跨引水灌溉渠鋼棧橋設(shè)計(jì)淺析

駱子瑾

（中鐵十六局集團(tuán)第四工程有限公司，北京 101400）

1 引言

在跨江、跨河、跨海公路施工過程中，難免遇到在水中鋪設(shè)橋墩。水中橋墩施工可采用多種方法，有筑搗法、鋼棧橋法，其中鋼棧橋法又分為上承式鋼棧橋和下承式鋼棧橋等，貝雷架的組合形式也多種多樣。鋼結(jié)構(gòu)棧橋法具有材料強(qiáng)度高、抗震性能好、自重輕、施工方便且易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，已成為一種發(fā)展趨勢。國內(nèi)外對鋼棧橋很少有系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)和施工成果，大部分是依托于施工經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)槭┕きh(huán)境不同，鋼棧橋設(shè)計(jì)和施工的安全性、經(jīng)濟(jì)性難以做到統(tǒng)一。常見的鋼棧橋是用鋼管樁打入河道基礎(chǔ)，在上方搭建貝雷架、橫梁、面板等結(jié)構(gòu)，本項(xiàng)目結(jié)合實(shí)際地質(zhì)和工程造價(jià)情況，采用另一種方法進(jìn)行了鋼棧橋的設(shè)計(jì)和施工。

2 工程概況

2.1 工程基本概況

大功河是一條大型引黃灌溉渠道，正常設(shè)計(jì)流量70m3/s，河道寬度約80m，里程為K21+116.5～K21+206.5。濮衛(wèi)高速滑衛(wèi)段HWSG-1標(biāo)滑縣南互通A匝道1號橋3#～6#墩，H匝道橋4#～5#墩、I匝道橋3#～4#墩、G230分離式立交4#～5#墩位于該河道，施工場地受限，材料運(yùn)輸車輛、機(jī)械等通行不便，距離便民出行的圬工橋較遠(yuǎn)，且存在臨時(shí)征地較多、手續(xù)辦理麻煩、無法保證車道承載力、安全隱患較大等問題。為保證場地施工期間大功河河道排水的通暢，便于人員、運(yùn)輸車輛及機(jī)械通行，在河道間搭設(shè)鋼棧橋方便施工。

2.2 水文地質(zhì)條件

大功河所在區(qū)域地下水主要為松散巖類孔隙水，屬于潛水，局部因有穩(wěn)定的隔水層而從微承壓水到承壓水。其主要含水層為粉土層和砂類土層，補(bǔ)給來源為大氣降水、灌溉回歸水，含引黃灌區(qū)的側(cè)滲水等，其消耗主要為開采、蒸發(fā)和一部分由河流排泄。

本地區(qū)地層為沖積地層中的更新統(tǒng)地層：主要巖性為棕黃、淺棕、黃棕色粉質(zhì)黏土，砂層厚薄不均，顆粒上細(xì)下粗，分選磨圓較好，礦物成分為石英、長石和少量暗色礦物。河底露出區(qū)域?yàn)樯邦愅良胺圪|(zhì)黏土，呈層狀膠結(jié)，強(qiáng)度較高。

3 鋼棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 鋼棧橋結(jié)構(gòu)形式

鋼棧橋位置經(jīng)現(xiàn)場實(shí)地勘察選定為G230分離式立交左側(cè)。棧橋根據(jù)河道寬度確定為9m×4貝雷架結(jié)構(gòu)，寬度為6m，兩端設(shè)橋臺(tái)。據(jù)了解，河道底部為砂類土及粉質(zhì)黏土，呈層狀膠結(jié)，強(qiáng)度較高，若采用傳統(tǒng)的鋼管樁支撐存在以下幾個(gè)問題：

（1）鋼管樁需打破膠結(jié)層，按照摩擦樁設(shè)計(jì)，施工難度大、成本高。

（2）大功河水質(zhì)較差，礦化度也較高，主要為重碳酸硫酸型水、氯化物硫酸型水、硫酸氯化物型水和硫酸型水，礦化度多1～3g/L，多屬微咸水，若采用鋼管樁抗腐蝕性較差，存在安全隱患。鑒于以上兩點(diǎn)，該鋼棧橋采用擴(kuò)大基礎(chǔ)橋墩方式作為支撐結(jié)構(gòu)。

3.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

按照現(xiàn)場地質(zhì)情況，設(shè)置擴(kuò)大基礎(chǔ)，中間墩柱采用8.0m×3.5m×1.5m（長×寬×高）條形擴(kuò)大基礎(chǔ)，底面設(shè)置混凝土墊層，各邊尺寸比條形基礎(chǔ)大0.5～1.0m，墊層厚20cm。條形基礎(chǔ)全部嵌入河道巖層中。墩柱采用7m×2.5m×4m（長×寬×高）。頂面預(yù)埋鋼板焊接三拼25工字鋼墊梁。

3.3 縱向主梁設(shè)計(jì)

縱向主梁采用“321”貝雷桁架結(jié)構(gòu)，采用保險(xiǎn)銷作連桿，其間距為3m。貝雷梁與墊梁之間采用U型卡連接。

3.4 分配梁及橋面設(shè)計(jì)

貝雷梁上分配橫梁采用I16的工字鋼，長6m，間距30cm，I16工字鋼橫梁與貝雷梁間采用U型螺栓連接固定,橫梁上鋪設(shè)δ=10mm的花紋鋼板作橋面板。

3.5 橋面系設(shè)計(jì)

為了行人安全，在橋面兩側(cè)、人行道車行道中間設(shè)置防護(hù)欄桿。欄桿立柱采用Φ48×3.5鋼管，鋼管高度1.2m，縱向間距布置為2m；防護(hù)欄桿設(shè)橫桿2道，間距60cm，橫桿也采用Φ48×3.5鋼管。立桿焊接在鋼板上，橫桿與立柱間采用對接焊連接。棧橋上每側(cè)間隔6m設(shè)置一個(gè)救生圈。所有型鋼連接均采用焊接，焊縫厚度不小于8mm。

3.6 橋臺(tái)設(shè)置

棧橋南北兩端設(shè)置橋臺(tái)，橋臺(tái)基礎(chǔ)為混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)。兩邊橋臺(tái)采用8m×3.5m×1.5m擴(kuò)大基礎(chǔ)，橋臺(tái)寬7m，截面尺寸2.5m×4m。橋臺(tái)采用C30混凝土，橋臺(tái)臺(tái)身頂部為三拼25工字鋼墊梁，通過預(yù)埋在臺(tái)身內(nèi)的鋼板焊接固定。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 設(shè)計(jì)荷載的選定

根據(jù)實(shí)際施工情況，棧橋通過車輛有10m3混凝土攪拌運(yùn)輸車、55t自卸車（滿載22立方碎石前四后八輪土石方車輛）、25t吊車、40輛拉鋼筋車。其中考慮最重荷載情況為兩臺(tái)55t自卸車（滿載）錯(cuò)車時(shí)，則考慮1.15安全系數(shù)（考慮動(dòng)荷載系數(shù)）后取126.5t。

4.2 上部結(jié)構(gòu)恒重（6m寬計(jì)算）

（1）10cm花紋鋼板：

6m×0.01m×7.85t/m3×10g/s2=4.71kN/m。

（2）I16橫向分配梁：2.29kN/根。

（3）貝雷梁：6.12kN/m。

（4）三拼25工字鋼墊梁：10.5kN/根。

4.3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

4.3.1 橋面鋼板內(nèi)力

荷載分析（計(jì)算寬度取0.5m）：

①自重均布荷載：

q1=0.5m×0.01m×10g/s2×7.85t/m3=0.39kN/m。

②施工及人群荷載：不考慮與混凝土攪拌車同時(shí)作用。

③兩臺(tái)55t自卸車輪壓：126.5t÷16m×10g/s2=79kN/m。

由荷載分析可確定，自重荷載及施工人群荷載可忽略不計(jì)。

跨中彎矩

滿足強(qiáng)度要求。

4.3.2 I16橫向分配梁內(nèi)力計(jì)算

一臺(tái)55t自卸車單邊車輪作用在右幅棧橋跨中時(shí)，橫向分配梁的彎矩最大，輪壓力為簡化計(jì)算可作為集中力。

荷載分析（計(jì)算寬度取0.75m）：

①自重均布荷載：忽略不計(jì)。

②施工及人群荷載：不考慮。

③55t自卸車單邊車輪輪壓：

單邊車輪布置在跨中時(shí)彎矩最大：

兩臺(tái)55t自卸車單邊車輪作用在棧橋跨中時(shí)，橫向分配梁的彎矩最大，輪壓力為簡化計(jì)算可作為集中力。

荷載分析（計(jì)算寬度取 0.75m）：

①自重均布荷載：忽略不計(jì)。

②施工及人群荷載：不考慮。

③兩臺(tái)55t自卸車單邊車輪輪壓：

單邊車輪布置在跨中時(shí)彎矩最大：

選用I16則A=48.54cm2W=402cm3

4.3.3 貝雷梁內(nèi)力計(jì)算

計(jì)算跨徑取跨最大跨L=12m，按照簡支計(jì)算。

①彎矩M:

A.兩臺(tái)55t自卸車布置在跨中時(shí)：前排輪重210kN，后排輪重422kN。

B.支座反力：

R左=561.7kN，R右=492.3kN

Mmax=R左×4.5m-210kN×4.2m-422kN×1.35m=1 075.95kN·m

C.自重均布荷載：q=4.71kN/m+3.56kN/m+6.12kN/m+2.29kN÷0.75m=17.44kN/m

Mmax=1/8×17.44kN/m×（9m）2=176.58kN·m

②對支點(diǎn)剪力Q：

A.兩臺(tái)55t自卸車行駛臨近支點(diǎn)時(shí)：

Vmax=476.53kN

B.恒載內(nèi)力

Vmax=0.5×17.44kN/m×9m=78.48kN

③貝雷梁的計(jì)算參數(shù)：

荷載組合：根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》4.1.6-1條，貝雷梁上最大內(nèi)力兩臺(tái)55t自卸車與恒荷載的組合，貝雷梁選用雙排單層加強(qiáng)型：容許彎矩3 375kN·m，容許剪力490.5kN。

滿足要求。

綜上所述，鋼棧橋設(shè)計(jì)滿足結(jié)構(gòu)要求。

5 結(jié)語

通過濮衛(wèi)高速項(xiàng)目滑衛(wèi)段歷時(shí)一年的施工，大功河鋼棧橋未出現(xiàn)任何異常狀態(tài)，在雨季依然能正常通行，說明該鋼棧橋設(shè)計(jì)與施工成功，可以為類似地質(zhì)引水灌溉渠鋼棧橋施工提供參考。