雙向通航多跨高墩裝配式鋼棧橋設計

黃樂樂

(廣西路建工程集團有限公司 南寧 530000)

0 引言

橋梁工程的施工，往往為了方便材料的運輸和設備的調配，需要搭設臨時棧橋作為施工通道或搭設臨時工作平臺作為施工場地。目前國內鋼棧橋下部多為采用鋼管樁柱式結構、上部為貝雷桁架+型鋼的組合型式。通過焊接剪刀撐、鋼橫梁，上面擺放貝雷梁、分配梁、鋼板形成路面系統。這種結構往往跨度較小，棧橋施工后橋下凈寬很難滿足通航要求。且由于現場焊接質量較難控制，拼裝精度較低，如果由于地形或通航原因采用較高的鋼管墩柱，則在結構穩定性上有較高風險。

針對目前這種工程實際狀況，本文結合G321三江縣良口至梅林公路跨越都柳江的浪泡大橋實際施工要求，通過采用合理的跨徑布置、鋼管群柱的下部構造設計，使得施工鋼棧橋能在較大跨徑與高墩柱的結構特點上保持承載能力與較好的穩定性，滿足了橋下雙向通航的凈寬凈高要求。本文的設計方案以期作為類似工程提供設計與研究參考。

1 設計方案

1.1 擬建鋼棧橋橋位地質水文情況

擬建的G321三江縣良口至梅林公路浪泡都柳江大橋于柳州市三江縣富祿鄉跨越都柳江。鉆孔揭示，橋址區附近有人工填筑土層(Q4ml)、坡地表層分布殘坡積層(Q4el+l)、溝谷底部表層分布沖洪層(Q4al+pl)，下伏基巖為震旦系長安組上段(Z1c2)，含礫泥質砂巖、含礫砂質泥巖及其風化層。

都柳江為山區性河流，枯水期在每年的10月份至次年的3月份，流速平緩；洪水期為每年的6月至9月，水位會出現暴漲暴落現象，但一般洪峰維持3～5 d即消落，此時最大流速可達3.5 m/s左右。2016年鋼棧橋處最大洪水位為169.00 m。

擬建的鋼棧橋位于浪泡大橋上游30 m，可采用上述地質水文調查報告作為設計參考。

1.2 設計跨徑及材料型號

鋼棧橋設計總跨度為210 m，橋面寬度6 m，跨徑分布為(12+3+12)×2+(3+21)×2+(3+12)×2+(12+3+12)×2+(12+3+9)=210 m，21 m跨為通航孔。各墩采用φ630×10 mm螺旋鋼管形成群樁柱，縱向三排，間距為1.5 m，橫向兩列，間距為2.5 m，鋼管柱基礎采用樁徑1.5 m沖孔灌注樁，樁基入巖2 m，在澆注樁基水下C25混凝土至巖層頂時，用振動錘將鋼管柱插打入樁底，以使鋼管柱有足夠的嵌固。鋼管柱最高約為20 m，為增強群柱的縱橫向穩定性，縱橫兩向均采用Ⅰ20a槽鋼設置剪刀撐(大于等于10 m設置二道剪刀撐)；每排螺旋鋼管柱頂橫梁采用2根Ⅰ40a工字鋼，Ⅰ20a限位槽鋼通過150×200×10 mm連接板與樁頂Ⅰ40a工字鋼焊接，限制貝雷桁架梁的橫向滑動。

上部結構部分，≤12 m跨徑縱梁采用6排單層321型貝雷桁架拼裝，橫向采用90支撐及115支撐架連接，雙通航21 m跨縱梁采用10排321型貝雷桁架拼裝，橫向采用90支撐、45支撐及115支撐架連接，其縱向間距為3 m一道，增強貝雷梁整體穩定性。縱向貝雷桁架頂橫向鋪設Ⅰ22a工字鋼作為分配梁，間距25 cm，橋面滿鋪1 cm厚防滑鋼板作為橋面板。為增強橋面整體性，橫向分配梁通過焊接Ⅰ10定位槽鋼并與貝雷桁架通過U型釘固定。橋面安全護欄采用φ48 mm的鋼管。棧橋兩端設置混凝土橋臺，橋臺處設置5 cm伸縮縫。如圖1、圖2所示。

圖1 標準橫斷面示意圖

圖2 通航孔橫斷面示意圖

鋼棧橋設計為單車道通行且限制橋上僅同時行駛一輛車，主要通行車輛為27 t汽車吊、36 t挖掘機(卡特336)、38 t混凝土運輸車、77 t碎石運輸車，行駛速度<10 km/h。

1.3 荷載擬定

為安全考慮，棧橋最大車輛荷載按77 t碎石自卸車布置。動荷載系數取1.3，故棧橋檢算荷載采用100 t。根據車輛參數表，碎石運輸車驅動軸為兩組4軸，橫向輪距為1.8 m，軸距為1.8 m+3 m+1.35 m。軸荷載分配情況如下：前軸10 t，后兩組后軸分別為26 t和32 t。

2 棧橋結構驗算

2.1 貝雷桁架梁驗算

(1)計算跨徑為12 m的標準跨，按簡支梁驗算。

選用6列單排單層不加強型貝雷片，其單排貝雷片截面參數：截面容許抵抗矩[M]=788.2 kN·m，截面容許抗剪強度[Q]=245.2 kN。考慮標準跨最不利彎矩為車輛荷載后軸中心位于12 m跨度跨中處時，最不利剪力為車輛后軸位于鋼管樁樁頂處時。

由于標準跨是由6片貝雷梁通過90支撐架和限位槽鋼Ⅰ20#連接成整體，而且上部又由Ⅰ22a分配梁與橋面板整體連接作為荷載傳遞結構，故理論上車輛荷載由6排貝雷片共同承擔，但考慮實際情況，偏于安全的只認為是4排貝雷梁承擔所有車輛荷載。

總彎矩為M總=2322.2 kN·m<[M]=788.2×4=3 152.8 kN·m滿足要求

支座的總剪力值：

Q總=Q恒+Q活=927.4 kN〈[Q]=245.2×4=980.8 kN滿足要求

最大撓度值：

(2)計算跨徑為21 m的通航孔，按簡支梁驗算。

布置10列單排單層不加強型貝雷片，其單排貝雷片截面參數：截面容許抵抗矩[M]=788.2 kN·m，截面容許抗剪強度[Q]=245.2 kN。考慮標準跨最不利彎矩為車輛荷載后軸中心位于21 m跨度跨中處時，最不利剪力為車輛后軸位于鋼管樁樁頂處時。

由于標準跨是由10片貝雷梁通過90支撐架、45支撐架和限位槽鋼Ⅰ20#連接成整體，而且上部又由Ⅰ22a分配梁與橋面板整體連接作為荷載傳遞結構，車輛荷載由10排貝雷片共同承擔。

最大剪力為：

Q總=Q恒+Q活=1 006.9 kN〈[Q]=245.2×10=2 452 kN滿足要求

最大撓度為：

2.2 鋼管柱頂2Ⅰ40a工字鋼橫梁驗算

(1)按簡支梁驗算，計算跨徑為標準跨12 m。

橫梁最不利位置分析：當車輛荷載全部由第一片至第六片(共6片貝雷片，計算時僅按3片計)貝雷梁共同承擔且車輛后軸位于制動墩橫梁正上方時，橫梁受力最大。

最大應力值為：

τ=84.9 MPa〈[τ]=110 MPa

最大撓度為：

各參數滿足要求。

(2)按簡支梁驗算，計算跨徑為通航孔21 m。

橫梁最不利位置分析：當車輛荷載全部由第一片至第十片(共10片貝雷片，計算時僅按5片計算)貝雷梁共同承擔且車輛后軸位于制動墩橫梁正上方時，橫梁受力最大。

最大應力值為：

τ=95.1 MPa〈[τ]=110 MPa

最大撓度為：

各參數滿足要求。

2.3 φ630×10 mm鋼管柱強度驗算

柱受力：由主橫梁受力計算知，主橫梁最大支反力出現21 m通航孔處，故當全部車輛荷載作用在單排樁頂時，中間根鋼管樁受力最大，其值等于旁邊兩根鋼管樁受力之和，鋼管樁的強度為：

[P]=Sσ0=6 280×145=910.6 kN〉P=677.260 kN

故φ630×10 mm鋼管柱壓應力：

由歐拉臨界應力：

壓桿維持直線平衡無彎曲屈曲。

2.4 鋼棧橋穩定性驗算

在洪水期不允許任何車輛在橋上行走或作業，因此只驗算棧橋在自重作用下的抗洪穩定性。按洪水期橋位段水流的最大流速為V=4.5 m/s，全橋鋼管樁的平均樁長L=18 m，最高洪水水位取鋼管樁頂面標高，由于鋼管樁以振動形式進入河床覆蓋層，以達到鋼管樁錨固和抗洪水沖刷的作用。21 m跨鋼橋自重為458.234 kN，單根管樁荷載為458.234/3=152.745 kN，每根63×10 mm鋼管樁(L=18 m)自重27.522 kN。

為提高棧橋抗傾覆穩定性，單排鋼管樁均為錨固鋼管樁，取單根錨固長度2 m，其中入巖2 m，側摩阻力標準值取100 kPa樁抗拔力為：

2×(π×0.63×100)=395.64 kN

阻水高度取為18 m。

流水對單根管樁的作用力根據橋涵設計規范水壓力公式計算如下：

Fw=KAγV2/(2g)=91.854kN

每個支撐墩的水流阻力：

ΣFD=3×91.854=275.562 kN

流水合力作用點為水面以下1/3位置處。對1#點做彎矩計算，棧橋在自重作用下的抗洪穩定性計算如圖3所示。

圖3 棧橋自重抗洪穩定性計算示意圖

MA(平衡)= (152.745+27.522+395.64)×2×2.5+(152.745+27.522+395.64)×2.5=4 319.303 kN·m

MA(傾覆)=275.562×12=3 306.744 kN·m

MA(平衡>MA(傾覆)，且MA(平衡)/MA(傾覆)=1.306，安全儲備滿足要求，同時在鋼管樁根部澆筑2 m高混凝土，使同排鋼管樁形成整體，可進一步提高棧橋的穩定性，故棧橋的穩定性滿足要求。

3 結語

通過前述的承載能力、撓度變形、穩定性計算結果顯示，采取合理的布置跨徑，以及墩柱采用群柱形式，即3排間距為1.5 m的群柱式墩，可以合理降低每跨的正彎矩，提高橋跨結構的承載能力。同時，下部構造基礎采用沖孔灌注樁插打入鋼管柱，可以大大提高墩柱的嵌固力，加上鋼管柱間設置的縱橫向系梁，剪刀撐，可以保證墩柱結構的穩定性，使得墩柱自由端長度達到20 m時仍能保證其安全使用。本設計可為有類似通航要求的高墩柱及大跨度的鋼棧橋設計提供參考。