山區(qū)河流過水鋼棧橋設(shè)計與施工技術(shù)

謝懷智

摘要：本項(xiàng)目成功研究了一種適應(yīng)山區(qū)河流瞬時水位高漲幅及巨大沖擊力情況下的過水鋼棧橋，打破了搭設(shè)不漫水高位棧橋的傳統(tǒng)思路。在確保合理使用和安全穩(wěn)定性情況下降低了棧橋高度，從而節(jié)約了棧橋及鉆孔平臺搭設(shè)成本，彌補(bǔ)了高位棧橋的材料浪費(fèi)及安全穩(wěn)定性差的不足，高度契合了短時高水位差河流的水文條件。本項(xiàng)目過水棧橋設(shè)計思路為典型山區(qū)季節(jié)性河流、高漲幅水域棧橋設(shè)計提供更豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

Abstract： This project successfully studies a kind of steel trestle which can adapt to the situation of high rise of instantaneous water level and huge impact force in mountainous rivers， breaking the traditional idea of setting up high-level trestle without overtopping water. Under the condition of ensuring reasonable use and safety and stability， the trestle height is reduced， so as to save the construction cost of trestle and drilling platform， make up for the shortage of high trestle material waste and poor safety and stability， and it is highly suitable for the hydrological conditions of rivers with short time high water level difference. The design idea of this project provides more practical experience for the trestle design of seasonal rivers in typical mountainous areas and high rise water areas.

關(guān)鍵詞：施工棧橋;過水;抗傾覆能力設(shè)計;承載驗(yàn)算

Key words： construction trestle;overflow;anti overturning capacity design;bearing checking calculation

中圖分類號：U448.18? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）31-0149-04

0? 引言

施工鋼棧橋形式多樣，需綜合施工水位深度、地質(zhì)情況等施工環(huán)境以及工程造價、施工工期及場地條件等各個方面的因素才能決定棧橋形式、高度、跨度等。國內(nèi)傳統(tǒng)施工的多是設(shè)計高位不漫水棧橋，搭設(shè)材料浪費(fèi)多，施工成本高，較長枯水期墩身鋼管外露量大，安全隱患較大。因本項(xiàng)目河流汛期洪水歷時天數(shù)短，且汛期具有高水位差（最高超施工常水位16m），為了降低成本及提高安全可靠性，本項(xiàng)目擬采用過水棧橋方案。但國內(nèi)外極少見在水位瞬時漲幅達(dá)16m的河道中搭設(shè)可供水淹沒和沖擊的過水棧橋，故本項(xiàng)目進(jìn)行了過水棧橋施工技術(shù)的研究，以解決當(dāng)下棧橋設(shè)計問題。

1? 工程概況

漫壩河大橋（ZAK0+329.993～ZAK0+490.489）系臨渭高速公路跨越渭源縣漫壩河而設(shè);是一座受水文和地形控制的大橋。該橋橋梁形式為（5×30m）預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土小箱梁，全長160.596m，2號、3號、4號墩為水中墩。橋位屬丘陵地貌，地形起伏大。下部基礎(chǔ)設(shè)計采用雙排或多排獨(dú)立的4根1.25m或5根1.25m鋼筋混凝土鉆孔灌注樁。

漫壩河屬洮河水系，由上游河流及雨水補(bǔ)給，橋位兩岸附近無既有通道可供施工運(yùn)輸。位于河流中的水中基礎(chǔ)必須搭設(shè)棧橋才能進(jìn)行施工。本項(xiàng)目的棧橋作為施工物資、機(jī)械、混凝土運(yùn)輸及人員通行的唯一通道，且需要經(jīng)歷兩個汛期的考驗(yàn)，棧橋安全可靠性對主橋施工進(jìn)度起關(guān)鍵作用。

主橋跨越的漫壩河流經(jīng)地域長，汛期洪水不可預(yù)測因素多。加上其屬于典型山區(qū)河流，季節(jié)性強(qiáng)，枯水期時間長，常水位時水深較淺，主汛期洪水高且猛但歷時時間短，橋位處短時洪水最大漲幅高差達(dá)16m，并且洪水回落很快。

國內(nèi)外在高流速大漲幅的山區(qū)河道中搭設(shè)棧橋，普遍存在著棧橋橋面需要高于計算最高水位、長度較長、安全隱患較大、費(fèi)用高昂的情況。故本項(xiàng)目決定修筑可供水淹沒和能承受激流沖擊而不破壞的過水棧橋，但國內(nèi)外在類橋梁棧橋施工研究尚不成熟，可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)較少，故需對此類棧橋的技術(shù)方案進(jìn)行科學(xué)創(chuàng)新，以滿足施工的要求。

2? 山區(qū)河流過水鋼棧橋設(shè)計

經(jīng)本項(xiàng)目對棧橋方案進(jìn)行了多次的設(shè)計、優(yōu)化、修改及創(chuàng)新，并最終經(jīng)專家評估、論證和經(jīng)嚴(yán)格的承載驗(yàn)，最后采用的棧橋方案如下：

2.1 總體設(shè)計

為滿足漫壩河大橋2號、3號、4號水中墩基礎(chǔ)施工及兩岸施工運(yùn)輸車輛的通行需要，需在漫壩河上架設(shè)鋼棧橋，鋼棧橋按過水棧橋設(shè)計，棧橋建于橋梁下游側(cè)，距主線線路中心間距為23.2m，鋼棧橋荷載按50t單車通行考慮。棧橋?yàn)樯铣惺叫弯摻Y(jié)構(gòu)，橋面寬度6m，基本跨度9m，棧橋頂面高程設(shè)計為1993.0m。

鋼棧橋下部結(jié)構(gòu)采用Φ820×10mm鋼管樁基礎(chǔ)，每排2根，樁橫向間距4.5m，鋼管樁橫向剪刀撐采用[16a槽鋼交叉焊接，平聯(lián)采用Φ325×8mm鋼管，鋼管樁頂設(shè)置厚2cm樁頂鋼板，用于安放承重梁，承重橫梁采用三拼I40a工字鋼，鋼棧橋縱向設(shè)置9根I50b工字鋼，工字鋼中心間距為60cm+6×74cm+60cm，橋面系為鋼橋面，橋面橫向分配梁采用I22a型工字鋼，間距25cm布置，橋面板10mm厚花紋鋼板。型鋼材質(zhì)主要為Q235。

橋臺在兩岸壓實(shí)填筑的便道上澆筑鋼筋混凝土橋臺，便道為縱坡3%的填土石路基便道，并與紅線縱向便道相接。

棧橋結(jié)構(gòu)形式如圖1、圖2所示。

2.2 過水棧橋抗傾覆能力設(shè)計

①采用I50b工字鋼作縱梁。相對于通常采用貝雷梁作縱梁的棧橋結(jié)構(gòu)而言，采用型鋼結(jié)構(gòu)可以減少阻水面積，且減少漂浮物的堆積，從而加強(qiáng)過水棧橋遭遇洪水時的抗傾覆能力;

②迎水面?zhèn)葍筛ぷ咒撋舷掠?.6cm厚鋼板封住，焊縫6mm高滿焊，其余縱梁工字鋼之間均用[10槽鋼撐在兩縱梁之間并焊接，順橋向每跨布置三道，增加過水棧橋抗彎扭能力;

③棧橋護(hù)欄采用高1.2m成品可拆卸式護(hù)欄，在橋面上焊接臨時立柱，將護(hù)欄安裝在立柱上，如接到上游河水漲水通知時，可以提前進(jìn)行拆除;

④在棧橋上游設(shè)置漂浮物攔截繩，采用鋼管樁進(jìn)行固定，起到緩沖消能作用;

⑤在已打設(shè)好的鋼管樁內(nèi)灌沙，增加鋼管樁自身穩(wěn)定性。

3? 過水鋼棧橋承載計算

3.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

①棧橋橋面寬度6m，基本跨度9m，頂面高程設(shè)計為2993.0m。

②按50t履帶吊、10m3砼罐車滿載50t單車通行

考慮。

③順橋向制動力取車重的10%，即5t。

④橫橋向風(fēng)荷載：基本風(fēng)壓取0.45kN/m2。

⑤最大水流速度4.02m/s。

⑥設(shè)計行車速度15km/h，沖擊系數(shù)1.3。

3.2 計算工況

①工況一：正常施工工況（水流速2.74m/s）;

②工況二：洪水漫過便橋頂面時（流速4.02m/s，此時不施工）。

3.3 荷載組合

①組合一：自重荷載+罐車荷載+橫向風(fēng)荷載+罐車制動力+流水沖擊（2.74m/s）;

②組合二：自重荷載+履帶吊荷載+橫向風(fēng)荷載+履帶吊制動力+流水沖擊（2.74m/s）;

③組合三：自重荷載+流水沖擊（水位漫過便橋頂面時，水流速按4.02m/s驗(yàn)算抗傾覆）。

3.4 荷載取值

①風(fēng)壓力計算。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，風(fēng)壓力為：

Wk=βzμSμτW0

其中，Wk—為結(jié)構(gòu)風(fēng)壓力，kPa。

βz—陣風(fēng)放大系數(shù)?？紤]等效靜陣風(fēng)荷載，風(fēng)荷載作用與主縱梁長度9m，a類場地條件，βz取1.28。

μS—為風(fēng)載體型系數(shù)，型鋼取1.30，圓管取0.70。

μτ—為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，離地高度15m，a類場地條件，取1.52。

W0—為基本風(fēng)壓，kPa，取該地區(qū)規(guī)范值0.45kPa。

計算荷載如表1所示。

②水壓力計算。

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》，流水壓力：

K—形狀系數(shù)，（鋼管）圓形取0.8，橋面系取1.33;

？酌—水的容重10kN/m3;

g—重力加速度9.8m/s2;

v—平均水流速度：施工期取2.74m/s;漫橋時鋼管取換算流速4.02m/s;

A—阻水面積m2。

①正常使用狀態(tài)。

由鋼管和鋼管上橫梁阻水，每根鋼管0.82×11=9.02m2，流水壓力為27.1kN;鋼管樁上橫梁阻水面積0.46×0.45=0.207m2，流水壓力為1.01kN。

②洪水狀態(tài)。

每根鋼管阻水面積0.82×11=9.02m2，流水壓力為58.3kN;鋼管樁上橫梁阻水面積0.46×0.45=0.207m2，流水壓力為2.2kN;橋面系高度0.7m，此時橋面系阻水面積9×0.7=6.3m2，流水壓力為69.0kN。

③車輛荷載取值。

棧橋按50t履帶吊、10m3砼罐車滿載50t單車通行考慮。荷載布置分別如圖3、圖4所示。

3.5 結(jié)構(gòu)計算——正常使用狀態(tài)

水流速度按2.74m/s進(jìn)行計算。

①I22a工字鋼分配梁計算。

I22a分配橫梁支承在縱梁Ⅰ50b工字鋼上，橫梁最大間距0.74m，即I22a工字鋼分配梁的跨度為0.74m，間距0.25cm。

砼罐車汽車輪壓：車輪接地尺寸為0.6m×0.25m，每組車輪壓在2根I22a上，則單根I22a承受的荷載按照集中力計算為250kN/2/2=62.5kN。

50噸履帶吊單根履帶長度4.69m。壓在18根工字鋼上，則單根工字鋼承受的荷載按照集中力計算為：650kN/2/18=18.1kN。

取最大荷載62.5kN荷載進(jìn)行驗(yàn)算，當(dāng)車輪壓在工字鋼跨中時彎矩最大。計算結(jié)果為最大彎曲組合應(yīng)力40.5MPa，發(fā)生在兩縱梁之間;最大剪切應(yīng)力45.9MPa，發(fā)生在靠近縱梁處;強(qiáng)度滿足要求。計算最大變形0.13mm，小于740/400=1.85mm，剛度滿足要求。

②I50b工字鋼縱梁計算。

考慮荷載：自重、罐車荷載50t、履帶吊荷載50t、橫向風(fēng)荷載0.513kN/m。按9根I50b工字鋼平均承擔(dān)荷載進(jìn)行計算，偏載時考慮3根I50b工字鋼承擔(dān)履帶吊荷載，考慮70%履帶吊（50t）作用于3根I50b縱梁上。

建立有限元計算模型，根據(jù)兩種工況計算結(jié)果，I50b工字鋼縱梁最大組合應(yīng)力為173.1MPa<1.3×145MPa=188.5MPa，最大剪應(yīng)力為19.9MPa<1.3×85=110.5MPa，變形最大為22.0mm<9000/400=22.5mm，強(qiáng)度及剛度滿足要求。

③橫梁驗(yàn)算。

橫梁采用3I40a工字鋼，荷載按I50b工字鋼縱梁支反力計算得143.4kN，共計9個集中荷載。

計算得橫梁最大組合應(yīng)力為125.7MPa<145MPa，剪應(yīng)力最大為46.8MPa<85MPa，變形最大為6.5mm<4500/400=11.25mm，故橫梁的強(qiáng)度及剛度滿足要求。

④鋼管樁長計算。

考慮沖刷的影響，河床沖刷線考慮為河床頂面以下50cm處，假定鋼管樁懸臂固結(jié)點(diǎn)位于局部沖刷線以下1/3埋深處。鋼管樁單樁容許承載力為：

Ra=（u∑qsikli+？姿pqpkAp）

橋址的地層情況詳見表2。

當(dāng)鋼管樁入局部沖刷線以下深度4.5m時，計算得鋼管樁容許承載力為800kN>654.0kN，承載力滿足要求。

⑤鋼管樁強(qiáng)度及穩(wěn)定性——正常使用狀態(tài)。

1）軸向力作用下。

鋼管樁頂荷載最大為654kN，鋼管樁自重32kN，則鋼管樁最大受力為686kN。鋼管樁長度11+0.5+4.5/3=13m，長度因數(shù)取1，則計算長度為13m。鋼管回轉(zhuǎn)半徑286mm，長細(xì)比為13000/286=45.5，查得穩(wěn)定系數(shù)為0.876，鋼管樁截面積為25446mm2。

N=686kN/（0.876×25446mm2）=30.8MPa<140MPa，故鋼管樁的強(qiáng)度及剛度滿足要求。

2）組合力作用下。

本工況考慮荷載為：自重、車輛荷載、流水壓力、風(fēng)荷載、制動力。

鋼管樁受流水壓力為27.1kN;墩頂橫梁受流水壓力為1.01kN，風(fēng)荷載為1.14×9×0.7=7.182kN，制動力取500kN×10%=50kN。

由計算結(jié)果可知，鋼管樁最大組合應(yīng)力為61.6MPa<0.876×140MPa=122.64MPa，最大剪應(yīng)力為4.5MPa<85MPa，變形最大為11.0mm<13000/40032.5mm，滿足要求。

⑥抗傾覆——洪水狀態(tài)。

本工況考慮荷載為：自重、流水壓力。

設(shè)計最大洪水流速4.02m/s，最高水位高于橋面標(biāo)高。

每根鋼管阻水面積0.82×11=9.02m2，流水壓力為58.3kN，力臂8.46m;鋼管樁上橫梁阻水面積0.46×0.45=0.207m2，流水壓力為2.2kN，力臂12.93m;橋面系高度取0.7m，此時橋面系阻水面積9×0.7=6.3m2，流水壓力為69.0kN，力臂13.4m。

傾覆力矩為M傾=58.3×8.46+2.2×12.93+69.0×13.4=1446.3kN·m。

抗傾覆力有：鋼材自重157.8kN，2根鋼管內(nèi)混凝土重（按2m高計算）50.2kN，2根鋼管所受浮力169kN，則浮重為39kN，力臂2.25m;鋼管樁抗拔力485.8kN，力臂4.5m。

鋼管樁抗拔力計算如下：

樁側(cè)抗拔力，根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTG D63-2007）第5.3.8條規(guī)定，[Rt]=0.3u∑■■ailiqik，qik為豎向壓力作用下樁土間的側(cè)阻力;li為樁的入土長度;u為樁的周長;ai為振動沉樁對各土層樁側(cè)摩阻力的影響系數(shù)，根據(jù)地質(zhì)情況，樁側(cè)摩阻力取值：入土深度前3.18m取160kPa，其下取110kPa，ai取1.0。則單根鋼管樁樁的抗拔力為485.8kN，力臂為4.5m。

則抗傾覆力矩為

M抗=39×2.25+485.8×4.5=2273.8kN·m。

抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)K=2273.8/1446.3=1.5>1.3，滿足要求。

4? 結(jié)束語

本項(xiàng)目的過水鋼棧橋設(shè)計方案成功解決了山區(qū)河流過水鋼棧橋抗洪水能力弱的難題，改變了此類水文地質(zhì)條件下搭設(shè)不漫水高位棧橋的傳統(tǒng)做法。不僅大幅降低了棧橋及鉆孔平臺搭設(shè)成本，也提高了使用的鋼棧橋安全穩(wěn)定性，具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價值。

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