山區(qū)河流淹沒式鋼棧橋鋼管樁受力性能分析

周 輝，韓 劍

(廣東交通實(shí)業(yè)投資有限公司,廣州 510623)

1 工程概況

韓江大橋主橋位于韓江河道中，雨季施工受山洪影響大，洪水陡漲陡落，洪水期漂浮物較多、流速大。棧橋設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合橋位前4年的每日水位標(biāo)高及經(jīng)濟(jì)性原則，棧橋上部采用工字鋼主梁，棧橋橋面標(biāo)高取為38.89m。該標(biāo)高不被洪水淹沒的保證率為97.44%，扣除洪水前后兩天轉(zhuǎn)移設(shè)備及恢復(fù)生產(chǎn)的影響，有效施工保證率為95.84%，滿足工期要求。韓江水位與棧橋設(shè)計(jì)標(biāo)高關(guān)系見圖1，棧橋淹沒見圖2。

圖1 韓江水位與棧橋設(shè)計(jì)標(biāo)高曲線圖2 棧橋淹沒

2 淹沒式棧橋設(shè)計(jì)

2.1 橫向穩(wěn)定設(shè)計(jì)

為解決洪水期水流流速大、漂浮物多，對棧橋整體形成的較大水平?jīng)_擊力，采取了以下措施：

(1)根據(jù)橋跨所處江面位置間隔性設(shè)置雙排樁，形成格構(gòu)板凳樁，以增強(qiáng)棧橋的橫向及縱向整體穩(wěn)定性。

(2)利用江中的各墩施工支棧橋和鉆孔平臺，在搭設(shè)時(shí)同步實(shí)施，形成總體結(jié)構(gòu)，間隔性增強(qiáng)棧橋的橫向穩(wěn)定性。

(3)在靠近河中心位置每排樁設(shè)置4根樁，增強(qiáng)橫向抵抗力。

2.2 棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

韓江大橋施工鋼棧橋由主棧橋和支棧橋構(gòu)成。主棧橋?qū)?m，標(biāo)準(zhǔn)跨徑9m，間隔3～5跨設(shè)置縱向加強(qiáng)樁，兩排樁縱向間距為3m。西側(cè)跨徑組合為(9×5m+3m+9×4m+3m+3×(9×3m+3m)+9×4m+3m)；東側(cè)跨徑組合為(9×2m+3m+2×(9×3m+3m)+9×4m+3m)，大埔側(cè)鋼管樁入土8m，潮州側(cè)鋼管樁入土11m。

棧橋樁基采用φ630×10mm鋼管樁，標(biāo)準(zhǔn)斷面每排3根鋼管樁，橫向設(shè)置1根加強(qiáng)樁柱，樁間距3m。在常水位以上50cm處采用φ430×6mm鋼管進(jìn)行橫向連接。下橫梁采用雙肢Ι56型鋼，縱梁邊梁采用三肢Ι56型鋼，中梁采用雙肢Ι56型鋼?？v向間距75cm設(shè)置一道上橫梁，采用Ι20型鋼。橋面板由橫向間距30cm的Ι12a型鋼和8mm厚鋼板組成。鋼棧橋加強(qiáng)斷面如圖3所示，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖4所示。

圖3 鋼棧橋加強(qiáng)橫斷面

圖4 鋼棧橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

2.3 邊界條件

鋼管樁采用m法模擬實(shí)際樁基的受力情況，設(shè)計(jì)參數(shù)按照有關(guān)規(guī)定取值，主橫梁與鋼管樁頂部固接，鋼管樁與平聯(lián)間為固接，建立模型，縱梁與鋼管頂部為鉸接。

2.4 鋼管樁嵌固點(diǎn)驗(yàn)算

φ630×10mm 鋼管樁的嵌固點(diǎn)計(jì)算公式：

土層為粗砂，式中m取15 000kN/m4，b0=2d，其中d為樁徑，d=0.6m，b0=1.2m，E=2.06×108kN/m2。

嵌固點(diǎn)深度：

Zm=2.2T=2.2×1.56=3.4m

鋼管樁入土深度滿足嵌固點(diǎn)深度要求。

3 鋼管樁抗拔承載力分析

3.1 建立模型

選取大埔側(cè)棧橋最不利跨徑(3m+4×9m+3m)作為標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)進(jìn)行計(jì)算(圖5)，采用空間結(jié)構(gòu)計(jì)算程序Midas Civil 2015建立全橋模型(圖6)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計(jì)算分析。本計(jì)算根據(jù)實(shí)際地質(zhì)資料采用m法模擬實(shí)際樁基受力情況，全橋共劃分為654個(gè)節(jié)點(diǎn)和885個(gè)單元。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)棧橋總體布置

圖6 韓江大橋鋼棧橋全橋模型

3.2 主要材料

棧橋均采用Q235B鋼材，其力學(xué)性能見表1。

表1 材料力學(xué)性能參數(shù)

3.3 地質(zhì)參數(shù)

根據(jù)地勘鉆孔XQZK550、XQZK557、XQZK563、XQZK566，西側(cè)鋼管樁長度范圍內(nèi)地質(zhì)主要以粗砂、卵石為主，東側(cè)鋼管樁長度范圍內(nèi)地質(zhì)主要以粉質(zhì)粘土、粗砂、卵石為主。根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D63-2007)，各地層計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 樁周土力學(xué)性能參數(shù)

3.4 設(shè)計(jì)荷載取值

計(jì)算采用的設(shè)計(jì)參數(shù)按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)及《港口工程荷載規(guī)范》(JTS 144-1-2010)的有關(guān)規(guī)定取值，其中：

(1)自重。橋面采用8mm厚鋼板，每延米自重5.02kN/m；I12a橫向間距30cm，8m橋?qū)捁灿?jì)26片工字梁，每延米自重3.64 kN/m；I20a縱向間距75m，每根梁長8.3m，每延米自重2.32kN/m；以上3項(xiàng)自重作用于模型I20橫向上，均布荷載為1.3 kN/m。

表3 縱梁I12水流力參數(shù)

水流阻力系數(shù)與構(gòu)件形狀尺寸，片數(shù)及水深均有關(guān)系。

橋面板縱梁I12共有26片工字梁。26片縱梁I12水流力合計(jì)為14.1kN/m。假設(shè)I20上橫梁之間雜物填塞，其水流力為：0.5×2.32×1×9×0.2=2.1kN/m。

縱主梁分為三肢I(xiàn)56和雙肢I(xiàn)56主梁。

表4 縱主梁I56水流力參數(shù)

三肢邊主梁水流力合計(jì)為8.8kN/m，雙肢邊主梁水流力合計(jì)為5.1kN/m。

墩柱水流力計(jì)算見表5。作用點(diǎn)在頂面以下1/3高度處。

表5 墩柱水流力參數(shù)

(3)漂浮物撞擊力。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)，假設(shè)漂浮物自重為10t，撞擊力F=100×3/9.81=30.0kN，假設(shè)撞擊力作用于跨中橋墩處。

3.5 計(jì)算工況

本次計(jì)算分別考慮主棧橋兩種工況：工況1為每排4根樁基；工況2為每排3根樁基。

從表1中看出，第一道氣環(huán)的閉口間隙較小，第二道及第三道密封環(huán)閉口間隙較大，其原理利用第二、三道密封環(huán)較大的閉口間隙將其上部的壓力泄去，增大第一道環(huán)的上下壓差，以便活塞頂上的高壓氣體可以輕易地將缸壁上的機(jī)油吹下，減少機(jī)油的消耗。所以第二、三道環(huán)是不會出現(xiàn)閉口間隙過小的問題，下面通過計(jì)算來確認(rèn)第一道環(huán)的閉口間隙允許的最小值。

荷載組合考慮基本組合和偶然組合，主要考察棧橋樁基在水流作用下的承載能力。

(1)作用基本組合。即永久作用的設(shè)計(jì)值效應(yīng)與可變作用設(shè)計(jì)值效應(yīng)相組合，考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)及各作用效應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)。

(2)作用偶然組合。即永久作用的設(shè)計(jì)值效應(yīng)與偶然左右設(shè)計(jì)值效應(yīng)相組合，同時(shí)考慮與偶然作用同時(shí)出現(xiàn)的可變作用。

3.6 樁基軸力分析

基本組合下樁基軸力如圖7～圖8所示。

圖7 工況1基本組合下樁基軸力圖8 工況2基本組合下樁基軸力

偶然組合下樁基軸力如圖9～圖10所示。

圖9 工況1偶然組合下樁基軸力

圖10 工況2偶然組合下樁基軸力

計(jì)算結(jié)果匯總于表6。

表6 荷載組合下鋼管樁軸力匯總 (單位：kN)

3.7 樁基抗拔承載力計(jì)算

根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.3.8條規(guī)定，計(jì)算結(jié)果如表7。

表7 鋼管樁抗拔承載力

由工況1計(jì)算結(jié)果可知，大埔側(cè)樁基樁長應(yīng)不小于12.5m，潮州側(cè)樁基樁長不小于18.2m。

4 棧橋施工注意事項(xiàng)

4.1 設(shè)備選型

根據(jù)棧橋設(shè)計(jì)，最大起重量為8.45t，吊幅為9m，鋼管樁最長為17m，考慮到施工安全，選用55t履帶吊進(jìn)行施工，選用DZ-90型振動錘，最大激振力579kN，能夠滿足施工要求。

4.2 施工測量控制

棧橋施工主要采用履帶吊和振動錘施沉鋼管樁，其鋼管樁定位采用進(jìn)場校核后的GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)。鋼管樁垂直度控制采用控制點(diǎn)上2臺儀器對鋼管樁兩個(gè)方向的垂直度進(jìn)行控制，在打入過程中及時(shí)進(jìn)行糾偏。

4.3 鋼管樁施工要點(diǎn)

(1)鋼管樁樁頂高程控制：在鋼管樁沉放過程中，由于振動錘在關(guān)閉后會有余振，致使鋼管樁在關(guān)閉振動錘后還回繼續(xù)下沉，如在鋼管樁施打到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)才關(guān)閉振動錘，就會使鋼管樁樁頂高程比設(shè)計(jì)高程低。為了避免鋼管樁施打過低而影響棧橋的整體高程，應(yīng)提前關(guān)閉振動錘。

(2)鋼管樁偏位控制：在鋼管樁施沉過程中，設(shè)計(jì)要求鋼管樁平面偏位為±10cm以內(nèi)；同一排鋼管樁偏位應(yīng)向同一方向，并且盡量控制鋼管樁偏位，以免下橫梁無法安裝。在主棧橋和支棧橋最后一跨鋼管樁施沉?xí)r應(yīng)比鋼管樁設(shè)計(jì)位置縮小5cm，以免縱梁無法安裝。

(3)鋼管樁垂直度控制：采用控制點(diǎn)上2臺儀器對鋼管樁兩個(gè)方向的垂直度進(jìn)行控制，在打入過程及接樁過程中及時(shí)進(jìn)行糾偏。

5 結(jié)語

(1)山區(qū)河流汛期水位暴漲暴落，淹沒式棧橋在滿足施工保證率的前提下降低橋面標(biāo)高，減少鋼管樁入土深度，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

(2)在靠近河中心位置棧橋所受水平力較大，在上游方向增設(shè)一排輔助樁，可明顯增加鋼棧橋的橫向抵抗力，改善鋼管樁軸向受力。

(3)考慮到?jīng)_刷效應(yīng)，樁基應(yīng)在滿足承載力的基礎(chǔ)上適當(dāng)加長或做好相應(yīng)措施，確保樁基處不發(fā)生沖刷。

(4)特大洪水來臨時(shí)，洪水位高于淹沒式棧橋橋面標(biāo)高，大大減輕漂浮物對棧橋的水平?jīng)_擊作用及阻水影響，避免了棧橋在特大洪水來臨時(shí)需承受水流力與漂浮物的荷載組合作用，提高了鋼棧橋的安全性能。