樁節(jié)段焊接、型鋼焊接，以及各個(gè)連接件的焊接都必須在監(jiān)理及相關(guān)質(zhì)檢人員的監(jiān)督下進(jìn)行合格檢驗(yàn)。

4) 若受到大風(fēng)等自然災(zāi)害襲擊，應(yīng)盡早撤離所有施工機(jī)械和作業(yè)人員到安全區(qū)域，已經(jīng)施工完成的區(qū)域應(yīng)采取相應(yīng)措施保證安全過(guò)渡。

5) 貝雷梁支點(diǎn)處必須采用一定措施加強(qiáng)，未加強(qiáng)前履帶吊不能前行作業(yè)。

4.4 質(zhì)量保證措施

嚴(yán)格要求管理、技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)施工人員執(zhí)行各級(jí)技術(shù)檢驗(yàn)復(fù)核制度；加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)管理并落實(shí)各項(xiàng)技術(shù)管理制度，保證工程質(zhì)量；現(xiàn)場(chǎng)派專(zhuān)人巡查，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，確保施工按照設(shè)計(jì)意圖進(jìn)行；鋼管樁、型鋼、貝雷片使用前，必須經(jīng)檢查驗(yàn)收，如有質(zhì)量不符合要求的不得使用；嚴(yán)格按照規(guī)范施工，實(shí)行全面質(zhì)量管理；所用儀器必須檢測(cè)合格，并定期檢查。

4.5 安全管理措施

構(gòu)件吊裝和安裝須遵守相關(guān)安全操作技術(shù)規(guī)程，水上作業(yè)人員須配備安全帽、救生衣、防滑膠鞋、安全帶等安全防護(hù)用品；遇大風(fēng)天氣時(shí)停止一切水上作業(yè)，所有棧橋上的設(shè)施應(yīng)采取有效措施保護(hù)和固定；便道路口設(shè)置限載牌(限載500 kN)和限速牌(限速5 km/h)，并安排專(zhuān)人看護(hù)以保證限載限速嚴(yán)格執(zhí)行；加強(qiáng)對(duì)全橋沉降、偏位進(jìn)行記錄，觀測(cè)的同時(shí)對(duì)全橋拼裝點(diǎn)、焊點(diǎn)焊縫及各型材檢查一次，如發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵焊點(diǎn)焊縫生銹老化、關(guān)鍵型材明顯形變，需臨時(shí)封閉交通，采取補(bǔ)強(qiáng)措施。

4.6 環(huán)境保護(hù)措施

施工區(qū)域始終保持良好排水狀態(tài)，保護(hù)原有植被，盡量減少對(duì)周?chē)G化產(chǎn)生影響和破壞，防止雨季洪水沖刷耕地、植被造成水土流失；開(kāi)挖或填筑的土質(zhì)路基邊坡應(yīng)及時(shí)采取防護(hù)措施，及時(shí)對(duì)棄方進(jìn)行壓實(shí)，并在其表面進(jìn)行植被覆蓋，種植草皮、灌木或樹(shù)木；施工時(shí)應(yīng)結(jié)合地形，做好臨時(shí)排水及植樹(shù)種草等綠化工作；油料等避免堆放在沼澤附近，并采取措施，防止雨水沖刷進(jìn)入水體；出入現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)械和車(chē)輛做到不鳴笛、不急剎車(chē)，并對(duì)施工無(wú)關(guān)人員和車(chē)輛加以控制，避免或減少噪音。

5 結(jié)語(yǔ)

東非沼澤濕地區(qū)，地質(zhì)情況差，橋梁工程施工難度大。本文以烏干達(dá)共和國(guó)坎帕拉市(Kampala)至恩德培(Entebble)機(jī)場(chǎng)高速公路項(xiàng)目中某貝雷梁鋼棧橋工程為背景，根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件及棧橋?qū)嶋H使用情況確定棧橋荷載組合，并采用midas Civil有限元軟件對(duì)該鋼棧橋進(jìn)行受力分析。在此基礎(chǔ)上制定了鋼棧橋的施工方案，并對(duì)棧橋施工注意事項(xiàng)及施工過(guò)程中的質(zhì)量保證、安全管理和環(huán)境保護(hù)等措施進(jìn)行了闡述，可為今后在烏干達(dá)等東非沼澤地區(qū)進(jìn)行類(lèi)似重要臨時(shí)工程的建設(shè)提供參考。