山區河流淹沒式鋼棧橋鋼管樁受力性能分析

周 輝，韓 劍

(廣東交通實業投資有限公司,廣州 510623)

1 工程概況

韓江大橋主橋位于韓江河道中，雨季施工受山洪影響大，洪水陡漲陡落，洪水期漂浮物較多、流速大。棧橋設計時結合橋位前4年的每日水位標高及經濟性原則，棧橋上部采用工字鋼主梁，棧橋橋面標高取為38.89m。該標高不被洪水淹沒的保證率為97.44%，扣除洪水前后兩天轉移設備及恢復生產的影響，有效施工保證率為95.84%，滿足工期要求。韓江水位與棧橋設計標高關系見圖1，棧橋淹沒見圖2。

圖1 韓江水位與棧橋設計標高曲線圖2 棧橋淹沒

2 淹沒式棧橋設計

2.1 橫向穩定設計

為解決洪水期水流流速大、漂浮物多，對棧橋整體形成的較大水平沖擊力，采取了以下措施：

(1)根據橋跨所處江面位置間隔性設置雙排樁，形成格構板凳樁，以增強棧橋的橫向及縱向整體穩定性。

(2)利用江中的各墩施工支棧橋和鉆孔平臺，在搭設時同步實施，形成總體結構，間隔性增強棧橋的橫向穩定性。

(3)在靠近河中心位置每排樁設置4根樁，增強橫向抵抗力。

2.2 棧橋結構設計

韓江大橋施工鋼棧橋由主棧橋和支棧橋構成。主棧橋寬8m，標準跨徑9m，間隔3～5跨設置縱向加強樁，兩排樁縱向間距為3m。西側跨徑組合為(9×5m+3m+9×4m+3m+3×(9×3m+3m)+9×4m+3m)；東側跨徑組合為(9×2m+3m+2×(9×3m+3m)+9×4m+3m)，大埔側鋼管樁入土8m，潮州側鋼管樁入土11m。

棧橋樁基采用φ630×10mm鋼管樁，標準斷面每排3根鋼管樁，橫向設置1根加強樁柱，樁間距3m。在常水位以上50cm處采用φ430×6mm鋼管進行橫向連接。下橫梁采用雙肢Ι56型鋼，縱梁邊梁采用三肢Ι56型鋼，中梁采用雙肢Ι56型鋼。縱向間距75cm設置一道上橫梁，采用Ι20型鋼。橋面板由橫向間距30cm的Ι12a型鋼和8mm厚鋼板組成。鋼棧橋加強斷面如圖3所示，標準橫斷面如圖4所示。

圖3 鋼棧橋加強橫斷面

圖4 鋼棧橋標準橫斷面

2.3 邊界條件

鋼管樁采用m法模擬實際樁基的受力情況，設計參數按照有關規定取值，主橫梁與鋼管樁頂部固接，鋼管樁與平聯間為固接，建立模型，縱梁與鋼管頂部為鉸接。

2.4 鋼管樁嵌固點驗算

φ630×10mm 鋼管樁的嵌固點計算公式：

土層為粗砂，式中m取15 000kN/m4，b0=2d，其中d為樁徑，d=0.6m，b0=1.2m，E=2.06×108kN/m2。

嵌固點深度：

Zm=2.2T=2.2×1.56=3.4m

鋼管樁入土深度滿足嵌固點深度要求。

3 鋼管樁抗拔承載力分析

3.1 建立模型

選取大埔側棧橋最不利跨徑(3m+4×9m+3m)作為標準聯進行計算(圖5)，采用空間結構計算程序Midas Civil 2015建立全橋模型(圖6)，對結構進行整體計算分析。本計算根據實際地質資料采用m法模擬實際樁基受力情況，全橋共劃分為654個節點和885個單元。

圖5 標準聯棧橋總體布置

圖6 韓江大橋鋼棧橋全橋模型

3.2 主要材料

棧橋均采用Q235B鋼材，其力學性能見表1。

表1 材料力學性能參數

3.3 地質參數

根據地勘鉆孔XQZK550、XQZK557、XQZK563、XQZK566，西側鋼管樁長度范圍內地質主要以粗砂、卵石為主，東側鋼管樁長度范圍內地質主要以粉質粘土、粗砂、卵石為主。根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》(JTG D63-2007)，各地層計算參數見表2。

表2 樁周土力學性能參數

3.4 設計荷載取值

計算采用的設計參數按照《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)及《港口工程荷載規范》(JTS 144-1-2010)的有關規定取值，其中：

(1)自重。橋面采用8mm厚鋼板，每延米自重5.02kN/m；I12a橫向間距30cm，8m橋寬共計26片工字梁，每延米自重3.64 kN/m；I20a縱向間距75m，每根梁長8.3m，每延米自重2.32kN/m；以上3項自重作用于模型I20橫向上，均布荷載為1.3 kN/m。

表3 縱梁I12水流力參數

水流阻力系數與構件形狀尺寸，片數及水深均有關系。

橋面板縱梁I12共有26片工字梁。26片縱梁I12水流力合計為14.1kN/m。假設I20上橫梁之間雜物填塞，其水流力為：0.5×2.32×1×9×0.2=2.1kN/m。

縱主梁分為三肢I56和雙肢I56主梁。

表4 縱主梁I56水流力參數

三肢邊主梁水流力合計為8.8kN/m，雙肢邊主梁水流力合計為5.1kN/m。

墩柱水流力計算見表5。作用點在頂面以下1/3高度處。

表5 墩柱水流力參數

(3)漂浮物撞擊力。根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)，假設漂浮物自重為10t，撞擊力F=100×3/9.81=30.0kN，假設撞擊力作用于跨中橋墩處。

3.5 計算工況

本次計算分別考慮主棧橋兩種工況：工況1為每排4根樁基；工況2為每排3根樁基。

從表1中看出，第一道氣環的閉口間隙較小，第二道及第三道密封環閉口間隙較大，其原理利用第二、三道密封環較大的閉口間隙將其上部的壓力泄去，增大第一道環的上下壓差，以便活塞頂上的高壓氣體可以輕易地將缸壁上的機油吹下，減少機油的消耗。所以第二、三道環是不會出現閉口間隙過小的問題，下面通過計算來確認第一道環的閉口間隙允許的最小值。

荷載組合考慮基本組合和偶然組合，主要考察棧橋樁基在水流作用下的承載能力。

(1)作用基本組合。即永久作用的設計值效應與可變作用設計值效應相組合，考慮結構重要性系數及各作用效應的分項系數。

(2)作用偶然組合。即永久作用的設計值效應與偶然左右設計值效應相組合，同時考慮與偶然作用同時出現的可變作用。

3.6 樁基軸力分析

基本組合下樁基軸力如圖7～圖8所示。

圖7 工況1基本組合下樁基軸力圖8 工況2基本組合下樁基軸力

偶然組合下樁基軸力如圖9～圖10所示。

圖9 工況1偶然組合下樁基軸力

圖10 工況2偶然組合下樁基軸力

計算結果匯總于表6。

表6 荷載組合下鋼管樁軸力匯總 (單位：kN)

3.7 樁基抗拔承載力計算

根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》第5.3.8條規定，計算結果如表7。

表7 鋼管樁抗拔承載力

由工況1計算結果可知，大埔側樁基樁長應不小于12.5m，潮州側樁基樁長不小于18.2m。

4 棧橋施工注意事項

4.1 設備選型

根據棧橋設計，最大起重量為8.45t，吊幅為9m，鋼管樁最長為17m，考慮到施工安全，選用55t履帶吊進行施工，選用DZ-90型振動錘，最大激振力579kN，能夠滿足施工要求。

4.2 施工測量控制

棧橋施工主要采用履帶吊和振動錘施沉鋼管樁，其鋼管樁定位采用進場校核后的GPS衛星定位系統。鋼管樁垂直度控制采用控制點上2臺儀器對鋼管樁兩個方向的垂直度進行控制，在打入過程中及時進行糾偏。

4.3 鋼管樁施工要點

(1)鋼管樁樁頂高程控制：在鋼管樁沉放過程中，由于振動錘在關閉后會有余振，致使鋼管樁在關閉振動錘后還回繼續下沉，如在鋼管樁施打到設計標高時才關閉振動錘，就會使鋼管樁樁頂高程比設計高程低。為了避免鋼管樁施打過低而影響棧橋的整體高程，應提前關閉振動錘。

(2)鋼管樁偏位控制：在鋼管樁施沉過程中，設計要求鋼管樁平面偏位為±10cm以內；同一排鋼管樁偏位應向同一方向，并且盡量控制鋼管樁偏位，以免下橫梁無法安裝。在主棧橋和支棧橋最后一跨鋼管樁施沉時應比鋼管樁設計位置縮小5cm，以免縱梁無法安裝。

(3)鋼管樁垂直度控制：采用控制點上2臺儀器對鋼管樁兩個方向的垂直度進行控制，在打入過程及接樁過程中及時進行糾偏。

5 結語

(1)山區河流汛期水位暴漲暴落，淹沒式棧橋在滿足施工保證率的前提下降低橋面標高，減少鋼管樁入土深度，具有顯著的經濟效益和社會效益。

(2)在靠近河中心位置棧橋所受水平力較大，在上游方向增設一排輔助樁，可明顯增加鋼棧橋的橫向抵抗力，改善鋼管樁軸向受力。

(3)考慮到沖刷效應，樁基應在滿足承載力的基礎上適當加長或做好相應措施，確保樁基處不發生沖刷。

(4)特大洪水來臨時，洪水位高于淹沒式棧橋橋面標高，大大減輕漂浮物對棧橋的水平沖擊作用及阻水影響，避免了棧橋在特大洪水來臨時需承受水流力與漂浮物的荷載組合作用，提高了鋼棧橋的安全性能。