深水區(qū)鋼棧橋設(shè)計(jì)與施工方法

季曉歌，裴 強(qiáng) ，吳海海

（1.山東高速股份有限公司，山東 濟(jì)南 250002；2.山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250002；3.中交路橋建設(shè)有限公司，北京 100027）

引言

在工程建設(shè)中，為了運(yùn)輸材料、設(shè)備和人員通行，通常會(huì)修建臨時(shí)棧橋。作為一種較為特殊的橋型，棧橋應(yīng)具有承載力強(qiáng)、施工簡便、易于拆除以及可重復(fù)利用等特性[1]。大多數(shù)棧橋采用便于工廠化預(yù)制的結(jié)構(gòu)形式，如桁架結(jié)構(gòu)和鋼箱梁等，而其下部結(jié)構(gòu)基于相同考慮一般采用鋼管樁。在工程實(shí)踐中，鋼棧橋的破壞往往是由于下部失穩(wěn)導(dǎo)致的，即在流水壓力作用下，由于側(cè)向穩(wěn)定性不足導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體傾覆或滑移，隨著河道水深的加深，河水流速的增大，鋼棧橋出現(xiàn)失穩(wěn)破壞的風(fēng)險(xiǎn)就越大。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)和施工中，需要根據(jù)實(shí)際水深，選擇合適的流速進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)，以保證鋼棧橋在安全性和經(jīng)濟(jì)性上的統(tǒng)一。

1 鋼棧橋設(shè)計(jì)

1.1 棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

四川天府新區(qū)至邛崍高速公路在跨越南河處設(shè)置高架橋，施工時(shí)需從岸邊搭設(shè)鋼棧橋至墩臺處，以便施工水中墩臺。借助有限元分析軟件Midas/Civil對該處鋼棧橋進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。棧橋跨徑組合為25×12 m，寬度9.0 m。基礎(chǔ)采用Φ820×10 mm 鋼管樁，鋼管樁之間設(shè)置［20槽鋼平聯(lián)和斜撐，樁頂橫梁為2I45 a工字鋼，其上為5組貝雷梁，每組2片。各組貝雷桁架之間采用［8槽鋼作為支撐架。貝雷梁節(jié)點(diǎn)上鋪I 25 b 橫向分配梁，與貝雷梁栓接，橋面采用6 mm厚花紋鋼板。棧橋欄桿采用Φ48 mm鋼管，高度120 cm。棧橋立面、橫斷面布置見圖1、圖2。

圖1 鋼棧橋立面布置/cm

圖2 鋼棧橋橫斷面布置/cm

1.2 荷載及工況

1.2.1 設(shè)計(jì)荷載

（1）結(jié)構(gòu)自重。分析時(shí)由軟件自動(dòng)計(jì)入。（2）80 t履帶吊。根據(jù)現(xiàn)場施工實(shí)際使用的履帶吊取值，整機(jī)自重80 t，履帶寬0.8 m，長5.4 m，兩側(cè)履帶間距4.2 m，加載時(shí)計(jì)入沖擊系數(shù)。（3）60 t混凝土罐車。根據(jù)現(xiàn)場施工實(shí)際使用的混凝土罐車取值，滿載混凝土罐車總重量60 t，軸距為（3.225+1.35）m，輪距1.8 m，軸重為(120+234+234) kN，加載時(shí)計(jì)入沖擊系數(shù)。（4）流水壓力。鋼管樁的水流壓力按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）[3]第4.3.9條規(guī)定計(jì)算，其中河水流速參考當(dāng)?shù)厮馁Y料取值。（5）風(fēng)荷載。按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[3]（JTG D60—2015）第4.3.8條規(guī)定計(jì)算。

1.2.2 荷載工況

（1）工況Ⅰ。80 t履帶吊行走狀態(tài)：結(jié)構(gòu)自重+履帶吊行走+流水壓力+風(fēng)荷載，分偏載及中載兩個(gè)子工況。（2）工況Ⅱ。60 t混凝土罐車往返行駛：結(jié)構(gòu)自重+滿載罐車行駛+流水壓力+風(fēng)荷載。

1.3 棧橋分析計(jì)算

1.3.1 計(jì)算模型

選取水深最深處的一跨鋼棧橋作為計(jì)算對象，利用 Midas/Civil 建立棧橋有限元模型，除支撐架用桁架單元模擬、橋面板用板單元模擬之外，鋼管樁、樁頂橫梁、貝雷片、分配梁等均采用一般梁單元建立，支撐采用桁架單元模擬，鋼管樁樁底為固結(jié)約束，鋼管樁、樁頂橫梁、貝雷片、分配梁之間分別采用彈性連接的形式。計(jì)算模型見圖3。

圖3 鋼棧橋總體模型

1.3.2 結(jié)果分析

（1）應(yīng)力分析

鋼棧橋的貝雷梁、分配梁和樁頂橫梁等主要受力構(gòu)件在荷載作用下主要產(chǎn)生彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力，各工況具體計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果/MPa

由表1可知：①貝雷梁最大彎應(yīng)力152.5 MPa， 小于Q345鋼材的規(guī)范容許值305 MPa；最大剪應(yīng)力148.6 MPa[4]，小于Q345鋼材的規(guī)范容許值175 MPa[4]。 ②樁頂橫梁最大彎應(yīng)力50.9 MPa，小于Q235鋼材的規(guī)范容許值215 MPa[4]；最大剪應(yīng)力34.8 MPa，小于Q235鋼材的規(guī)范容許值125 MPa[4]。③分配梁最大彎應(yīng)力109.8 MPa，小于Q235鋼材的規(guī)范容許值 215 MPa[4]；最大剪應(yīng)力34.2 MPa，小于Q235鋼材的規(guī)范容許值125 MPa[4]。綜上，鋼棧橋的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求[4]。

（2）撓度分析

鋼棧橋在車輛荷載作用下會(huì)產(chǎn)生豎向變形，豎向變形的大小直接影響車輛行駛的安全性與舒適性。變形過大對車輛的行駛極為不利，容易造成車輛的傾覆，引發(fā)重大工程事故。《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）[5]對鋼橋的變形做了相關(guān)規(guī)定，以保證結(jié)構(gòu)的正常工作，簡支梁的變形一般不得超過跨度的1/500，最大撓度計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 撓度計(jì)算結(jié)果/mm

從表2可知，最大撓度發(fā)生在跨中處，工況Ⅰ、工況Ⅱ的最大的變形分別為13.07 mm和12.48 mm。鋼棧橋跨徑為12 m，最大容許豎向變形為24 mm[5]，工況Ⅰ、Ⅱ的變形均小于規(guī)范容許值。故棧橋的剛度滿足規(guī)范[4]要求。

（3）鋼管樁分析

本橋的基礎(chǔ)形式為鋼管柱，鋼管樁除作為軸心受壓構(gòu)件，承受橫梁傳來的壓力并將其傳遞到持力土層之外，還在水平方向承受了流水壓力。故在設(shè)計(jì)時(shí)還需對其水平方向的應(yīng)力和變形進(jìn)行驗(yàn)算，避免出現(xiàn)橫橋向失穩(wěn)。本橋鋼管樁最大自由長度為18 m， 最大反力為553.9 kN。鋼管樁在上部荷載和流水壓力共同作用下的最不利工況下應(yīng)力和變形計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 鋼管樁計(jì)算結(jié)果

①從鋼管樁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果看出，其最大水平向彎應(yīng)力為152.2 MPa，最大組合彎應(yīng)力為158.6 MPa， 均小于Q235鋼材的規(guī)范容許值215 MPa，故鋼管樁的強(qiáng)度滿足要求[4]。②從鋼管樁變形看出，其水平向最大變形為29.10 mm，小于規(guī)范容許值 36 mm，故鋼管樁的剛度滿足要求[4]。

2 鋼棧橋施工

2.1 施工工藝及流程

貝雷棧橋施工采用80 t履帶吊，并配合DZJ120型振樁錘施打鋼管樁完成下部結(jié)構(gòu)的主體施工，上部結(jié)構(gòu)材料用平板車通過便道和搭設(shè)完成的棧橋運(yùn)至現(xiàn)場后，利用80 t履帶吊吊裝，逐跨向前推進(jìn)。

2.2 下部結(jié)構(gòu)施工

2.2.1 鋼管樁施工

鋼棧橋由履帶吊配合振動(dòng)錘振動(dòng)沉樁，振動(dòng)錘采用DZJ-120錘，其激振力為823 kN，滿足本棧橋沉樁要求；沉樁施工時(shí)，履帶吊最大吊重為振動(dòng)錘，共8.5 t，最大吊幅為15 m。

正式打樁前，先進(jìn)行試打樁以確定標(biāo)準(zhǔn)貫入度及其他技術(shù)參數(shù)。正式打樁時(shí)，首先定出樁位，利用履帶吊將導(dǎo)向架放至樁位處，起吊鋼管樁，定位后復(fù)測導(dǎo)向架位置及垂直度，滿足要求后方可施工。鋼管樁接近設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)現(xiàn)場技術(shù)管理人員記錄計(jì)算樁長和貫入度，直至滿足設(shè)計(jì)要求為止。

2.2.2 平聯(lián)及斜撐施工

平聯(lián)和斜撐采用逐跨施工法，履帶吊停靠在已搭設(shè)好的棧橋上，人工配合履帶吊進(jìn)行吊裝作業(yè)。斜撐和平聯(lián)全部滿焊連接，焊縫厚度不得小于母材厚度，兩道斜撐交叉點(diǎn)焊接為一整體。

2.3 上部結(jié)構(gòu)施工

2.3.1 承重梁和貝雷梁施工

主梁承重梁采用貝雷梁，在架設(shè)前先根據(jù)設(shè)計(jì)跨徑提前在加工場地拼接成型，由掛車運(yùn)至現(xiàn)場后使用履帶吊安裝。貝雷梁在岸上組拼連成整體，運(yùn)至施工現(xiàn)場后人工配合履帶吊起吊安裝。

（1）貝雷梁通過［10槽鋼與分配梁連接成整體，橫向限位為1.3 m的［10槽鋼，縱向限位采用通長［10槽鋼，與貝雷梁平行。限位和分配梁之間滿焊，角焊縫厚度≥8 mm。（2）貝雷梁底部限位同樣采用［10槽鋼做成的限位裝置將貝雷梁和承重梁連成整體，限位和承重梁之間滿焊，角焊縫厚度≥8 mm。（3）貝雷棧橋分配梁采用I25b工字鋼，間距約為75 cm，分配梁通過［10槽鋼與貝雷梁連接成整體，棧橋分配梁按照設(shè)計(jì)間距擺放完成后及時(shí)焊接限位裝置。

2.3.3 橋面板施工

面板全部采用[20a槽鋼反扣形成橋面，鋪設(shè)方向?yàn)榭v橋向，槽鋼與分配梁之間滿焊焊接，連接焊縫≥10 mm。為便于分配梁和槽鋼焊接施工，相鄰兩塊面板之間預(yù)留2 cm空隙。

3 結(jié)語

（1）以一座深水區(qū)棧橋?yàn)橐劳泄こ蹋鶕?jù)實(shí)際情況選取設(shè)計(jì)參數(shù)，對其進(jìn)行計(jì)算并與規(guī)范進(jìn)行對照分析，結(jié)果表明該棧橋選用的結(jié)構(gòu)形式合理、鋼材型號適當(dāng)，強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均滿足要求[2-5]。（2）介紹了該棧橋上下部結(jié)構(gòu)的施工流程及方法，已施工完畢的棧橋在汛期中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性與安全性，在高架橋施工中起到重要作用。