烏干達沼澤區鋼棧橋受力分析與施工技術研究

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有限公司 北京 100024; 2.武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

沼澤化濕地在東非地區分布廣泛，由于長時間淤積，易形成沼澤性濕地軟土或軟黏土。該土質摩阻力小，承載能力差，且通常帶有腐蝕性[]。鋼棧橋作為水上施工平臺，為陸地車輛通行及橋梁施工過程中的材料運輸提供便利，具有承載力大、施工便捷、拆除方便、可重復利用等優點，目前已廣泛應用于橋梁、大壩及港口碼頭等實際工程中[2-5]。近年來，國內不少專家學者對鋼棧橋在強震作用、風浪耦合作用，以及復雜地質等環境下的結構響應和施工技術進行了報道[6-8]，但對鋼棧橋在沼澤地質環境下的受力分析與施工工藝方面的研究較為少見。本文以烏干達共和國坎帕拉市(Kampala)至恩德培(Entebble)機場高速公路項目中某貝雷梁鋼棧橋工程為背景，采用midas Civil軟件對該鋼棧橋進行受力分析，并對其施工方案進行闡述，以期為今后東非地區沼澤濕地地質下的類似工程建設提供參考。

1 工程情況

1.1 工程概況

烏干達共和國坎帕拉市至恩德培機場高速公路項目，簡稱“KE”項目，全長51 km，其中主線長37.2 km，支線長14.1 km。由于主線橋在施工過程中需要跨越Nambigiwa沼澤區，而鄰近橋位部分無橋梁跨越，因此項目采用架設1座鋼棧橋作為樁基施工提供平臺、材料運輸的通道。

1.2 工程地質條件

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。現場勘察和鉆探結果表明，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，腐殖質含量高達80%～100%；②軟塑狀土，厚度約為2～2.5 m，以粉質黏土為主；③硬塑的粉質黏土，含粗砂，多以透鏡體的形式出現，密實度較高，屬中密-密實級。橋梁范圍內鉆孔主要成份為水，腐殖質土，黏土，粉砂，中砂等摩阻力和承載力較差的土質，部分樁端為中風化或強風化片麻巖，黑白相雜，可見風化后的基巖顏色變淺，巖芯呈碎石狀，局部段落呈短柱狀。

2 鋼棧橋計算

2.1 棧橋結構形式

棧橋兩側用紅土粒料填筑便道，全長435 m。樁基施工平臺分布在棧橋兩側，左、右兩幅各搭設8個平臺。棧橋橋墩基礎采用外徑600 mm、壁厚6 mm的鋼管樁，每墩設置2根鋼管樁，橫向鋼管樁中心間距4.235 m，縱向設置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。蓋梁定面兩側分別布置3片間距0.45 m貝雷梁，兩貝雷梁間每3 m設置1道支撐片，貝雷梁上設置I28b工字鋼，間距1.5 m。橋面板采用U形標準橋面鋼板，采用2×1.05和4×0.93形式拼接，每段縱向長度為3 m。鋼棧橋具體設計參數見表1。

表1 鋼棧橋設計參數及基本數據

2.2 計算過程與結果分析

采用midas Civil 2012軟件對鋼棧橋進行三維空間有限元計算分析，選取一聯75 m作為計算模型，計算模型和計算工況分別見圖1和表2。

圖1 鋼棧橋計算模型

表2 鋼棧橋計算工況

各工況計算應力和支點反力結果見圖2～圖5，鋼棧橋在工況3、4下的計算結果見表3。有限元計算結果表明：①鋼棧橋處于偏載(工況3、4)下為不利情況；②計算貝雷弦桿最大應力均位于貝雷節點(321.6 MPa)和I28b型鋼節點(256.6 MPa)，但考慮到實際接觸為面接觸，且該處為貝雷銷接加強處，實際應力小于計算值，除去該點外，貝雷上下弦桿最大應力在-180.4～138.2 MPa范圍內(工況3)，小于16 Mn鋼許用應力(273 MPa)；③工況4中I28b型鋼最大應力達256.6 MPa，在實際運營使用過程中，應在護欄底往中心線方向布置一定的防偏結構，例如焊接一定的倒鉤槽鋼，使運營車輛不過分偏向一側。

圖2 工況1計算結果

圖3 工況2計算結果

圖4 工況3計算結果

圖5 工況4計算結果

表3 鋼棧橋計算結果

3 鋼棧橋受力驗算

3.1 計算說明

該棧橋上部構造為裝配式公路鋼橋，每墩柱下部分別設置2根A600 mm(外徑)鋼管樁基礎，鋼管壁厚為6 mm，鋼管樁縱橫向均有水平構件連接，主要對以下2點進行驗算：①鋼管樁基礎的自身強度、穩定性及承載能力；②主橋加強貝雷梁的強度。

3.2 荷載確定及計算

根據實際使用情況，橋面荷載主要為鋼棧橋使用中汽-20荷載和架設時履帶吊荷載。其中，汽-20荷載根據JTJ 021-89《公路橋涵設計通用規范》確定，履帶吊自重500 kN，吊帶重100 kN，計算取值600 kN。鋼材彈性模量Es=2.1×105MPa，16 Mn鋼材許用應力[σ]=273 MPa，[τ]=208 MPa。主要構件荷載計算見表4，當履帶吊居中行駛時，橫向分配系數取0.5。

表4 主要構件荷載計算 kN

3.3 鋼管承載力、穩定性驗算

3.3.1承載力驗算

本聯共26根樁，每個樁所承受的荷載為：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，工作狀態下最大的正應力(安全系數取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部強度。

3.3.2穩定性驗算

根據鋼管樁的承載力以及當地地質情況，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，鋼管樁總長度為16 m。通過計算可知：鋼管換算截面回轉半徑i=210.1 mm，長細比為22.3，立桿穩定系數φ為1.0，則鋼管穩定承載力容許最大值Nmax=φ×A×f=1 791.5 kN。其中：f=160 MPa。鋼管樁穩定性滿足要求。

3.4 棧橋縱橫向工字鋼驗算

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，可不作驗算。

橫向I28b型工字鋼驗算。考慮車輛荷載非集中荷載，后輪軸重如達到6 500 kN時為雙橋或三橋，按橋梁設計規范中，雙橋車輛兩軸間距為1.4 m，按照后輪軸重500 kN汽車考慮縱梁上單個輪承載力為125.0 kN，車輪橫向間距按2.3 m計算。通過計算可得，最大彎矩M為221.88 kN·m，最大剪力Q為125 kN，則最大正應力、剪應力以及撓度分別為

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

各項指標均滿足要求。

3.5 主跨貝雷梁強度驗算

根據《裝配式公路鋼橋手冊》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

首先采用震動錘依次對鋼管樁進行打設，然后采用吊車對現場拼裝完成的貝雷梁進行架設，最后安裝橋面梁系。

4.2 施工工藝流程

棧橋施工工藝流程：棧橋設計→方案制定→設備材料進場→施工放樣→鋼樁插打→焊接剪刀撐→蓋梁安裝→棧橋組拼成型→汽車吊車安裝就位→棧橋精確就位。

1) 測量放線。根據圖紙在主橋旁邊放出棧橋中軸線，并根據岸基情況，定出棧橋的起始樁位。

2) 樁體質量檢查。施工前檢查樁體本身是否有裂痕，是否已彎曲變形，表面有無嚴重的銹蝕和割焊受傷現象，其壁厚應當滿足設計要求，對于存在缺陷的樁體禁止使用。

3) 場地。場地平整，便道應具有一定的承載力與水平度，以保證機械的垂直穩定和移動，以及鋼管樁、蓋梁的順利焊接。

4) 下部結構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個部分。

打樁。鋼管樁采用DZ35震動打樁錘依次打入。用浮吊將其豎直吊起，對準樁位放下。對準好樁位后，用履帶吊吊起液壓錘，液壓夾頭夾住鋼管樁，初步檢驗樁體縱橫方向垂直度，并在鋼棧橋上設置導向裝置，確保樁體在錘擊過程中始終保持垂直。符合要求后，開動錘將樁打入沼澤土中。當樁底遇到硬物時，樁位易打偏或不垂直，應及時清理調整后再施打。

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，保證縱橫向穩定并防止出現不均勻下沉。各支撐型鋼與鋼管樁連接處采用滿焊，確保焊縫質量。

蓋梁施工。打設好鋼管樁后，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。貝雷主梁在營地空曠場地內拼裝，下面墊枕木，用桁架銷子相互連接接長。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，桁架銷子穿到位后必須插好保險銷。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

1) 鋼管樁打入時需按照設計要求達到入土深度，錘樁終止控制應嚴格遵守相關規范規程；若不能打入設計深度，應及時通知工程部，分析原因后采取相應措施，可臨時增加1排鋼管作為加強和止推墩。

2) 鋼管樁施打完成后，應立即進行鋼管樁橫向連接、焊接剪刀撐及鋼管平聯，夜間作業時應提前安裝照明設施。

3) 所有鋼結構的焊接，包括鋼管樁節段焊接、型鋼焊接，以及各個連接件的焊接都必須在監理及相關質檢人員的監督下進行合格檢驗。

4) 若受到大風等自然災害襲擊，應盡早撤離所有施工機械和作業人員到安全區域，已經施工完成的區域應采取相應措施保證安全過渡。

5) 貝雷梁支點處必須采用一定措施加強，未加強前履帶吊不能前行作業。

4.4 質量保證措施

嚴格要求管理、技術和現場施工人員執行各級技術檢驗復核制度；加強施工現場技術管理并落實各項技術管理制度，保證工程質量；現場派專人巡查，嚴格控制施工質量，確保施工按照設計意圖進行；鋼管樁、型鋼、貝雷片使用前，必須經檢查驗收，如有質量不符合要求的不得使用；嚴格按照規范施工，實行全面質量管理；所用儀器必須檢測合格，并定期檢查。

4.5 安全管理措施

構件吊裝和安裝須遵守相關安全操作技術規程，水上作業人員須配備安全帽、救生衣、防滑膠鞋、安全帶等安全防護用品；遇大風天氣時停止一切水上作業，所有棧橋上的設施應采取有效措施保護和固定；便道路口設置限載牌(限載500 kN)和限速牌(限速5 km/h)，并安排專人看護以保證限載限速嚴格執行；加強對全橋沉降、偏位進行記錄，觀測的同時對全橋拼裝點、焊點焊縫及各型材檢查一次，如發現關鍵焊點焊縫生銹老化、關鍵型材明顯形變，需臨時封閉交通，采取補強措施。

4.6 環境保護措施

施工區域始終保持良好排水狀態，保護原有植被，盡量減少對周圍綠化產生影響和破壞，防止雨季洪水沖刷耕地、植被造成水土流失；開挖或填筑的土質路基邊坡應及時采取防護措施，及時對棄方進行壓實，并在其表面進行植被覆蓋，種植草皮、灌木或樹木；施工時應結合地形，做好臨時排水及植樹種草等綠化工作；油料等避免堆放在沼澤附近，并采取措施，防止雨水沖刷進入水體；出入現場的機械和車輛做到不鳴笛、不急剎車，并對施工無關人員和車輛加以控制，避免或減少噪音。

5 結語

東非沼澤濕地區，地質情況差，橋梁工程施工難度大。本文以烏干達共和國坎帕拉市(Kampala)至恩德培(Entebble)機場高速公路項目中某貝雷梁鋼棧橋工程為背景，根據當地地質條件及棧橋實際使用情況確定棧橋荷載組合，并采用midas Civil有限元軟件對該鋼棧橋進行受力分析。在此基礎上制定了鋼棧橋的施工方案，并對棧橋施工注意事項及施工過程中的質量保證、安全管理和環境保護等措施進行了闡述，可為今后在烏干達等東非沼澤地區進行類似重要臨時工程的建設提供參考。