大跨度橋梁主墩施工棧橋及平臺設(shè)計與施工

李潤成

(山西省交通科學(xué)研究院，山西太原 030006)

0 引言

在水中墩等結(jié)構(gòu)的施工過程中，為使得人員、運輸材料車輛、機(jī)械設(shè)備、吊車通行及吊裝作業(yè)能夠順利地達(dá)到位于水中施工點并且開展施工作業(yè)，施工棧橋及平臺則是必要的基礎(chǔ)設(shè)施。為保證基礎(chǔ)、橋墩及上部結(jié)構(gòu)的順利施工，施工棧橋及平臺應(yīng)該具有足夠的強(qiáng)度、剛度以及耐久性。在此，以某大跨度橋梁水中墩施工棧橋及平臺為例子，介紹施工棧橋及平臺設(shè)計、檢算與施工情況。

1 工程概況

某大橋為城際鐵路大跨度特殊結(jié)構(gòu)橋梁，其主墩基礎(chǔ)分別采用12根φ2.8 m的鉆孔灌注樁，樁長為70.0 m，嵌巖深度7.0 m，每個基礎(chǔ)設(shè)置一個17.6 m×22.6 m×6.0 m的承臺。橋墩所在處河床面下部主要地層為淤泥及部分粉砂質(zhì)淤泥，河床平均厚度50.0 m以上，場地內(nèi)淤泥層質(zhì)軟、強(qiáng)度不高，中間夾有木質(zhì)沉船等，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

該橋主墩施工重難點技術(shù)是:棧橋及水上平臺設(shè)計和施工技術(shù);樁基礎(chǔ)樁徑大，合理的成孔設(shè)備和成孔工藝選擇和優(yōu)化技術(shù);樁基礎(chǔ)樁深，清孔沉渣厚度達(dá)到驗標(biāo)小于5.0 cm要求的清孔工藝;深孔鉆孔灌注樁鋼筋籠節(jié)段精確連接技術(shù)。而其中棧橋及水上平臺的合理設(shè)計與施工則是整個主墩施工的基本保障。因此，棧橋及平臺應(yīng)具有足夠強(qiáng)度、剛度以滿足安全使用要求，并盡可能采用型鋼、貝雷梁等成品構(gòu)件以提高施工速度并可以便于回收利用。

2 棧橋及平臺設(shè)計和施工

2.1 棧橋結(jié)構(gòu)及施工方法

在該橋水中部分結(jié)構(gòu)的施工過程中，施工棧橋作為通行施工機(jī)械、運輸建筑材料及施工人員通行的臨時通道。

為保證施工期間棧橋能夠滿足各種通行車輛的安全通行要求，棧橋的設(shè)計如下:棧橋樁基為φ530×7 mm的鋼管樁，橫向間距4.0 m，縱向間距9.0 m，南北岸施工棧橋長度分別為45 m和81 m。鋼管樁打入淤泥層，在鋼管樁之間加設(shè)雙拼Ⅰ32a工字鋼作為上部縱梁的托梁，鋼管樁上面設(shè)置單層雙排三組貝雷梁作為縱梁，橫梁布置間距0.8 m的Ⅰ32a工字鋼，橋面板按間距2 cm滿鋪[20a槽鋼。

棧橋結(jié)構(gòu)具體布置如圖1所示。

棧橋的施工方法如下:

首先是鋼管樁的施工，在吊裝船上接長，運輸就位后液壓振動錘沉樁至設(shè)計標(biāo)高。貝雷梁縱梁按設(shè)計拼裝好后應(yīng)用船吊運輸就位安裝到設(shè)計位置。之后按設(shè)計要求安裝工字鋼橫梁及橋面板槽鋼。最后是護(hù)欄、安全標(biāo)志等的安裝。

2.2 平臺結(jié)構(gòu)及施工

施工平臺結(jié)構(gòu)采用鋼管樁基礎(chǔ)，鋼管直徑630 mm，壁厚10 mm。鋼管樁中心間距根據(jù)場地布置需要，分6 m×5.175 m和6 m×6.5 m兩種，因此貝雷梁縱梁的最大跨徑均為6 m，橫梁最大跨徑為6.5 m。鋼管樁上面通過雙拼2Ⅰ40a工字鋼作為托梁鋪設(shè)貝雷梁、Ⅰ32a工字鋼橫梁和[20a槽鋼平臺面板，間距設(shè)置與棧橋一致。施工平臺鋼管樁之間布置多道縱橫向聯(lián)系來保證其穩(wěn)定。鋼管樁利用液壓振動錘插打入淤泥層。

平臺結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 棧橋結(jié)構(gòu)布置圖

圖2 平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

平臺施工的工藝流程見圖3。

平臺施工的具體步驟如下:

1)鋼管樁施工。

將吊裝船定位后，鋼管樁起吊后在經(jīng)緯儀引導(dǎo)下對準(zhǔn)設(shè)計樁位，保持鋼管樁垂直狀態(tài)下，開啟振動錘進(jìn)行插打鋼管樁。當(dāng)鋼管樁樁底標(biāo)高達(dá)到設(shè)計要求，或樁底進(jìn)入硬土層或風(fēng)化巖層時(貫入量小于5 cm/min)方可停止振動。

2)樁頂找平。

沉樁結(jié)束后，按照樁頂設(shè)計標(biāo)高找平，氣焊割除高出標(biāo)高部分，或焊接接長至樁頂標(biāo)高，使得全部樁頂達(dá)到設(shè)計標(biāo)高。

圖3 水上平臺施工工藝流程圖

3)安裝縱橫聯(lián)。

按照設(shè)計要求，在鋼管樁樁身上焊接Ⅰ20a縱橫聯(lián)構(gòu)件，保證鋼管樁的整體性與穩(wěn)定性。

4)縱梁等安裝。

首先在樁頂焊接鋼蓋板，并應(yīng)保證鋼蓋板水平性良好，再將托梁吊裝放置于樁頂?shù)闹行奈恢貌⒄{(diào)整水平，檢查后與樁頂鋼蓋板焊接;之后按照設(shè)計要求，將貝雷梁縱梁吊裝就位后焊接連接。

5)橫梁安裝。

吊裝Ⅰ32a工字鋼橫梁放置于縱梁上，各橫梁按設(shè)計要求就位后，焊接連接縱橫梁相交處使得縱橫梁成為整體結(jié)構(gòu);對于靠近鋼護(hù)筒側(cè)的橫梁，必須嚴(yán)格按設(shè)計位置放置，不得侵入鋼護(hù)筒凈空。

6)鋪裝分配梁。

吊裝[20a小梁至橫梁上，滿鋪(間距小于2 cm)，將其與橫梁相交部位焊接連接。

3 施工棧橋及平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計檢算

3.1 棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計檢算

1)檢算的基本參數(shù)取值。

混凝土罐車總重約為30 t，按汽車—20級取值，汽車前軸重力為60 kN，中后軸為120 kN+120 kN，軸距為 4 m+1.4 m，輪距為1.8 m，中后輪著地尺寸0.6 m×0.2 m。汽車的沖擊系數(shù)按照1.1取值，水流速度按照2.5 m/s取值，并考慮人群荷載:3.5 kN/m2。

2)橋面板等構(gòu)件的檢算。

對橋面板、橫梁、托梁構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力檢算。對于[20a槽鋼橋面板進(jìn)行檢算，按跨度0.8 m的簡支梁計算最大彎矩和最大剪力。對于橫梁(Ⅰ32a)，按0.6 m寬線荷載作用在2.0 m寬的橫梁上作為最不利受力工況，按2.0 m的等跨連續(xù)梁計算最大彎矩和最大剪力。按4.0 m跨簡支梁計算托梁的最大彎矩和最大剪力，縱梁對下部托梁的最大支點反力由縱梁的最大剪力計算結(jié)果可得。

各構(gòu)件的內(nèi)力計算后分別進(jìn)行彎曲正應(yīng)力及剪應(yīng)力的檢算，檢算結(jié)果見表1。

表1 各構(gòu)件的應(yīng)力檢算結(jié)果 MPa

3)縱梁(貝雷片)的承載力檢算。

考慮車的沖擊系數(shù)，則車輪處集中力分別為33 kN，66 kN，66 kN。并考慮Ⅰ32a型鋼、鋼橋面板、貝雷梁的自重荷載，按最不利位置分別計算最大彎矩和最大剪力，計算模型及結(jié)果如圖4所示。根據(jù)計算結(jié)果可知，小于304 410 N·m，滿足，小于104 607 N，滿足。

圖4 縱梁計算模型及結(jié)果

4)鋼管樁驗算(φ530×7 mm)。

對鋼管樁基設(shè)計承載力計算、鋼管頂局部應(yīng)力驗算、鋼管樁入巖深度驗算，并且進(jìn)行了貝雷梁承受水流壓力作用后自身強(qiáng)度計算。驗算結(jié)果表明各項指標(biāo)均符合規(guī)范要求。此外，還進(jìn)行考慮流水作用下的穩(wěn)定性驗算，包括單樁的穩(wěn)定性驗算、整體穩(wěn)定性驗算。驗算結(jié)果表明棧橋鋼管樁具有良好的單樁及整體穩(wěn)定性。

3.2 平臺設(shè)計檢算

平臺上主要有沖擊鉆機(jī)、吊車等施工機(jī)械，現(xiàn)取跨徑6.0 m，寬5.175 m的橋面寬進(jìn)行計算，根據(jù)橋面寬放一臺25 t吊車為最大荷載。針對施工平臺進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計檢算，具體計算方法同棧橋，針對各類構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力與變形檢算，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的驗算。驗算結(jié)果表明平臺設(shè)計滿足強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求。

4 施工棧橋及平臺的實際使用情況

在該橋梁后續(xù)橋墩基礎(chǔ)及橋墩的施工過程中，施工棧橋承載混凝土罐車的通行、吊車通行及吊裝作業(yè)、車輛運輸材料、機(jī)械設(shè)備及人員上下班通行的任務(wù)。在為期近2年的施工過程中，施工棧橋及平臺具有足夠的承載能力與抗變形能力，使用情況良好，有效支撐該橋順利施工。在拆除后大部分結(jié)構(gòu)鋼材可以回收利用。

5 結(jié)語

以某大橋的水中基礎(chǔ)及主墩的施工棧橋及平臺為例，介紹施工棧橋及施工平臺的設(shè)計。棧橋采用鋼管樁基礎(chǔ)，其上設(shè)工字鋼托梁、貝雷梁縱梁，工字鋼橫梁、滿鋪[20a槽鋼橋面板。平臺結(jié)構(gòu)同樣采用鋼管樁基礎(chǔ)，鋼管樁間設(shè)多道縱橫梁，鋼管樁上面通過雙拼工字鋼作為托梁鋪設(shè)貝雷梁、工字鋼橫梁和[20a槽鋼平臺面板，間距設(shè)置與棧橋一致。介紹了施工棧橋及平臺的詳細(xì)施工工序，并對棧橋及平臺的結(jié)構(gòu)安全性作詳細(xì)的檢算，檢算結(jié)果表明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與穩(wěn)定性均能夠滿足使用要求。實踐證明該棧橋在整個施工過程中使用良好。

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