可通航鋼便橋設計與施工技術(shù)研究

張立華

（中鐵二十局集團第四工程有限公司 山東青島 266061）

1 工程概況

1.1 大橋概況

白沙水特大橋橋址位于深茂鐵路江門至茂名段臺山市白沙鎮(zhèn)境內(nèi)，跨河主槽為（32+48+32）m連續(xù)梁，采用掛籃懸臂澆筑施工。主跨墩臺79#和80#位于河床岸邊，采用筑島進行鉆孔樁施工和鋼板樁圍堰進行承臺和墩柱施工。

1.2 地質(zhì)和水文情況

白沙水河面寬度約為51 m，常水位0.56 m，水深約為3.7 m，受潮汐影響較大，水深受潮汐的影響在1～3 m范圍。白沙水河為Ⅶ級通航河流，航道凈寬為32 m，通航凈空4.5 m。通航船舶一般為運輸砂石料及鋼材的貨船，每天有少量船只通行。地勘報告揭示，河床表層為淤泥質(zhì)土、砂礫石、灰?guī)r層，厚3～23 m，極限承載力為1 500 kPa。該區(qū)域為巖溶區(qū)，巖溶發(fā)育，溶洞較多，而且河床岸邊存在有零星拋石和孤石。

1.3 設置通航鋼便橋的必要性

（1）橋址附近主要為農(nóng)田和水塘，兩岸地勢起伏不大，無其它公路橋梁跨河。為了方便大橋施工所需砂石料、鋼材及混凝土的運輸，需要在大橋一側(cè)修建鋼便橋以拉通兩岸施工便道。

（2）該河每天有少量船舶通行，如果按通行的凈空要求建設鋼便橋，橋面的標高就比較高，與兩岸便道的連接需要更長的填筑路基，或設置比較大的坡度上橋。兩岸路基填筑長度有限，較大的坡度也不利于安全性，而且建設高位便橋?qū)τ跇蚺_和鋼管樁基礎都有較大的投入。綜合比選，選擇了低位便橋方案，需要通航時將通航跨提升起來，船只駛過后再將通航跨降落（見圖1）。

圖1 鋼便橋立面及平面

2 鋼便橋設計

2.1 鋼便橋應具備的功能和參數(shù)

該鋼便橋通行車輛主要為拉運鋼材的掛車和混凝土罐車（12 m3），罐車滿載最大集中載荷為50 t。河水最低常水位+0.560 m，考慮潮汐影響1～3 m范圍，則鋼便橋主梁底標高可考慮+3.560，在最高水位時考慮通航凈空4.5 m，則便橋抬高后主梁底標高為+8.060。便橋通車狀態(tài)和通航狀態(tài)的標高按以上標高確定，便橋?qū)挾劝磫诬嚨?，凈? m。

2.2 鋼便橋跨徑設計和主梁器材選用

白沙水河通航跨度為32 m，通行小型的貨運船舶。通過與航道與海事部門溝通，同意建設（12+24+12）m跨徑的三跨鋼便橋，其中通航跨24 m，滿足通航要求。

鋼便橋主梁當前選用最多的是321貝雷梁，多數(shù)采用9 m或12 m跨。根據(jù)貝雷梁的力學性能［1］，通航跨24 m需要更多的片數(shù)并采用加強桿件［2］，或采用雙層拼裝形式，需要投入的貝雷梁數(shù)量較多。通過比選，擬采用自有的六四式鐵路軍用梁［3］，如圖1所示，采用單層4片。軍用梁寬度52 cm，間距52 cm，從力學性能和經(jīng)濟性上都優(yōu)于貝雷梁。

相關(guān)參數(shù):集中載荷最大的為混凝土罐車，集中載荷按50 t計；單片六四梁上下弦桿許用拉壓力為100 t，梁高1.5 m；單片六四梁（含布設的橋面）均布載荷為 300 kg／m。單片動載 P＝50 t／4＝12.5 t，恒載 q＝0.3 t／m，通航跨跨度 L＝24 m。

當行車載荷至跨中時，彎矩M＝PL／4+qL2／8＝96.6 t·m，則單片梁的弦桿拉壓應力F＝M／1.5＝64.4 t?？紤]1.3倍的容許應力系數(shù)［4］，則拉壓力為83.72 t，小于弦桿的許用拉壓應力100 t，抗彎強度滿足條件，而且有可靠的安全系數(shù)。

履帶吊吊裝六四式軍用梁時，履帶吊自重和吊重為60 t，但其只在12 m的邊跨上行走，力學檢算也能滿足要求［5］。

三跨鋼便橋的主梁不連續(xù)，每跨主梁兩頭為端構(gòu)架，支反力在端構(gòu)架的下弦桿上，布局合理。

2.3 鋼便橋下部結(jié)構(gòu)設計

下部結(jié)構(gòu)包括兩岸橋臺、鋼管樁基礎、縱橫墊梁等。

（1）橋臺采用C25混凝土，擴大基礎，臺階狀。臺階平臺放置承擔主梁的墊梁，臺階的背墻為擋土墻。

（2）鋼管樁基礎采用四根φ600×10螺旋鋼管，縱向×橫向為2×3.5 m間距。鋼管樁之間設置立面和平面剪刀撐，用槽鋼焊接。

（3）鋼管樁頂部割出縱向槽體，槽體上平鋪14 mm厚鋼板，縱向兩鋼管之上槽體放置縱向墊梁，采用兩片400工字鋼，工字鋼與鋼管接觸夾角位置焊接三角形牛腿。在縱梁上布置兩組橫梁，分別用于支撐邊跨和通航跨的主梁。橫梁采用兩片400工字鋼，與主梁用U型螺栓連接，兩個邊跨所用橫梁與下墊縱梁焊接，通航跨兩頭的橫梁放置在縱梁上加工的限位槽體內(nèi)，不與下墊縱梁焊接。

2.4 鋼便橋橋面設計

由于六四式軍用梁寬52 cm，軍用梁間距也是52 cm，四片梁頂面由六四梁的8根上弦桿（160槽鋼）構(gòu)成一個平面，這為橋面布置提供了方便，力學支撐更加合理，其總體跨度也適合車輛比較均勻地把載荷分布到各片軍用梁上。橋面采用300槽鋼橫向扣放，長度4 m一根，每根間隙2 cm，便于用U型螺栓將槽鋼與軍用梁上弦桿連接。便橋欄桿采用48 mm的鋼管制作，高1.4 m。

2.5 鋼便橋提升裝置設計

提升裝置包括門架、扁擔梁、提升卷揚機、電氣控制系統(tǒng)等，具體見圖2。

圖2 鋼便橋提升裝置（單位：m）

（1）門架共兩個，通航跨的每頭各一個，門架由鋼管樁基礎和上墊梁組成。便橋每側(cè)兩根鋼管樁，縱向間距2 m，高度按提升4.5 m計算。鋼管樁頂部割出槽體，鋪設鋼板，兩根鋼管樁槽體縱向放置兩片400工字鋼?？v梁上方布置兩片橫向墊梁，兩片墊梁采用400工字鋼，間距80 cm，墊梁間用16槽鋼焊接成一個整體。

（2）扁擔梁實際為通航跨主梁下方的橫向墊梁，用U型螺栓與4片主梁連接為一體。扁擔梁與下方的縱向墊梁是分離的，只是放置在限位槽體內(nèi)，同時為便于下降過程中扁擔梁準確就位，其限位裝置加工成喇叭口式，起到導向作用。

（3）采用四臺2 t的卷揚機，每個門架上方兩臺，其吊點位置與扁擔梁的端部吊點位置處于一個垂度上。每臺卷揚機配備兩個滑輪組，其中上方的定滑輪懸掛在門架橫梁間的圓鋼上?；喗M采用兩輪片，鋼絲繩走5道，提升額度為10 t，總提升額度為40 t。通航跨總重量為32 t，滿足載荷要求。

（4）電氣控制系統(tǒng)包括控制柜、行程開關(guān)、操作手柄等。其中控制柜包含空氣開關(guān)、接觸器、熔斷器、繼電器等，具有過載保護、失壓保護、短路保護等功能，既可統(tǒng)一操作四臺卷揚機進行升降作業(yè)，又可單獨操作某一臺卷揚機進行調(diào)整。兩個門架都安裝了上行和下行行程開關(guān)，到達預定極限后不停止作業(yè)，行程開關(guān)被觸動而斷電。

3 鋼便橋施工

首先要在現(xiàn)場平整出設備停放場地和器材拼裝場地，將便橋所需鋼管樁、工字鋼、連接系槽鋼、橋面槽鋼、護欄鋼管、六四軍用梁器材等運送到場地內(nèi)。在進行橋臺施工的同時，進行墊梁的加工及器材的拼裝，待橋臺混凝土強度滿足后開始施工一個邊跨，然后設備轉(zhuǎn)場到對岸，施工另一個邊跨，最后設備移至已施工的邊跨上安裝通航跨。根據(jù)該橋情況，選取50 t履帶吊和60型振動錘進行鋼管樁的打設與軍用梁的吊裝，另安排一臺16 t汽車吊配合裝卸車、鋼材加工和器材拼組。租用一艘小船用于配合水上焊接等施工［6］。

3.1 鋼便橋下部結(jié)構(gòu)施工

3.1.1 橋臺施工

（1）根據(jù)設計圖紙，用全站儀和水平儀測量確定橋臺位置。

（2）自卸車外運土方至施工現(xiàn)場，挖機填筑施工平臺。

（3）修筑臨時圍堰，外圍堆碼雙層草（麻）袋，中間填筑黏土心墻。

（4）放坡進行基坑開挖。

（5）基坑開挖完成后，用抽水機抽干圍堰內(nèi)積水。施工期間在圍堰內(nèi)挖積水坑，隨時將水抽干。

（6）支立模板，混凝土澆筑，完成橋臺施工。

3.1.2 鋼管樁打設

（1）待橋臺混凝土強度滿足后，填筑橋臺背墻后便道，履帶吊開到橋臺后采用釣魚法用振動錘逐根打設鋼管樁［7］。鋼管樁打設深度控制以設計深度為主，以振動錘打設貫入度為輔［8］。

（2）鋼管樁打設到水平面以上1 m左右仍需打設時，接樁然后繼續(xù)打設，直到鋼管樁下沉緩慢，振動錘出現(xiàn)反彈，說明管樁貫入度滿足承載力和穩(wěn)定性要求。

（3）4根打設完成后按標高要求截除多余管樁，割出槽體，焊接平面鋼板。

（4）吊裝縱橫墊梁，焊接邊跨下方的墊梁。通航跨主梁下方的墊梁放置到限位槽體中臨時固定。便橋的一個下部結(jié)構(gòu)施工完成，另一個水中下部結(jié)構(gòu)按同樣方法施工。

3.1.3 溶洞與孤石的處理

（1）在打設鋼便橋小里程方向兩根鋼管樁時，到一定深度后出現(xiàn)了快速下沉的情況（3 m左右），該兩根管樁接樁長度也相比其它樁長出不少，應為管樁穿透了溶洞。為增加管樁的承載力，采取了接樁補打，以振動錘打設貫入度為控制標準，同時抽排管樁內(nèi)泥水，管樁內(nèi)灌注混凝土，灌注深度以達到河床面以下進行控制，以便拆除便橋時潛水員沿河床面割除鋼管樁。

（2）在打設大里程方向立柱的某一根鋼管樁時，遇到了打設深度比計算深度嚴重不足并有少量移位的情況，疑似遇到了孤石。適當變化位置增設了一根鋼管樁，并用聯(lián)接系將兩根管樁進行連接，墊梁也適當加長，搭設在三根管樁上。

3.2 鋼便橋上部結(jié)構(gòu)施工

（1）上部結(jié)構(gòu)施工包括鋼便橋主梁、橋面、護欄的拼裝架設。主梁拼裝在現(xiàn)場進行，采用16 t汽車吊將軍用梁的三角架、弦桿、端構(gòu)架用鋼銷連接起來。兩個邊跨分別在橋臺后方用履帶吊采用釣魚法逐片吊裝就位，然后通過U型螺栓與墊梁連接，再用U型螺栓和槽鋼將4片主梁連接起來，增加整體穩(wěn)定性。

（2）把已經(jīng)加工好的橋面槽鋼吊裝到主梁上，然后人工鋪設到位，每根槽鋼用4個U型螺栓進行連接。

（3）在鋪設好的橋面兩側(cè)焊接護欄后刷漆，完成上部結(jié)構(gòu)施工。

3.3 鋼便橋提升裝置施工安裝

提升裝置施工安裝按以下順序進行:門架鋼管樁打設——剪刀撐焊接——墊梁吊裝焊接（含定滑輪懸掛圓鋼）——卷揚機吊裝就位——滑輪組安裝——電氣控制安裝——鋼絲繩纏繞等。除電動裝置外都與便橋下部結(jié)構(gòu)類似。

3.4 鋼便橋的試運行

（1）鋼便橋施工完成后進行質(zhì)量驗收，然后進行行車試驗，先小型車輛再增大到大型車輛；檢查橋臺、便橋鋼結(jié)構(gòu)在試運行過程中沉降量和下?lián)隙?，在允許范圍內(nèi)則通過驗收。

（2）啟動升降裝置，檢驗通航跨的起升和降落是否平穩(wěn)、極限行程開關(guān)是否有效、下降入槽是否順利和準確，一切正常通過驗收（見圖3）。

圖3 鋼便橋現(xiàn)場

4 鋼便橋通行和通航安全防護

4.1 鋼便橋通行安全防護

鋼便橋護欄和升降門架刷紅白間隔油漆，部分間斷刷夜間反光漆；便橋門架上安裝照明，便于夜晚車輛通行；兩側(cè)橋臺路基上設立限速和限載標志，限速10 km／h，限載50 t；設立便橋告知牌，寫明用途，嚴禁社會車輛通行。平時安排專人對便橋進行交通管理，發(fā)現(xiàn)超載、超速和社會車輛進行攔截，通航時設置臨時欄桿禁止車輛通行。

4.2 鋼便橋通航安全防護

（1）與有關(guān)航道、海事管理部門溝通。鋼便橋設計滿足通航條件和防洪條件［9］，申請辦理鋼便橋施工作業(yè)許可證，擬定有航道、海事部門批準的《大橋施工期水上交通安全管理暫行規(guī)定》，以便根據(jù)施工需要按時發(fā)布航行通告，告示船舶通過橋區(qū)航道的安全注意事項［10］。

（2）鋼便橋在施工期間設置連續(xù)黃色警示燈，標示便橋的位置，便橋通航跨安裝時禁止通航。在上下游200 m處各設置一塊施工告知、限高牌和限速牌，做好警示工作；在航道上下游100 m位置，設置有關(guān)航道信息的標志，如信號標、界限標等。

（3）安排專人監(jiān)護過往船舶的安全通過，與當?shù)睾Ｊ虏块T聯(lián)合監(jiān)控，禁止船舶在施工水域上下游200 m內(nèi)追越、相會，防止事故發(fā)生，切實保障船舶安全通過。

（4）在便橋通航孔上設置醒目的橋梁凈空提示牌、航標等警示標識，提醒過往船只注意安全，不允許碰撞。

5 鋼便橋的維護及拆除

5.1 鋼便橋的維護

定期檢查內(nèi)容包括:橋臺和鋼管樁的沉降情況；有洪水過后需要測量橋臺和鋼管樁的沖刷及埋深情況；軍用梁和墊梁的變形情況；橋面的變形和槽鋼移位情況等。一旦有大的沉降和結(jié)構(gòu)變形則中斷車輛通行，對發(fā)現(xiàn)的異常情況進行分析，修復后才能恢復通行。日常維護工作包括:定期緊固墊梁、軍用梁、橋面上的U型螺栓；及時清理橋面上的泥土。

5.2 鋼便橋的拆除

待鐵路工程結(jié)束后進行鋼便橋拆除。拆除工程有更大的安全風險，需制定安全專項方案［11］，嚴格按順序施工。拆除順序為架設的逆過程，只有灌注水泥的超長鋼管樁無法用振動錘拔除，在潮汐最低水位時安排潛水員下水在河床上切割鋼管樁，用吊車吊裝河床以上的管樁。軍用梁在岸邊場地分解，然后運回器材倉庫。

6 可升降鋼便橋的擴展應用

（1）有更大通航寬度要求的，可以將六四式軍用梁拼裝成雙層結(jié)構(gòu)，并根據(jù)載荷情況增加片數(shù)，最大跨度可達50 m。

（2）在某些河流上每年都有一定時間的汛期或凌期，一般都是提前拆除鋼便橋的上部結(jié)構(gòu)，保留下部結(jié)構(gòu)，待汛期或凌期過后再恢復，耗費很大的財力物力。有的得到洪峰即將來臨的消息，來不及拆除，洪水漫過主梁，被大量漂浮物沖垮。采用多跨可升降的鋼便橋度汛和度凌，避免了反復拆除安裝。

7 結(jié)束語

鋼便橋使用了三年多的時間，沒有出現(xiàn)過異常情況，通行車輛和通航都很順利，得到了實踐驗證。該可升降鋼便橋結(jié)構(gòu)已獲得國家實用新型專利［12］，對于有類似需要可升降鋼便橋的施工項目不失為一種良好的方案，并可推廣至度汛和度凌使用。