柳州靜蘭大橋拆橋施工臨時(shí)棧橋方案設(shè)計(jì)

劉金義

(柳州市城市投資建設(shè)發(fā)展有限公司,廣西 柳州 545001)

臨時(shí)棧橋通常具有特殊的服務(wù)功能,一般要求其承載能力大、施工快捷、拆除方便、臨時(shí)性及可重復(fù)利用等特點(diǎn)。目前,它在我國(guó)的橋梁施工、大壩施工等工程中得到了大量應(yīng)用。

棧橋的上部結(jié)構(gòu)形式,理論上可以采用任何結(jié)構(gòu)形式,但出于施工快捷及拆除方便的需要,一般采用便于工廠(chǎng)化拼裝的結(jié)構(gòu)形式,如桁架梁、鋼箱梁等。在棧橋的下部結(jié)構(gòu)形式中,也考慮施工與拆除的方便,普遍采用鋼管樁基礎(chǔ)或預(yù)應(yīng)力混凝士管樁基礎(chǔ)。

架設(shè)臨時(shí)施工棧橋可作為材料設(shè)備的運(yùn)輸通道、下部結(jié)構(gòu)的施工平臺(tái)。能使水上施工變成路上施工,減小了惡劣環(huán)境對(duì)施工的影響、縮短及保證工期,同時(shí)它還具有節(jié)省減少工程建設(shè)對(duì)環(huán)境的污染和破壞等優(yōu)點(diǎn)。因而,它在橋梁的施工中得到了大量地應(yīng)用。

1 工程概況

原靜蘭大橋建于 1992年,其設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)為汽 -20、掛-100,人群荷載 3.5 kN/m2。橋面寬度為 16.5m(0.5m人行道欄桿 +2.75m人行道 +0.5m防撞欄桿 +凈 9 m行車(chē)道 +0.5m防撞欄桿+2.75m人行道+0.5m人行道欄桿)。主橋結(jié)構(gòu)為 5跨 90m等截面懸鏈線(xiàn)鋼筋混凝土箱形雙肋拱橋,矢跨比 f0/L0=1/8,拱軸系數(shù) m=1.756。拱肋寬 2.14m,高 1.7m,肋中心距 8m,肋間設(shè)有 14道橫系梁,每條拱肋由兩片預(yù)制拱箱組成。預(yù)制拱箱每片寬 1.04m,高 1.6 m,每跨分三段預(yù)制安裝。拱上由立柱、蓋梁組成排架,縱置鋼筋混凝土空心板、槽型板。下部構(gòu)造為重力式橋墩、U型橋臺(tái),明挖擴(kuò)大基礎(chǔ),主拱座及橋墩基底均置于基巖上[1]。

2 棧橋方案設(shè)計(jì)原則

由于棧橋?yàn)榕R時(shí)工程,主要遵循“安全”、“適用”和“經(jīng)濟(jì)”的設(shè)計(jì)原則。“安全”、“適用”的原則要求棧橋在設(shè)計(jì)設(shè)防災(zāi)害下具有足夠的承載能力,不發(fā)生任何因棧橋承載力問(wèn)題造成的人員傷亡,不能延誤主體工程的工期,并且要求在正常使用狀態(tài)下要求棧橋能夠正常運(yùn)營(yíng)。因此設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不可偏小,必須留有足夠的富余度?！敖?jīng)濟(jì)”原則要求棧橋的設(shè)計(jì)應(yīng)該通過(guò)各方面的優(yōu)化盡量降低造價(jià),而且要盡量利用可拆裝構(gòu)件,保證最大限度的回收利用[2]。

2.1 棧橋方案設(shè)計(jì)概述[3]

棧橋分別布置在待拆橋梁上下游兩側(cè),下游為 19跨,上游 23跨。平面布置示意見(jiàn)圖 1。

圖1 棧橋跨徑組合及平面布置示意(單位:m)

棧橋由單層五排加強(qiáng)型貝雷梁組成,采用I45a工字鋼作為棧橋下橫梁,其上擱置 321軍用貝雷梁 6排,兩側(cè)排間距45 cm,中間排間距 54 cm。貝雷梁上設(shè)置分配梁和枕木,間距 70 cm。棧橋上龍門(mén)吊走行軌道為P43軌。棧橋貝雷梁的架設(shè)采用“懸臂推出法”。在各臨時(shí)支墩上安置滾軸,施工時(shí)從西岸向東岸推出架設(shè)。其上除鋪設(shè)龍門(mén)吊軌道外,還設(shè)置1.0m寬人行道。橫斷面布置形式見(jiàn)圖 2。

棧橋臨時(shí)支墩采用鋼管樁,鋼管樁基礎(chǔ)固定方式有兩種,通過(guò)受力驗(yàn)算得出。當(dāng)覆蓋層大于 6m時(shí)直接插打鋼管樁至巖層;覆蓋層小于 6m時(shí),采用鉆孔平臺(tái)法在鋼管樁內(nèi)施工鉆孔灌注樁,按嵌巖樁設(shè)計(jì)保證入巖不小于 5m。

臨時(shí)支墩鋼管樁采用單排兩根樁和雙排四根樁的組合型式。鋼管臨時(shí)支墩構(gòu)造示意圖見(jiàn)圖3。

圖2 棧橋橫斷面布置示意(單位:cm)

圖3 鋼管臨時(shí)支墩構(gòu)造示意(單位:cm)

高棧橋除承擔(dān)龍門(mén)吊走行軌、人行道外,同時(shí)在上下游間設(shè)置橫系梁,用來(lái)做拱下受力支撐。

3 棧橋方案設(shè)計(jì)檢算

3.1 有限元模型建立

本計(jì)算中按照棧橋的實(shí)際結(jié)構(gòu)建立模型,分為貝雷主梁、貝雷主梁橫向聯(lián)系、鋼管群樁和鋼管群樁橫向聯(lián)系。

貝雷主梁由加強(qiáng)型貝雷片和貝雷片之間的橫向聯(lián)系組成,計(jì)算時(shí)將貝雷片的連接銷(xiāo)釘和其他附屬結(jié)構(gòu)的重量換算到貝雷主梁中;貝雷橫向聯(lián)系是約束貝雷橫向穩(wěn)定的主要因素,實(shí)際連接中使用螺釘連接或者焊接。本設(shè)計(jì)在有限元模型中考慮為剛性連接,可以充分表達(dá)其連接形式。貝雷主梁模型見(jiàn)圖 4。

棧橋分為上游棧橋和下游棧橋兩部分,貝雷主梁橫向聯(lián)系就是將上游棧橋和下游棧橋連接的結(jié)構(gòu)。在拆除過(guò)程中,貝雷主梁橫向聯(lián)系有兩種主要作用。其一,臨時(shí)支撐拆除的拱肋片斷。其二,在拆除過(guò)程中,克服拱橋橋墩的不平衡水平推力是拆除拱橋的難點(diǎn)。從一般意義上講,在不承受活載的情況下,拱橋拱腳水平推力主要由拱肋自重產(chǎn)生。所以可以在拱上施以與重力相反的方向的力來(lái)消除拱腳水平推力。這里可以在貝雷主梁上給拱肋一定的預(yù)頂力,來(lái)緩解拱腳的水平推力。在建立模型過(guò)程中,主梁橫向聯(lián)系由加強(qiáng)型貝雷片組成,貝雷的建立方式與以前所述相同。實(shí)際施工過(guò)程中,貝雷主梁橫向聯(lián)系與貝雷主梁用自制接頭連接,此接頭的強(qiáng)度和剛度要大于貝雷片所用材料的強(qiáng)度和剛度,在模型建立過(guò)程考慮為剛性連接,耦合 6個(gè)方向自由度。

圖4 模型整體圖

圖5 鋼管群樁橫向聯(lián)系

鋼管群樁從規(guī)模上分為,由 2根鋼管樁組成群樁和由 4根鋼管裝組成群樁。從受力情況上來(lái)看,分為承受拱肋臨時(shí)支撐力和不承受拱肋臨時(shí)支撐力。鋼管群樁之間由槽鋼組成橫向聯(lián)系,從而保證鋼管樁的穩(wěn)定性。鋼管樁和橫向聯(lián)系采用共節(jié)點(diǎn)連接,用來(lái)表達(dá)鋼管樁和橫向聯(lián)系間的連接情況,在鋼管樁頂有工字鋼組成墊塊,保證貝雷主梁通過(guò)。

鋼管群樁橫向聯(lián)系用以臨時(shí)支撐拱腳片斷的拱肋,并可以借助此結(jié)構(gòu)搭建拆除拱肋平臺(tái)。此橫向聯(lián)系由 3片并排加強(qiáng)型貝雷片組成。鋼管群樁橫向聯(lián)系模型見(jiàn)圖5。棧橋在岸邊采用簡(jiǎn)單支撐,模型中棧橋邊界約束豎向自由度。

本設(shè)計(jì)中采用大型有限元軟件ANSYS建立棧橋空間模型模擬棧橋各個(gè)工況荷載響應(yīng),全部模型共有節(jié)點(diǎn) 112160個(gè),單元 135336個(gè)。

3.2 計(jì)算工況描述[3]

(1)棧橋跨中截面最不利荷載位置,即活載和恒載作用下棧橋最大跨度跨中產(chǎn)生最大彎矩工況;

(2)棧橋支撐截面最不利荷載位置,即活載和恒載作用下棧橋最大跨度支撐位置處產(chǎn)生最大彎矩工況;

(3)棧橋撓度最不利荷載位置,即活載和恒載作用下棧橋最大跨度跨中產(chǎn)生最大位移的工況;

(4)棧橋橫向聯(lián)系臨時(shí)支撐拱頂拱肋片斷,即在拱頂拱肋臨時(shí)支撐在棧橋橫向聯(lián)系上時(shí),棧橋橫向聯(lián)系的荷載響應(yīng);

(5)鋼管群樁橫向聯(lián)系臨時(shí)支撐拱腳拱肋片斷,即在拱腳片斷臨時(shí)支撐在群樁橫向聯(lián)系上時(shí),鋼管群樁橫向聯(lián)系的荷載響應(yīng);

(6)計(jì)算拆除一跨時(shí)各種荷載對(duì)于棧橋的綜合作用,即考慮拱肋割斷后,龍門(mén)吊準(zhǔn)備起吊拱肋片斷工況,起吊跨中時(shí)為最不利工況。

?

3.3 計(jì)算結(jié)果

表1所羅列的結(jié)果為該工況下模型中所有受力桿件(包括組成棧橋的各個(gè)組成部分)結(jié)果。從應(yīng)力角度來(lái)看,所有桿件應(yīng)力均在貝雷片所承受的容許應(yīng)力 273 MPa以?xún)?nèi),壓應(yīng)力略大于拉應(yīng)力。從變形角度來(lái)看,工況④和工況⑥豎向位移最大,同時(shí)這兩個(gè)工況下桿件在棧橋橫截面方向的位移也最大。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)柳州靜蘭大橋拆橋已經(jīng)順利完成,經(jīng)檢驗(yàn),棧橋完全滿(mǎn)足施工要求,龍門(mén)吊行駛平穩(wěn)。

目前我國(guó)已經(jīng)修建了各種形式的臨時(shí)施工棧橋,今后隨著更多跨?？缃笮蜆蛄汗こ痰男藿?也將修建更多的臨時(shí)施工棧橋。在復(fù)雜惡劣的環(huán)境下,臨時(shí)棧橋的設(shè)計(jì)都將面臨著棧橋環(huán)境作用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的確定、環(huán)境荷載的確定、棧橋承載力的評(píng)價(jià)問(wèn)題。而目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)臨時(shí)施工棧橋設(shè)計(jì)還缺乏系統(tǒng)的研究,還沒(méi)有編制臨時(shí)棧橋的設(shè)計(jì)規(guī)范。由于沒(méi)有規(guī)范可循,這不僅給臨時(shí)棧橋帶來(lái)設(shè)計(jì)上的不便,也給設(shè)計(jì)出來(lái)的臨時(shí)棧橋存在一些問(wèn)題——或是臨時(shí)棧橋設(shè)計(jì)過(guò)于保守,不經(jīng)濟(jì);或者是臨時(shí)棧橋抵抗災(zāi)害的能力過(guò)低,不安全,即無(wú)法實(shí)現(xiàn)安全性與經(jīng)濟(jì)性矛盾的統(tǒng)一。

[1]四川省交通廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院.靜蘭大橋改建工程施工圖設(shè)計(jì)(第一冊(cè) 原橋拆除工程)[R].2005

[2]覃勇剛.杭州灣跨海大橋南岸超長(zhǎng)棧橋設(shè)計(jì)研究[D].東南大學(xué),2006

[3]西南交通大學(xué).柳州市靜蘭大橋改建工程——原橋拆除工程復(fù)核計(jì)算報(bào)告[R].2006

[4]劉金義.鋼筋混凝土拱橋上部結(jié)構(gòu)拆除方案設(shè)計(jì)[J].四川建筑,2009,29(6)