海上裸巖區(qū)彎曲形鋼棧橋設(shè)計(jì)與施工

曹劍平 劉賀奇

【摘 ?要】通過海洋與島嶼型地貌地區(qū)的鋼棧橋分析，找出其設(shè)計(jì)和施工方面的多個(gè)不同點(diǎn)，從而根據(jù)實(shí)際情況來豐富鋼棧橋的設(shè)計(jì)和施工內(nèi)容，以確保鋼棧橋在海洋氣象下的結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行，文章通過浙江省舟山市小干島至長峙島通道工程鋼棧橋工程實(shí)例，分析了一些針對(duì)項(xiàng)目自然特點(diǎn)和工程特點(diǎn)而采取的相關(guān)措施，希望能夠完善鋼棧橋施工方法。

【關(guān)鍵詞】連島工程;鋼棧橋;裸巖地質(zhì);曲線形;

1項(xiàng)目概況

該通道起于小干島，途徑茶山島，西至長峙島，采用海上橋梁連通。線路島礁星羅棋布，規(guī)模懸殊較大，具有典型的海洋與島嶼型地貌特征，水底地形因島礁分布雜亂，半日淺海潮型，全年平均風(fēng)速為5.2m/s，鋼棧橋共有218m為裸巖區(qū)域，表面為強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r，無覆蓋層。

2總體布置

鋼棧橋工程總長1460m，寬度9m，線路為曲線形，平曲線半徑最小為R-610，棧橋最大跨度12m，需要滿足70t（80t）履帶吊與50t罐車錯(cuò)車。

鋼棧橋處于彎曲線路上，為適應(yīng)線形變化，鋼棧橋整體分段，每段按直線搭設(shè)，每段約60米，相鄰段之間斷開，每段鋼棧橋首尾兩端各懸臂1.5m，每段鋼棧橋按照曲線內(nèi)切法設(shè)置，以保證鋼棧橋總體線形，斷開縫中心線處寬度約3cm，斷開縫同時(shí)作為伸縮縫裝置。斷開處的鋼棧橋管樁連接成框架結(jié)構(gòu)，設(shè)置上下兩層400鋼管，以保證鋼棧橋整體穩(wěn)定性。

由于本鋼棧橋處于海洋區(qū)和臺(tái)風(fēng)區(qū)，故在受力計(jì)算中充分考慮了水流速和13級(jí)風(fēng)速等不利因素對(duì)棧橋的影響，設(shè)計(jì)考慮控制荷載：①考慮自重80t履帶吊和吊重20t為使用荷載;②12方混凝土罐車（滿載按50t計(jì)）滿載通行作為使用荷載;除此之外鋼棧橋滿足公路I級(jí)荷載要求。

線路上地質(zhì)分布有覆蓋土層、強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r和中風(fēng)化凝灰?guī)r，全線各層分布極不均勻，各層分布厚度變化大，水下河床起伏劇烈，一些地段水下直接裸露為強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r。根據(jù)地質(zhì)情況不同，鋼棧橋按結(jié)構(gòu)分區(qū)為覆蓋層區(qū)域和裸巖區(qū)域。

2.1鋼棧橋設(shè)計(jì)概述

鋼棧橋覆蓋層區(qū)域，表面泥層較厚，適合鋼棧橋搭設(shè);鋼棧橋裸巖區(qū)域，共計(jì)218m，表面為強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r，無覆蓋層，其下下臥中風(fēng)化凝灰?guī)r，鋼棧橋全線采用軍用貝雷梁作為主梁，2+3+2貝雷梁組合結(jié)構(gòu)形式，鋼棧橋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)跨徑12m。

2.2鋼棧橋斷面設(shè)計(jì)

覆蓋層區(qū)域下部采用4根?630×10鋼管樁;裸巖區(qū)域下部采用3根?800×10鋼管樁。鋼管樁上結(jié)構(gòu)總體采用雙肢工40a下橫梁、“2+3+2”組合軍用貝雷梁、縱橫分配梁和面板組合體的預(yù)制面板。

裸巖區(qū)鋼管樁入巖深度全部采用沖孔形式成形，為加強(qiáng)棧橋整體穩(wěn)定性，其中每排架中部樁基設(shè)置為沖孔成型的C35鋼筋混凝土錨樁，兩側(cè)其余的2根鋼管樁采用沖孔成型的下部灌砂密實(shí)加固。棧橋布置如圖1所示。

3鋼棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼棧橋設(shè)計(jì)參數(shù)：水流速：V=1.76m/s，正常工作風(fēng)速：V0=17.1m/s（7級(jí)風(fēng)），最大風(fēng)速：V=41.4m/s，設(shè)計(jì)高水位：+3.2m。

3.1荷載組合及分析工況

3.1.1工況一：高潮位，履帶吊未起重吊裝，與混凝土罐車錯(cuò)、讓車。

考慮：①上部結(jié)構(gòu)荷載、②施工荷載、③履帶吊、④罐車、⑤風(fēng)荷載、⑥水流力的組合。計(jì)算組合如下：

標(biāo)準(zhǔn)組合：1.0（①+②+③+④+⑤+⑥）

基本組合：1.2①+1.4（②+③+④+0.7⑤+⑥）

3.1.2工況二：高潮位，履帶吊在棧橋邊側(cè)向起重吊裝。

考慮：①上部結(jié)構(gòu)荷載、②施工荷載、③履帶吊、⑤風(fēng)荷載、⑥水流力的組合。計(jì)算組合如下：

標(biāo)準(zhǔn)組合：1.0（①+②+③+⑤+⑥）

基本組合：1.2①+1.4（②+③+0.7⑤+⑥）

3.2結(jié)構(gòu)計(jì)算

采用大型有限元軟件Midas/Civil對(duì)鋼棧橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

3.2.1覆蓋層區(qū)域鋼棧橋結(jié)構(gòu)驗(yàn)算：以工況一的基本組合下，貝雷梁結(jié)構(gòu)驗(yàn)算為例，如圖2、圖3所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，貝雷梁的最大組合應(yīng)力為259.4MPa，小于許用應(yīng)力 =273MPa;貝雷梁最大的撓度為13.10mm，小于計(jì)算跨度的1/400（12000/400=30mm）。貝雷梁的強(qiáng)度、剛度滿足規(guī)范要求。

3.2.2 裸巖區(qū)結(jié)構(gòu)計(jì)算

鋼棧橋裸巖區(qū)域結(jié)構(gòu)驗(yàn)算：以工況一的基本組合下，以鋼管樁結(jié)構(gòu)驗(yàn)算為例，如圖4、圖5所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，鋼管樁的最大組合應(yīng)力為38.9MPa，小于許用應(yīng)力 =175MPa。鋼管樁最大變形為3.08mm，小于L/2500（18000/2500=7.2mm）。鋼管樁的強(qiáng)度、剛度滿足規(guī)范要求。

3.3 鋼棧橋穩(wěn)定性驗(yàn)算

通過屈曲分析，查看振型屈曲模態(tài)，屈曲分析計(jì)算結(jié)果如下，如圖6所示。

在最不利情況下，整體安全系數(shù)為9.569，大于4，滿足要求。

3.4裸巖區(qū)入巖深度計(jì)算

裸巖區(qū)域φ800鋼管反力標(biāo)準(zhǔn)值最大值N=563.9KN，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

則有N=563.9kN

3.5強(qiáng)臺(tái)風(fēng)作用鋼棧橋結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

當(dāng)臺(tái)風(fēng)等級(jí)大于13級(jí)時(shí)，棧橋應(yīng)停止使用。按強(qiáng)臺(tái)風(fēng)13級(jí)，工作基本風(fēng)速為41.4m/s。此時(shí)棧橋受到結(jié)構(gòu)自重、13級(jí)臺(tái)風(fēng)荷載、水流荷載作用。

在最不利情況下，鋼管樁、后錨樁整體安全系數(shù)為6.925，大于4，滿足要求，鋼棧橋結(jié)構(gòu)應(yīng)力、撓度變形、安全系數(shù)均在規(guī)范范圍內(nèi)。

4鋼棧橋施工

4.1鋼管樁沉樁

鋼管樁振沉，采用履帶吊車配合振動(dòng)錘、定位架及限位器位置插打鋼管樁，管樁管節(jié)拼接位置采用坡口焊接，給予局部加強(qiáng)，周邊貼焊鋼板。按設(shè)計(jì)長度拼裝好，從后場運(yùn)輸?shù)角皥觯鸶┐蚝徒娱L，在振沉與接樁過程中要不斷的檢測樁位與樁的垂直度，全橋排架推進(jìn)式施工。全線由于地質(zhì)情況變化大，每施工一個(gè)樁基后，及時(shí)根據(jù)振動(dòng)錘施工時(shí)，相關(guān)數(shù)據(jù)推算樁基容許承載力，不符合要求的必須繼續(xù)振動(dòng)下沉。

4.2鋼棧橋下部安裝

鋼棧橋一個(gè)墩位處鋼管樁施沉到位后，立即進(jìn)行該墩鋼管樁間平聯(lián)，連接完成經(jīng)檢查合格后進(jìn)入下道工序，對(duì)于每段首尾處，鋼管樁之間的上下兩層鋼管連接更應(yīng)加強(qiáng)檢查力度。

將鋼管樁頂部按要求開口，吊雙拼I40a安裝入樁頂開口內(nèi)，兩側(cè)用鋼板將雙拼I40a與鋼管樁焊接牢固，所有與鋼管聯(lián)接處加設(shè)加勁鋼板，連接與橫梁安裝完成后，一排鋼棧橋支撐樁的下部結(jié)構(gòu)施工即告完成。

4.3鋼棧橋上部安裝

鋼棧橋主縱梁采用“321”型軍用貝雷梁，按“2+3+2”布置。預(yù)先在后場拼裝好每組貝雷梁，現(xiàn)場采用履帶吊安裝每組貝雷梁。使用槽8加工的“門”型限位器進(jìn)行限位。

面層采用橫向工25a@75cm、面板采用工12.6a型鋼與10mm鋼面板組合的預(yù)制面板。工25a與貝雷片連接采用“U”型螺栓連接。

面層與貝雷梁連接后，對(duì)該跨進(jìn)行綜合檢查，合格后，安裝定制護(hù)欄，由于本鋼棧橋長度大，每一段鋼棧橋施工完成，必須進(jìn)行每段的綜合檢查。

4.4裸巖區(qū)域施工

采用?630×10臨時(shí)鋼管樁和臨時(shí)平臺(tái)，臨時(shí)鋼管樁設(shè)置在鋼棧橋?800×10樁位外圍與兩?800×10樁位中間，每排4根，臨時(shí)鋼管樁施沉?xí)r，設(shè)置縱橫向?qū)蚣芏ㄎ唬褂?20震動(dòng)錘振沉臨時(shí)鋼管樁施沉至強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r中，振沉至臨時(shí)鋼管樁無法繼續(xù)下沉為止。

臨時(shí)鋼管樁施沉完成后，安裝臨時(shí)平臺(tái)（該臨時(shí)平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)與鋼棧橋一致），搭設(shè)完成后，將鋼棧橋支撐基礎(chǔ)?800×10樁位處的面板移除，并在此樁位處下沉φ1000*10套筒鋼管樁，然后采用φ830沖擊鉆進(jìn)行沖孔，充分考慮現(xiàn)場地質(zhì)情況變化復(fù)雜多樣和施工工藝要求高，將設(shè)計(jì)的裸巖區(qū)入巖深度加深2m，沖孔深度變更為5m。

裸巖區(qū)每12m設(shè)置1根鋼筋混凝土錨樁（每排架中間樁），其余每排架2根錨樁采用灌砂加固處理，混凝土錨樁（配置φ16HRB335主筋和φ8HPB235箍筋的鋼筋籠）采用澆筑水下C35砼。

沖孔完成后，下放?800×10錨樁和鋼筋籠至樁底，水下灌注混凝土至設(shè)計(jì)高度，拔出套筒鋼管樁，鋼棧橋裸巖區(qū)鋼管樁錨樁基礎(chǔ)成型，灌砂法加固法：沖孔完成后，對(duì)套筒鋼管樁內(nèi)灌砂6m，使用振動(dòng)錘將φ800鋼管樁插入至沖孔樁孔底，再用振動(dòng)錘將φ800鋼管樁緩慢地從樁底拔出至沖孔樁灌砂頂部50cm，其后緩慢振沉至沖孔樁孔底并調(diào)整垂直度，最后采用振動(dòng)錘緩慢拔出套筒鋼管樁從而形成鋼棧橋裸巖區(qū)鋼管樁基礎(chǔ)。

鋼棧橋每一排架樁基施工完成后，將該排架的臨時(shí)鋼管樁上的雙拼I40a橫梁和其上的上部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換至?800鋼樁上并連接，轉(zhuǎn)化過程中嚴(yán)格控制各個(gè)構(gòu)件之間的緊密連接情況。

每一排架養(yǎng)護(hù)3天后方可允許重載設(shè)備上跨施工下一跨鋼棧橋。每一根?800樁基增加拋射護(hù)樁粘土袋，并隨時(shí)進(jìn)行檢查。

結(jié)束語

為了解決在海洋與島嶼型地貌地區(qū)，鋼棧橋設(shè)計(jì)和施工中，碰到的曲線形線路，總體線路長，裸巖區(qū)分布廣泛等具體問題，采取了文中的具體設(shè)計(jì)和施工措施，經(jīng)過長時(shí)間檢驗(yàn)，鋼棧橋性能完好，達(dá)到了預(yù)期設(shè)想，豐富了鋼棧橋的設(shè)計(jì)施工內(nèi)容，希望能夠?yàn)槲覈Ｑ蠊こ探ㄔO(shè)提供有積極的借鑒參考作用。

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（作者單位：中交一航局第一工程有限公司）