季曉歌,裴 強(qiáng) ,吳海海
(1.山東高速股份有限公司,山東 濟(jì)南 250002;2.山東省交通規(guī)劃設(shè)計院集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南 250002;3.中交路橋建設(shè)有限公司,北京 100027)
在工程建設(shè)中,為了運(yùn)輸材料、設(shè)備和人員通行,通常會修建臨時棧橋。作為一種較為特殊的橋型,棧橋應(yīng)具有承載力強(qiáng)、施工簡便、易于拆除以及可重復(fù)利用等特性[1]。大多數(shù)棧橋采用便于工廠化預(yù)制的結(jié)構(gòu)形式,如桁架結(jié)構(gòu)和鋼箱梁等,而其下部結(jié)構(gòu)基于相同考慮一般采用鋼管樁。在工程實(shí)踐中,鋼棧橋的破壞往往是由于下部失穩(wěn)導(dǎo)致的,即在流水壓力作用下,由于側(cè)向穩(wěn)定性不足導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體傾覆或滑移,隨著河道水深的加深,河水流速的增大,鋼棧橋出現(xiàn)失穩(wěn)破壞的風(fēng)險就越大。因此,在實(shí)際設(shè)計和施工中,需要根據(jù)實(shí)際水深,選擇合適的流速進(jìn)行針對性設(shè)計,以保證鋼棧橋在安全性和經(jīng)濟(jì)性上的統(tǒng)一。
四川天府新區(qū)至邛崍高速公路在跨越南河處設(shè)置高架橋,施工時需從岸邊搭設(shè)鋼棧橋至墩臺處,以便施工水中墩臺。借助有限元分析軟件Midas/Civil對該處鋼棧橋進(jìn)行設(shè)計分析。棧橋跨徑組合為25×12 m,寬度9.0 m。基礎(chǔ)采用Φ820×10 mm 鋼管樁,鋼管樁之間設(shè)置[20槽鋼平聯(lián)和斜撐,樁頂橫梁為2I45 a工字鋼,其上為5組貝雷梁,每組2片。各組貝雷桁架之間采用[8槽鋼作為支撐架。貝雷梁節(jié)點(diǎn)上鋪I 25 b 橫向分配梁,與貝雷梁栓接,橋面采用6 mm厚花紋鋼板。棧橋欄桿采用Φ48 mm鋼管,高度120 cm。棧橋立面、橫斷面布置見圖1、圖2。
圖1 鋼棧橋立面布置/cm
圖2 鋼棧橋橫斷面布置/cm
1.2.1 設(shè)計荷載
(1)結(jié)構(gòu)自重。分析時由軟件自動計入。(2)80 t履帶吊。根據(jù)現(xiàn)場施工實(shí)際使用的履帶吊取值,整機(jī)自重80 t,履帶寬0.8 m,長5.4 m,兩側(cè)履帶間距4.2 m,加載時計入沖擊系數(shù)。(3)60 t混凝土罐車。根據(jù)現(xiàn)場施工實(shí)際使用的混凝土罐車取值,滿載混凝土罐車總重量60 t,軸距為(3.225+1.35)m,輪距1.8 m,軸重為(120+234+234) kN,加載時計入沖擊系數(shù)。(4)流水壓力。鋼管樁的水流壓力按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)[3]第4.3.9條規(guī)定計算,其中河水流速參考當(dāng)?shù)厮馁Y料取值。(5)風(fēng)荷載。按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》[3](JTG D60—2015)第4.3.8條規(guī)定計算。
1.2.2 荷載工況
(1)工況Ⅰ。80 t履帶吊行走狀態(tài):結(jié)構(gòu)自重+履帶吊行走+流水壓力+風(fēng)荷載,分偏載及中載兩個子工況。(2)工況Ⅱ。60 t混凝土罐車往返行駛:結(jié)構(gòu)自重+滿載罐車行駛+流水壓力+風(fēng)荷載。
1.3.1 計算模型
選取水深最深處的一跨鋼棧橋作為計算對象,利用 Midas/Civil 建立棧橋有限元模型,除支撐架用桁架單元模擬、橋面板用板單元模擬之外,鋼管樁、樁頂橫梁、貝雷片、分配梁等均采用一般梁單元建立,支撐采用桁架單元模擬,鋼管樁樁底為固結(jié)約束,鋼管樁、樁頂橫梁、貝雷片、分配梁之間分別采用彈性連接的形式。計算模型見圖3。
圖3 鋼棧橋總體模型
1.3.2 結(jié)果分析
(1)應(yīng)力分析
鋼棧橋的貝雷梁、分配梁和樁頂橫梁等主要受力構(gòu)件在荷載作用下主要產(chǎn)生彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力,各工況具體計算結(jié)果見表1。
表1 應(yīng)力計算結(jié)果/MPa
由表1可知:①貝雷梁最大彎應(yīng)力152.5 MPa, 小于Q345鋼材的規(guī)范容許值305 MPa;最大剪應(yīng)力148.6 MPa[4],小于Q345鋼材的規(guī)范容許值175 MPa[4]。 ②樁頂橫梁最大彎應(yīng)力50.9 MPa,小于Q235鋼材的規(guī)范容許值215 MPa[4];最大剪應(yīng)力34.8 MPa,小于Q235鋼材的規(guī)范容許值125 MPa[4]。③分配梁最大彎應(yīng)力109.8 MPa,小于Q235鋼材的規(guī)范容許值 215 MPa[4];最大剪應(yīng)力34.2 MPa,小于Q235鋼材的規(guī)范容許值125 MPa[4]。綜上,鋼棧橋的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求[4]。
(2)撓度分析
鋼棧橋在車輛荷載作用下會產(chǎn)生豎向變形,豎向變形的大小直接影響車輛行駛的安全性與舒適性。變形過大對車輛的行駛極為不利,容易造成車輛的傾覆,引發(fā)重大工程事故?!豆蜂摻Y(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》(JTG D64—2015)[5]對鋼橋的變形做了相關(guān)規(guī)定,以保證結(jié)構(gòu)的正常工作,簡支梁的變形一般不得超過跨度的1/500,最大撓度計算結(jié)果見表2。
表2 撓度計算結(jié)果/mm
從表2可知,最大撓度發(fā)生在跨中處,工況Ⅰ、工況Ⅱ的最大的變形分別為13.07 mm和12.48 mm。鋼棧橋跨徑為12 m,最大容許豎向變形為24 mm[5],工況Ⅰ、Ⅱ的變形均小于規(guī)范容許值。故棧橋的剛度滿足規(guī)范[4]要求。
(3)鋼管樁分析
本橋的基礎(chǔ)形式為鋼管柱,鋼管樁除作為軸心受壓構(gòu)件,承受橫梁傳來的壓力并將其傳遞到持力土層之外,還在水平方向承受了流水壓力。故在設(shè)計時還需對其水平方向的應(yīng)力和變形進(jìn)行驗(yàn)算,避免出現(xiàn)橫橋向失穩(wěn)。本橋鋼管樁最大自由長度為18 m, 最大反力為553.9 kN。鋼管樁在上部荷載和流水壓力共同作用下的最不利工況下應(yīng)力和變形計算結(jié)果見表3。
表3 鋼管樁計算結(jié)果
①從鋼管樁應(yīng)力計算結(jié)果看出,其最大水平向彎應(yīng)力為152.2 MPa,最大組合彎應(yīng)力為158.6 MPa, 均小于Q235鋼材的規(guī)范容許值215 MPa,故鋼管樁的強(qiáng)度滿足要求[4]。②從鋼管樁變形看出,其水平向最大變形為29.10 mm,小于規(guī)范容許值 36 mm,故鋼管樁的剛度滿足要求[4]。
貝雷棧橋施工采用80 t履帶吊,并配合DZJ120型振樁錘施打鋼管樁完成下部結(jié)構(gòu)的主體施工,上部結(jié)構(gòu)材料用平板車通過便道和搭設(shè)完成的棧橋運(yùn)至現(xiàn)場后,利用80 t履帶吊吊裝,逐跨向前推進(jìn)。
2.2.1 鋼管樁施工
鋼棧橋由履帶吊配合振動錘振動沉樁,振動錘采用DZJ-120錘,其激振力為823 kN,滿足本棧橋沉樁要求;沉樁施工時,履帶吊最大吊重為振動錘,共8.5 t,最大吊幅為15 m。
正式打樁前,先進(jìn)行試打樁以確定標(biāo)準(zhǔn)貫入度及其他技術(shù)參數(shù)。正式打樁時,首先定出樁位,利用履帶吊將導(dǎo)向架放至樁位處,起吊鋼管樁,定位后復(fù)測導(dǎo)向架位置及垂直度,滿足要求后方可施工。鋼管樁接近設(shè)計標(biāo)高時現(xiàn)場技術(shù)管理人員記錄計算樁長和貫入度,直至滿足設(shè)計要求為止。
2.2.2 平聯(lián)及斜撐施工
平聯(lián)和斜撐采用逐跨施工法,履帶吊停靠在已搭設(shè)好的棧橋上,人工配合履帶吊進(jìn)行吊裝作業(yè)。斜撐和平聯(lián)全部滿焊連接,焊縫厚度不得小于母材厚度,兩道斜撐交叉點(diǎn)焊接為一整體。
2.3.1 承重梁和貝雷梁施工
主梁承重梁采用貝雷梁,在架設(shè)前先根據(jù)設(shè)計跨徑提前在加工場地拼接成型,由掛車運(yùn)至現(xiàn)場后使用履帶吊安裝。貝雷梁在岸上組拼連成整體,運(yùn)至施工現(xiàn)場后人工配合履帶吊起吊安裝。
(1)貝雷梁通過[10槽鋼與分配梁連接成整體,橫向限位為1.3 m的[10槽鋼,縱向限位采用通長[10槽鋼,與貝雷梁平行。限位和分配梁之間滿焊,角焊縫厚度≥8 mm。(2)貝雷梁底部限位同樣采用[10槽鋼做成的限位裝置將貝雷梁和承重梁連成整體,限位和承重梁之間滿焊,角焊縫厚度≥8 mm。(3)貝雷棧橋分配梁采用I25b工字鋼,間距約為75 cm,分配梁通過[10槽鋼與貝雷梁連接成整體,棧橋分配梁按照設(shè)計間距擺放完成后及時焊接限位裝置。
2.3.3 橋面板施工
面板全部采用[20a槽鋼反扣形成橋面,鋪設(shè)方向?yàn)榭v橋向,槽鋼與分配梁之間滿焊焊接,連接焊縫≥10 mm。為便于分配梁和槽鋼焊接施工,相鄰兩塊面板之間預(yù)留2 cm空隙。
(1)以一座深水區(qū)棧橋?yàn)橐劳泄こ蹋鶕?jù)實(shí)際情況選取設(shè)計參數(shù),對其進(jìn)行計算并與規(guī)范進(jìn)行對照分析,結(jié)果表明該棧橋選用的結(jié)構(gòu)形式合理、鋼材型號適當(dāng),強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均滿足要求[2-5]。(2)介紹了該棧橋上下部結(jié)構(gòu)的施工流程及方法,已施工完畢的棧橋在汛期中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性與安全性,在高架橋施工中起到重要作用。