特大鋼棧橋海上施工結(jié)構(gòu)承載力研究與方案設(shè)計

姜楓，朱艷峰

(1. 中鐵六局集團廣州工程有限公司，廣東 廣州 510000；2. 廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 511483)

棧橋主要作為水上施工平臺連接陸地的車輛通行與材料運輸通道[1]。進行橋梁水上施工時，通常需要修建棧橋作為運輸通道，有時還作為下部結(jié)構(gòu)的施工平臺[2]。鋼棧橋為臨時使用，其特點是承載能力大、施工快捷、拆除方便、可重復(fù)利用，在我國的橋梁施工、大壩施工、港口及渡船碼頭等工程中得到了大量應(yīng)用[3]。棧橋通常處于惡劣環(huán)境之中，受環(huán)境的影響較大，特別是跨海臨時棧橋，風(fēng)、浪等環(huán)境荷載可能是控制棧橋設(shè)計的關(guān)鍵因素[2?6]。棧橋工程的設(shè)計難點在于其服務(wù)功能不同、荷載及環(huán)境條件不同、設(shè)計沒有統(tǒng)一規(guī)范可以遵循，棧橋存在期荷載標(biāo)準(zhǔn)的合理選取關(guān)系到棧橋的經(jīng)濟性和安全性。解決河、?？缍螛蛄航ㄔO(shè)的有效手段之一是架設(shè)貝雷梁鋼棧橋輔助施工的方法[7?9]。貝雷梁鋼棧橋具有施工時間較短、部件輕巧，各部件間用銷子或螺栓連接、裝拆方便的特點，對縮短棧橋工程建設(shè)期，盡快投入使用具有重大意義。

1 工程簡介

新建湛江東海島鐵路為東海島湛江鋼鐵基地和中科煉化項目的配套工程項目，全長57.31 km。東海島鐵路控制性工程通明灣特大橋位于廣東省湛江市霞山區(qū)與東海島之間，橋址處灣寬4 km左右，海床較淺，水深3.5 m左右，橋位區(qū)地質(zhì)分布為淤泥、淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)亞黏土、泥巖，其中淤泥、淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)亞黏土厚度為3～6 m，下層分布泥巖，較密實。地勢平坦，多分布蝦苗、生蠔養(yǎng)殖場，海水受潮汐影響較明顯，多年平均高潮水位3.56 m，多年平均低潮位0.5 m，橋位處百年一遇設(shè)計潮水位為6.16 m，三百年一遇潮水位為6.94 m，百年一遇浪高為2.91 m。最大漲潮流速：1.03 m/s，最大退潮流速：1.41 m/s。橋區(qū)氣候條件屬亞熱帶海洋性濕潤氣候，易受臺風(fēng)影響，風(fēng)力可達(dá)10～11級，最大風(fēng)速為48.0 m/s；該地區(qū)多雷暴，年平均有雷日在80 d以上。地震動峰值加速度值為0.1 g，地震動反應(yīng)譜特征周期0.45 s，地震設(shè)防烈度值為Ⅶ度。橋梁起訖里程為：DDK16+813.12a～DDK21+786.19，橋梁中心里程 DDK17+299.655，全長8 973.07 m，該橋于DDK16C+525a～DDK19+200之間跨越通明灣，即84號墩～178號墩位全部位于通明灣海灣中，棧橋全長3 070 m。

2 棧橋設(shè)計原則及方案

通明灣特大橋鋼棧橋是東海島鐵路最關(guān)鍵、也是難度較大的一項跨海工程，棧橋起點橋臺為北海堤，終點橋臺順接通明灣施工便道，是連接?xùn)|海島內(nèi)外的施工便捷通道。棧橋除承受豎向施工車輛荷載外，本工程的棧橋還需兼顧50 t履帶吊機作業(yè)，此外棧橋還受到潮、涌以及風(fēng)浪的作用，因此必須滿足以下要求包括：1) 在工作狀態(tài)下，棧橋應(yīng)滿足車輛正常通行的安全性和適用性要求，并具有足夠的安全儲備。2) 在非工作狀態(tài)下，棧橋停止車輛荷載通行，應(yīng)能滿足整體安全性的要求，允許出現(xiàn)局部可修復(fù)的損壞。3) 在棧橋施工狀態(tài)，應(yīng)滿足自身施工過程的安全[10?13]，當(dāng)風(fēng)力超過6級時，禁止作業(yè)；當(dāng)風(fēng)力超過8級時，禁止通行。

2.1 設(shè)計荷載

恒載：貝雷梁自重1.1 kN/(m·片)，橋面系結(jié)構(gòu)自重 10 mm花紋鋼板 0.785 kN/m2，12.6工字鋼0.142 kN/m。

基本可變荷載：履帶吊－100，混凝土運輸車－40，掛車—120。施工中常見的汽車荷載為混凝土攪拌運輸車，常規(guī)的攪拌運輸車泵送混凝土方量為8 m3，按此運輸方量和軸重?fù)Q算成車輛荷載，即30 t重載汽車。

其他荷載：1) 工作狀態(tài)、非工作狀態(tài)和自施工狀態(tài)的風(fēng)力分別為：6級，8級。風(fēng)載按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》進行計算.風(fēng)力：6級風(fēng)力，設(shè)計速度取Vd=13.8 m/s；8級風(fēng)力，設(shè)計速度取Vd= 20.7 m/s。2) 水流力：水流流速取最大平均流速為 1.41 m/s，最高施工水位取+3.56 m，河床最低標(biāo)高為?5.0 m。3) 行人荷載及其他管道荷載：6.0 kN/m；4) 汽車制動力：按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》采用；5) 欄桿荷載：按人行道欄桿設(shè)計，作用于欄桿立柱頂上的水平推力標(biāo)準(zhǔn)值為：0.75 kN/m；作用于欄桿扶手上的豎向力標(biāo)準(zhǔn)值為：1.0 kN/m。本棧橋未考慮設(shè)置龍門吊機走道，如需設(shè)置，需專門設(shè)計。

2.2 棧橋結(jié)構(gòu)方案

鋼棧橋是由鋼板和型鋼組成的正交異性鋼橋面系，以貝雷梁為主梁，全長3 070 m，橋?qū)挒? m，單向通行棧橋每跨孔徑12 m，橋面標(biāo)高6.56 m，設(shè)計車速20 km/h，兼顧50 t履帶吊機作業(yè)，履帶吊等施工機械車速為5 km/h。上部結(jié)構(gòu)按照5孔一聯(lián)的連續(xù)梁設(shè)計，在墩位位置設(shè)置鉆孔平臺。

棧橋結(jié)構(gòu)非制動墩處自下而上依次為單排Ф630 mm×10 mm鋼管樁橫橋向布置2根，間距4.0 m，鋼管樁之間設(shè)20槽鋼的樁間連接系；2I36a工字鋼分配梁作為橫梁，長為6 m，橫橋向布置；縱梁選用貝雷梁6片3組，貝雷梁中心間距2.2 m；橋面采用I22b工字鋼間距1.5 m橫橋向布置，與貝雷梁焊接，上部采用I12.6工字鋼間距0.3 m順橋向布置，其上鋪裝10 mm厚鋼板。制動墩處自下而上依次為雙排Ф630 mm×10 mm鋼管樁橫橋向布置，縱橋向間距2.0 m，橫橋向間距4.0 m，共4根，鋼管樁之間設(shè) 20槽鋼的樁間連接系；2HN450×150型鋼2根一束布置為分配梁，縱橋向布置；I36a工字鋼2根一束并列做下分配梁A，長為6 m，橫橋向布置；縱梁選用貝雷梁3組6片，貝雷梁中心間距2.2 m；橋面采用I22b工字鋼間距1.5 m橫橋向布置，與貝雷梁焊接，上部采用 I12.6工字鋼順橋向布置，其上鋪裝10 mm厚鋼板。棧橋非制動墩處結(jié)構(gòu)圖見圖1。

2.3 平臺結(jié)構(gòu)方案

鉆孔平臺為12 m×15 m，由12 m×6 m，12 m×9 m 2部分組成，平臺結(jié)構(gòu)自下至上依次為Ф630鋼管樁10根，平行于橋梁軸線方向分2排布置，2排鋼管樁間距9 m；其上安裝2I36a工字鋼組成的橫向分配梁，長6 m，9 m；在橫向分配梁上安裝貝雷梁13道，長12 m，貝雷梁通過限位件與分配梁角焊縫連接。

圖1 棧橋非制動墩處結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure of the non braking pier in trestle bridge

橋面系采用6 m+9 m I22b工字鋼間距0.5 m順橋向布置，與貝雷梁焊接，平臺平面采用10 mm厚花紋鋼板，在鉆孔樁處花紋板開1.6 m×1.6 m方孔。平臺3面設(shè)欄桿。鉆孔平臺由2部分組成，鉆孔平臺及履帶吊施工平臺，鉆孔完成后拆除鉆孔平臺，保留履帶吊施工平臺插打鋼板樁。待橋墩施工完成后拆除履帶吊作業(yè)平臺。鉆孔平臺立面圖見圖2。

圖2 棧橋?鉆孔平臺立面圖Fig. 2 Trestle bridge-elevation of the drilling platform

3 棧橋結(jié)構(gòu)承載力驗算

3.1 主梁計算

主梁計算分為工作狀態(tài)和棧橋自身施工狀態(tài) 2種情況，工作狀態(tài)根據(jù)車輛荷載的不同分為工況Ⅰ～工況Ⅲ。棧橋自身施工狀態(tài)下，50 t履帶吊機樁頂?shù)跹b作業(yè)，為工況Ⅳ，其受力小于工況Ⅱ，將不作驗算。棧橋各狀態(tài)下的施工工況如表1所示。風(fēng)載等效于集中荷載施加在每片貝雷片桁架節(jié)點上，由于水流力作用于鋼管樁上，相當(dāng)于使上部貝雷片桁架橫向整體變形而對其上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響不大，故在上部結(jié)構(gòu)分析中，不考慮水流力的作用。

表1 棧橋各狀態(tài)下的施工工況Table 1 Construction conditions in various states of trestle bridge

采用Midas civil 2012軟件對5×12 m的五孔一聯(lián)棧橋進行三維空間有限元建模分析計算。除鋼管柱連接體系采用桁架單元外，貝雷架、鋼管柱、各橫梁和分配梁均采用空間三維桿系梁單元模擬，橋面板采用板單元模擬。全橋結(jié)構(gòu)共有節(jié)點4 344個，桁架單元50個，梁單元5 319個，板單元800個；貝雷架材料為16Mn鋼材，其余鋼結(jié)構(gòu)為規(guī)范的A3鋼材。

鋼管柱底部采用固結(jié)支承方式，貝雷架與柱頂橫梁之間采用僅受壓的彈性連接，貝雷架弦桿的銷接通過釋放梁端約束的方式模擬，其余結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的相互連接關(guān)系采用彈性連接中的剛性類型或者剛性連接方式進行模擬。根據(jù)驗算工況將荷載轉(zhuǎn)化為面荷載形式添加到板單元上，荷載組合系數(shù)采用1.2，振動荷載系數(shù)取1.4。

5×12 m棧橋全橋有限元模型的透視圖及側(cè)視圖分別如圖3(a)和圖3(b)所示。

圖3 棧橋空間三維有限元模型Fig. 3 Three dimensional finite element model of trestle bridge

表2 棧橋各工況下主梁受力及變形值Table 2 Stress and deformation of the main beam under various working conditions of Trestle bridge

經(jīng)過有限元分析計算，工況Ⅰ～工況Ⅲ的主梁受力結(jié)果提取如表2所示。

由表2可以看出，各工況下棧橋彈性與非彈性的豎向最大變形為 18.2 mm，其變形較小，小于L/250，滿足要求。弦桿最大內(nèi)力為 258 kN，斜桿最大內(nèi)力為117 kN。除在工況Ⅱ時，豎桿最大內(nèi)力可達(dá)217 kN，大于210 kN，超出允許值3%，其余受力均小于容許值。豎桿最大內(nèi)力217 kN是在工況Ⅱ下履帶吊機在邊跨側(cè)墩側(cè)正向吊裝50 t時，僅作用于單貝雷片豎桿上，但此占位和吊重在實際施工過程中出現(xiàn)的可能性幾乎沒有，因此，仍可認(rèn)為貝雷片受力滿足要求。棧橋各工況下單樁最大軸力為649 kN，最大水平反力為9.5 kN，可按此進行單樁承載力設(shè)計。

3.2 橋面系計算

棧橋橋面板由I22a工字鋼，I16a槽鋼和10 mm花紋鋼板組成，I22a工字鋼布置于貝雷片上弦上，其受力為連續(xù)梁體系，最大跨徑為1 300 mm。當(dāng)I22a工字鋼的驗算荷載為30 t重載汽車時，其受力最不利。經(jīng)計算可得：

M=30×0.65?30×0.3=10.5 kN·m

棧橋橋面系采用 I22a工字鋼，其受力滿足要求。

3.3 分配梁計算

非制動墩樁頂分配梁采用2I36a工字鋼；制動墩橫橋向采用2I36a工字鋼，縱橋向采用2I45a工字鋼。

分配梁A最不利工況為工況Ⅲ，其最大應(yīng)力如圖4所示。

圖4 分配梁A應(yīng)力圖Fig. 4 Stress diagram of distribution beam A

最不利工況下，分配梁B計算結(jié)果如圖5所示。由圖4～5可知，分配梁A和B受力均滿足要求。

圖5 分配梁B應(yīng)力圖Fig. 5 Stress diagram of distribution beam B

3.5 樁基礎(chǔ)計算

非制動墩樁頂分配梁采用2I36a工字鋼；制動墩橫橋向采用2I36a工字鋼，縱橋向采用2I45a工字鋼。

棧橋樁基礎(chǔ)均為Ф630×10 mm鋼管，樁頂豎向最大反力860 kN，單樁的河床表面以上的最大長度為 8.234 m，不考慮河床沖刷，鋼管樁的自由長度可按海床面約6 d以下確定。即樁的自由長度為11.834 m。作用點距河床鋼管樁的固結(jié)點位置為9.31 m，通過計算可得：鋼管樁應(yīng)力最大值為89.7 MPa，連接系采用 Ф273×6，其最大應(yīng)力為 21.4 MPa，其受力滿足要求?？紤]鋼管樁的穩(wěn)定性，鋼管最大自由長度為11.834 m，回轉(zhuǎn)半徑i=209 mm，荷載增大系數(shù) λ=0.828，其折算應(yīng)力為：σ=89.7/0.828=108 MPa，鋼管樁的穩(wěn)定性計算滿足要求。

單樁設(shè)計承載力取890 kN，結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)資料計算樁長。經(jīng)驗證，入土深度 28.1 m，滿足規(guī)范要求。

通過計算結(jié)果可以看到，棧橋結(jié)構(gòu)在強度、剛度、穩(wěn)定性等方面均能滿足規(guī)范的要求。棧橋結(jié)構(gòu)能保證施工期間的同行需求，能保證人員、車輛的安全。

4 棧橋及平臺施工

棧橋及平臺施工涵蓋棧橋及平臺施工工藝、運營期間維護管理、質(zhì)量保證、安全保證、工期保證以及文明、環(huán)保措施和應(yīng)急預(yù)案等部分。棧橋及平臺施工工藝又包括橋臺施工、棧橋及平臺下部結(jié)構(gòu)施工、棧橋及平臺上部結(jié)構(gòu)安裝、棧橋拆除和棧橋用電照明及水管布置等。

施工時先在兩端施工棧橋橋臺，84號墩橋臺采用混凝土重力式橋臺，178號墩橋臺采用鋼管樁橋臺。橋臺施工完成后從兩端橋臺向中間海域推進搭設(shè)棧橋，利用釣魚法在海中打入鋼管樁，然后架設(shè)貝雷梁，最后鋪設(shè)橋面系，依次循環(huán)推進。平臺和支棧橋在主棧橋施工完成200 m以后，穿插進行搭設(shè)，施工方法與搭設(shè)棧橋相同。

棧橋北端橋臺采用重力式橋臺，C25混凝土澆注。橋臺采用U型橋臺，平面尺寸為6.9 m×3.6 m，高位3.98 m。南側(cè)島內(nèi)段橋臺采用鋼管柱橋臺，平面尺寸3 m×9 m，分為前后2排鋼管柱，柱間填土做為棧橋橋臺。棧橋及平臺下部結(jié)構(gòu)施工包括鋼管樁施工，施工前由測量人員進行測量放樣。采用“釣魚法”施工，50 t履帶吊車配合打樁錘作業(yè)，由岸邊開始逐孔向前推進施工。振動錘采用DZ60型振動錘，振動錘質(zhì)量3.8 t，作業(yè)半徑按15 m考慮，最不利荷載為插打鋼管樁的情況，鋼管樁12 m質(zhì)量為1.84 t，吊車需起吊重量為6.34 t，在振動過程中不斷檢測樁位與樁的垂直度，發(fā)現(xiàn)偏差要及時糾正。每根樁下沉應(yīng)連續(xù)進行，中途不可有較長時間停頓，以免樁周土擾動恢復(fù)造成沉樁困難。當(dāng)配備打樁錘與履帶吊機吊臂、吊重受限時，貝雷片可以多拼裝一節(jié)。此時，履帶吊機前端與鋼管樁中心線水平位置相比，前移距離不大于 2.0 m。根據(jù)振動沉樁承載力的計算，按電動機消耗的能量求樁基的極限承載力公式：式中：N0為沉樁將達(dá)規(guī)定標(biāo)高前，下沉速度為 0.5 cm/min時，所需的有效功率，kW；Na為沉樁機無負(fù)荷時的功率，kW；ν為沉樁最后一陣速度，cm/min，取0.5 cm/min；Q為振動體系的重量，t；α為土質(zhì)系數(shù)，取2.0；β為樁基入土速度系數(shù)，取0.15。

根據(jù)以往施工記錄，DZ60錘無負(fù)荷時電動機輸入電流為100 A，電壓為380 V，振動錘終打前電動機輸入電流：

從以上計算可以得出，當(dāng)電動機電流大于 185 A時，沉樁最后一陣速度10 min入土深度不大于5 cm，可以停錘。棧橋及平臺上部結(jié)構(gòu)的安裝采用50 t履帶吊進行架設(shè)。單跨棧橋貝雷梁架設(shè)完成后進行橋面系的施工，包括吊裝I22b橫向工字鋼分配梁，工字鋼與貝雷片之間用U型螺栓進行連接，兩分配梁之間采用焊接連接，最后安裝水管及電纜支撐牛腿、護欄。

支棧橋及鉆孔平臺需根據(jù)施工進度進行拆除。待鉆孔樁施工完成后，拆除鉆孔平臺，利用支棧橋作為工作平臺，插打鋼板樁圍堰。待承臺、墩柱施工完成，拆除支棧橋。拆除遵循逆向施工原則，先做后拆，后做先拆。施工用水管道及照明線路沿棧橋無平臺一側(cè)設(shè)置，在棧橋欄桿外側(cè)做水管、電纜支架。為保證棧橋的安全運營，大風(fēng)大雨期間停止鋼棧橋施工作業(yè)，且需持續(xù)不斷對施工和運營中的棧橋進行沉降觀測，為棧橋的安全運營提供技術(shù)保障。

5 結(jié)論

1) 本文所采用的鋼棧橋是由鋼板和型鋼組成的正交異性鋼橋面系，遵循安全、經(jīng)濟、適用的設(shè)計原則，以貝雷梁為主梁，由南棧橋、北棧橋?qū)ο虿捎冕烎~法施工，克服了海中地質(zhì)復(fù)雜，環(huán)境惡劣、工程量大等不利因素，從設(shè)計到施工上完全滿足主體工程施工要求，打通了東海島鐵路建設(shè)的主動脈，為東海島鐵路按期架梁通車奠定了良好的基礎(chǔ)。

2) 每組2片貝雷桁架之間連接， 必須在每個節(jié)段端頭的橫截面豎向和梁底水平方向設(shè)置型鋼支撐架，形成桁架組合梁。

3) 鋼棧橋使用期間，必須建立定期檢查、保養(yǎng)和維修制度，對棧橋結(jié)構(gòu)開展外觀檢查、變形監(jiān)測和構(gòu)件保養(yǎng)維修，并認(rèn)真做好檢修記錄和臺帳， 確保運行使用安全。

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