復雜水域曲線重型鋼棧橋設計與施工技術研究

孫金烈 李小鵬

（中鐵二十二局集團第三工程有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

隨著橋梁建設的快速發展，在復雜水域中，考慮到結構施工和環境保護等方面，需要搭設水上臨時鋼棧橋，作為施工材料、機械設備和施工人員的主通道。鋼棧橋的形式多樣，其中組合式貝雷鋼棧橋由于具有承載高、自重輕、安全性高、材料可回收利用等優點，被廣泛應用于水域橋梁的施工中。

1 工程概況

1.1 項目概況

紹興某智慧快速路是紹興“六縱八橫”快速路網的重要組成部分。工程采用“高架主線+地面輔道”的建設形勢。該工程含1座由8條匝道組成的上、下五層互通立交，匝道最小半徑為150 m，匝道總長約5.5 km。其中SW27、SW28、SW29、SW30、SW33、SW34、WS1、WS2、WS3、WS4、WS5、NW04、NW05、NW06、NW07、NW08等現澆橋墩位于水域中。

擬建場地屬蕭紹濱海相沉積平原地貌單元，上部為新近堆積的填土、湖沼相沉積的黏性土層和海相沉積的淤泥質軟土層，中、下部為沖湖相、河潮相沉積的黏性土層及砂層，下伏基巖為白量紀下統殼山組（K1k）凝灰巖。

擬建場地100年一遇水位為+5.17 m（黃海高程），50年一遇水位為+5.14 m （黃海高程），20年一遇水位為+4.99 m（黃海高程），10年一遇水位為+4.89 m（黃海高程）。周圍河水與地下潛水為互補關系。

1.2 重型鋼棧橋概況

共設計重型鋼棧橋兩座，橋面凈寬8.0 m，NW4#-NW8#墩鋼棧橋長171 m，NE12#-NE14#墩鋼棧橋長99m，棧橋跨徑為（5.25+6+6+5.25）m，橋面標高為+7.008 m，鋼棧橋每四跨設置一處3 m制動墩。

重型鋼棧橋設計荷載195 t。

鋼棧橋主要用于橋梁施工，主要有橋梁下部結構（基樁、承臺、現澆立柱）、橋梁上部結構（現澆混凝土箱梁、鋼箱梁）以及橋面鋪裝等施工。施工期間重型鋼棧橋供材料運輸、混凝土澆筑以及履帶式起重機起吊鋼箱梁等。

2 重型鋼棧橋設計

2.1 主要技術標準

設計荷載，公路－I級荷載；控制荷載，重型鋼棧橋設計荷載195 t（160 t履帶吊+35 t鋼箱梁）。

2.2 重型鋼棧橋結構

鋼棧橋基礎采用直徑為630 mm、壁厚10 mm的鋼管樁布置，棧橋縱向6 m設置一排臨時支墩，每排支墩橫向設置6根鋼管樁，鋼管間橫向間距為（1.4+1.6+1.3+1.6+1.4）m，鋼管樁間采用[20#槽鋼作為棧橋橫向平聯及斜綴，如圖1所示。縱向管樁標準跨徑為6 m，遇鋼棧橋中部存在曲線時，將非標準跨徑設置在制動墩兩側，當鋼管樁軸線不在貝雷梁0、1/2、1處則需要增加加強豎桿，制動墩每四跨設置一處，縱向制動墩鋼管間距3 m，如圖2所示。

圖1 重型鋼棧橋橫向布置設計圖（單位：cm）

圖2 重型鋼棧橋縱向布置設計圖

鋼管樁頂設750mm×750mm×20mm鋼板頂帽，頂帽與鋼管間等間距設置6塊三角形加勁鋼板，鋼板頂承重主橫梁采用雙拼I40#工字鋼，工字鋼與主橫梁間采用鋼板進行限位，放置后期荷載作用下橫梁偏位。

縱向采用“321”型貝雷梁作為主梁，共5組10片，貝雷片間采用標準0.9 m花窗作為單組橫向聯系。貝雷梁間間距為83cm。貝雷梁與橫梁間采用定制U型螺栓呈“八”字形加固。

貝雷梁頂部采用I20工字鋼作為分配梁，分配梁中心間距30 cm，單根長度9.0 m，分配梁與縱向貝雷梁間采用定制U型螺栓呈“八”字形加固。

橋面采用組合式鋼橋面板（主骨架為I12.6工字鋼、面板為5 mm壓花紋鋼板）。棧橋兩側設置鋼護欄，護欄高度為1.2 m、立柱每隔2 m設置，兩道欄桿采用Φ48×3.5 mm鋼管，鋼管與立柱間采用鎖扣連接。

2.3 重型鋼棧橋結構計算

強度驗算的荷載組合為1.3恒載+1.5活荷載；剛度及穩定性驗算的荷載組合為1.0恒載+1.0活荷載。

=1.3×（橋面板自重+分配梁自重+貝雷梁自重）+1.3×1.5×[（履帶式起重機荷載 160t+ 鋼箱梁分段重 35t）/履帶寬]（考慮汽車沖擊系數1.3）

=1.0×（橋面板自重+分配梁自重+貝雷梁自重）+1.3×1.0×[（履帶式起重機荷載 160t+ 鋼箱梁分段重 35t）/履帶寬]（考慮汽車沖擊系數1.3）

本鋼棧橋前期主要供下部結構基樁、現澆立柱施工期間混凝土澆筑、材料運輸，由于下部結構施工期間鋼棧橋所受荷載較小，僅考慮上部結構鋼箱梁履帶式起重機吊裝施工期間鋼棧橋工況分析。

根據履帶式起重機型號參數對應履帶長、寬，通過電腦制圖軟件進行工況輔助模擬，可知本重型棧橋結構受力主要有以下2種施工工況：工況一，為履帶式起重機履帶作用于一排臨時支墩上，如圖3所示；工況二，為履帶式起重機履帶作用于兩排臨時支墩上，如圖4所示。

由上述2個工況分析圖可知，工況一（圖3）中所有荷載均作用于單排鋼管樁上，工況二（圖4）中所有荷載作用于兩排鋼管樁上，由此可見，當所有荷載均作用于單排鋼管樁上時，工況一（圖3）為最不利工況，因此針對工況一進行鋼棧橋受力荷載分析。

圖3 工況一（單位：cm）

圖4 工況二（單位：cm）

根據荷載標準組合，鋼棧橋所受組合荷載=525.632 kN/m，運用結構力學求解軟件計算得工況一最大支反力為3669.6 kN，計算時取3670 kN，該重型鋼棧橋由10片貝雷梁組成，計算時簡化計算，按每片貝雷受力367 kN均等考慮。

運用力學求解軟件模擬貝雷梁荷載作用雙拼I40工字鋼主橫梁上，從而驗證主橫梁強度、剛度，計算棧橋鋼管樁最大受力等，貝雷梁作用于雙拼I40主橫梁受力模型如圖5所示。

圖5 橫梁受力模型（長度單位：m；荷載單位：kN）

由上模型通過力學求解軟件計算，當重型鋼棧橋處于最不利狀態下單排單根鋼管樁的最大支反力為555.6 kN。

該重型鋼棧橋基樁按摩擦樁考慮設計。承載力計算考慮樁外側土對鋼管的摩阻力和考慮樁端土承載力，根據根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG 3363—2019）和《路橋施工計算手冊》，摩擦樁單樁承載力計算公式如下。

式中：[]為單樁垂直極限承載力設計值，kN；為樁的有效長度，m；τ為樁壁土的平均摩阻力，kPa；為樁身截面周長，m；σ為樁底持力層土的極限承載力標準值，kPa，不預計算；為樁底截面面積。

樁身周長=2π=1.978 m。

根據地勘資料，橋址區域內的地質從河床面由上而下的分布情況主要為素填土、粉質黏土、黏質粉土、粉質黏土，各土層的分布情況、層厚及物理特性見表1。

表1 棧橋橋位處地質勘察資料

振動錘的振動力，應能克服樁在下沉中土的摩阻力（＞）；振動錘系統的總質量大于振沉構件的動端阻力；振動錘系統的工作振幅大于振沉構件到要求深度所需最小振幅。

式中：為土單位面積的動摩阻力，kPa/m，=65 kPa/m；為樁的周邊長度，m；為樁的入土深度，m；為樁沉入深度土層的最大標準貫入擊數，次；為樁的橫截面面積，cm；e為自然對數。

通過理論計算及現場單樁錨固試驗，選擇符合沉樁要求激振力的振動錘。綜上所述，DZJ-90型振動錘滿足棧橋施工使用要求。

3 重型曲線棧橋施工

3.1 施工流程

施工準備→測量放樣→“釣魚法”施工鋼管樁→安裝樁間平聯、斜綴→安裝樁頂樁帽及承重雙拼I40工字鋼橫梁→安裝“321”貝雷縱梁→安裝I20工字鋼分配梁→安裝標準軍用橋面板→安裝欄桿→進入下一循環。

3.2 原材料準備

進場原材料須要求廠家提供質量保證書和產品合格證及相關檢驗、試驗報告。所用鋼管樁等鋼制件在進場前應嚴格復檢壁厚、管徑，檢查是否為翻新管等。現場材料堆放應按場布進行堆放，堆放時不得超過1.5m、離周圍施工基坑間距不小于2m，鋼管間采用木楔塞緊，防止鋼管樁受擾動產生滾動，造成人身財產損失。

3.3 “釣魚法”鋼管樁施工

鋼棧橋鋼管樁的施打采用“釣魚法”，即在部分已施工完成的鋼棧橋橋面上，使用履帶吊逐跨前進，振動捶打鋼管樁。每跨鋼管樁施工完成后，架設承重結構體系和橋面系，然后履帶式起重機向前移動，進行下一跨的施工。該工程采用75t履帶式起重機攜帶DZJ－90型號振動錘進行鋼管樁的水下施工。在已經架設好的棧橋上，將1組長度為12 m的貝雷梁懸挑架設起來，在端頭安裝臨時導向定位架，由測量班使用測量儀器準確放樣，準確定出鋼管樁所在的位置。將鋼管樁吊入定位架內，利用全站儀把控鋼管樁的偏移距離和垂直誤差，對鋼管樁入土深度進行控制，最后由現場技術員對鋼管樁插打深度進行校核。

棧橋鋼管樁由履帶吊和振動錘采用“釣魚法”逐排振動下沉，全站儀和經緯儀交匯法控制其平面偏位，用水準儀控制管樁頂標高。根據結構受力計算的結果，棧橋在工作狀態下單樁承載力為555.6 kN，現場施工時存在不可控因素，實際施工按單樁承載力為600 kN進行控制。樁位平面位置控制在±50 mm內，樁頂高程偏差為±30mm。當鋼管樁在振動下沉過程中貫入深度與理論相差較大，應按現場實際進行控制。

鋼管樁插打施工完成后，進行鋼管樁間平聯和剪刀撐的安裝。用[20槽鋼進行鋼管樁間的平聯，采用焊接的方式進行連接，槽鋼與鋼管樁必須滿焊。考慮到鋼管樁插打過程中存在一定誤差，在平聯時，須根據實際量測樁間距進行下料。在對槽鋼進行加工前，一定要進行除銹處理，以保證槽鋼表面清潔干凈無污染。

在平聯施工過程中，測量班組放樣牛腿的準確位置，施工班組進行焊接處理。插打鋼管樁會造成水平位移誤差，導致實際牛腿的部位與設計的部位不能吻合。因此，應該采取補強措施，以保證鋼棧橋的施工質量。

樁頂主橫梁采用雙拼I40a#工字鋼。在施工時，應根據工字鋼的尺寸和規格，提前在加工廠加工成品。在鋼管樁插打操作完成后，進行樁頂橫梁的吊裝作業和加固作業。在加工過程中，一定注意精確標記好加勁焊板的位置。如果牛腿與樁頂橫梁未能密貼在一起，為了使樁頂橫梁更加牢固，可在間隙處堵塞相同厚度的鋼板，進行平整度調節。

當雙拼I40工字鋼主橫梁安裝完成后，采用75t履帶式起重機將拼裝完成的貝雷梁按放樣位置準確放置于主橫梁上。首先，棧橋施工班組在加現場拼裝好貝雷梁，貝雷梁拼裝完成后由專業監理進行試拼驗收，貝雷梁試拼驗收完成后，進行后續貝雷梁拼裝。拼裝完成的貝雷梁通過輪式起重機將其吊至拖車上運輸至棧橋施工現場，用75t履帶式起重機將每組貝雷梁架設、安放于樁頂雙拼I40主橫梁上。根據前期放樣調好貝雷梁位置后，加裝限位裝置，將貝雷梁與樁頂主橫梁進行限位固定。為防止貝雷梁橫向失穩，為提高貝雷梁橫向失穩能力，每組貝雷梁通過貝雷梁花窗連接加固，在每兩組貝雷梁間進行角鋼斜支撐加固，以加強橫橋向連接剛度，防止后期橋梁上部結構安裝過程中起重設備重心移動造成鋼棧橋橫向失穩。

按間距0.3 m 鋪設縱向I20#分配梁，并采用“U”形螺栓把縱向分配梁與貝雷梁緊固在一起。施工班組根據設計圖紙調整間距后，對每根縱向分配梁進行刷漆防銹處理。棧橋使用過程中，安排專人對“U”形螺栓進行定期的養護和檢查，以避免因荷載承重和機械振動產生松動，出現螺栓脫落的現象。

重型鋼棧橋橋面板采用2×4m成品橋面板，橋面板采用25 t輪式起重機進行安裝，橋面板調整由人工完成，調整完成后通過專用緊固環將橋面板與縱向分配梁連接在一起。鋼棧橋外側護欄扶手采用φ48×3.5 mm鋼管，每側設置上、下2道。護欄立桿為高度1.2 m，上、下兩道欄桿高度不超過0.6 m，欄桿高度不低于1.2 m。棧橋兩頭設置限速、限載標志，棧橋每隔10 m設置一盞施工照明、兩側每隔10m放置救生衣、求生圈等救生器材。棧橋頂部欄桿設置安全冷光源燈帶，起到棧橋輪廓照明作用。

4 結語

該項目通過貝雷梁式鋼棧橋，節約成本，提高了施工效率，減少了施工安全風險。該工程對復雜水域曲線重型鋼棧橋的成功應用可以為公司后續類似工程提供寶貴經驗。