預(yù)留通航孔大跨度重載鋼棧橋施工技術(shù)

周振濤

中鐵十六局集團第三工程有限公司，浙江 湖州 313000

近年來我國全面推進交通強國，橋梁建設(shè)作為交通建設(shè)的重要組成部分［1-2］，已被廣泛應(yīng)用，且多數(shù)橋梁跨越河流，因此鋼棧橋使用率極高［3］。鋼棧橋施工中隨著現(xiàn)場條件的不同，采用的施工方法也有所變化，大部分施工棧橋結(jié)構(gòu)形式單一，采用標準跨逐跨推進的施工工藝［4-5］，但對于有空間限界要求及交通運載要求的棧橋施工不太適用，比如通航、跨徑、徑空要求，河流防洪排澇、施工場地受限等不良條件下的棧橋搭設(shè)［6-8］。為減輕對現(xiàn)場環(huán)境的影響，在棧橋設(shè)計和搭設(shè)過程中采取優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式，加快成橋速度的工藝技術(shù)就顯得尤為重要。

1 工程概況

東苕溪大橋為G25 德清至G60桐鄉(xiāng)高速段聯(lián)絡(luò)線湖州段工程中的一座大型橋梁，位于湖沼積平原區(qū)，主橋中心樁號為LK1+961.5，路線與航跡線右交角85°。主橋跨越東苕溪Ⅳ級航道，通航凈空尺度為55 m×7 m，設(shè)計最高通航水位2.66 m，主橋及東側(cè)引橋位于整體式路段，橋梁配跨［16×25+（84+140+84）+14×25］m，橋長1065.44 m，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力矮塔斜拉橋和預(yù)應(yīng)力混凝土（后張）小箱梁，先簡支后連續(xù)；下部結(jié)構(gòu)橋臺采用柱式臺、高樁承臺橋臺、樁基礎(chǔ)，橋墩采用實體墩、柱式墩、樁基礎(chǔ)。為滿足主橋施工要求，現(xiàn)場需要搭設(shè)臨時棧橋跨越航道，從而保證材料運輸，但由于河道部門要求施工期間保證航道正常通行，因此在棧橋搭設(shè)過程中，必須滿足通航條件。于是常規(guī)棧橋在承重和跨徑上難以滿足現(xiàn)場需要。

2 棧橋設(shè)計

2.1 棧橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

棧橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計為上承式與下承式結(jié)構(gòu)交替運用。上承式鋼棧橋橋面板為10 mm 厚花紋防滑鋼板，面板寬6 m，面板下方為Ⅰ12a工字鋼小分配梁，橫橋向布置，間距300 mm 一道，橫向分配梁下方為貝雷梁。下承式鋼棧橋橋面板為10 mm厚花紋防滑鋼板，面板寬6 m，面板下方為Ⅰ12a 工字鋼小分配梁，縱橋向布置，間距300 mm 一道。Ⅰ12a工字鋼小分配梁下方為Ⅰ32a 橫向分配梁，橫橋向布置，間距450 mm一道，橫向分配梁穿插在貝雷梁中；下承式33 m 主跨的貝雷梁上下弦桿加設(shè)加強弦桿，貝雷梁橫橋向左右兩側(cè)各5排布置，每排貝雷梁間距450 mm；橋臺側(cè)下承式貝雷梁橫橋向左右兩側(cè)各5排布置，每排貝雷梁間距900 mm；主跨兩側(cè)為普通跨，貝雷梁橫橋向6 排布置，相鄰兩排貝雷梁之間用特制連接片連接。面板上兩側(cè)設(shè)置防護欄桿，欄桿高度1.2 m。欄桿采用Ф48×3.5 mm鋼管，2.5 m 設(shè)置一根豎桿，上橫桿設(shè)置在豎桿頂端下方200 mm處，下橫桿設(shè)置在豎桿頂端下方700 mm處，在防護欄桿底下設(shè)置180 mm高的擋腳板。

2.2 棧橋基礎(chǔ)及下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

貝雷梁與鋼管樁基礎(chǔ)之間的分配梁采用雙拼Ⅰ36a型鋼，長度為6、10.5、8.6 m。 鋼管樁基礎(chǔ)采用DN500鋼管，樁長24 m，外徑529 mm或630 mm，壁厚10 mm。普通跨采用φ529 mm 鋼管樁基礎(chǔ)縱橋向一排，橫橋向3根；如圖1所示，33 m主跨采用φ630 mm鋼管樁基礎(chǔ)縱橋向兩排，橫橋向4 根，樁基礎(chǔ)之間設(shè)置剪刀撐，剪刀撐采用［18a 槽鋼，剪刀撐之間的連接、剪刀撐與鋼管樁基礎(chǔ)的連接采用電弧焊接。鋼管樁基礎(chǔ)嵌入土層為粉質(zhì)黏土及強風化泥質(zhì)灰?guī)r，土的性狀為灰色、灰黃色，硬可塑，干強度及韌性中等。強風化泥質(zhì)灰?guī)r基本承載力為400 kPa，內(nèi)摩擦角為15.5°，黏聚力為56 kPa，壓縮模量為7.29 MPa。鋼管樁基礎(chǔ)的承載力靠樁端阻力和樁側(cè)摩阻力提供。

圖1 棧橋主跨示意

3 棧橋受力驗算

采用目前常用的Midas/Civil 有限元軟件對設(shè)計棧橋受力情況進行模擬計算，首先建立了棧橋主跨整體有限元模型，再逐個單元進行受力計算。

3.1 荷載計算

1）自重荷載：自重系數(shù)為-1，軟件自動計算構(gòu)件自重；欄桿等附屬結(jié)構(gòu)自重荷載為1 kN/m2，采用壓力荷載施加于橋面板上；人群荷載為1.5 kN/m2，采用壓力荷載施加于橋面板上。流水壓力：作用于橋墩上的流水壓力標準值可按下式計算［9-11］：

式中：Fw為流水壓力標準值，kN；

γ為水的重力密度，kN/m3；

v為設(shè)計流速，m/s；

A為橋墩阻水面積，計算至一般沖刷線處，m2；

g為重力加速度，取9.81 m/s2；

K為橋墩形狀系數(shù)，見表1。

表1 橋墩形狀系數(shù)

該項目為圓形橋墩，故橋墩形狀系數(shù)取0.8；水的重力密度取10 kN/m3；設(shè)計流速取3.68 m/s；鋼管樁直徑為630 mm；阻 水 面 積A=（58.74-43.98）×0.63=9.3 m2。則：流水壓力Fw=0.8×9.3×51.35 kN，即單樁承受最大流水壓力為51.35 kN。

2）車輛制動力：車輛制動力按混凝土攪拌車重力的10%計算，則制動力為50×10×10%=50 kN。連續(xù)梁排架式柔性墩臺應(yīng)根據(jù)支座與墩臺的抗推鋼度的集成情況分配和傳遞制動力。出于安全計算，剛構(gòu)按3跨考慮，則分配給每根鋼管樁頂?shù)闹苿恿?0 kN÷9=5.6 kN。

3）車道面寬度8 m，車輪距離1.8 m，與車道基準線的偏心距離為1 m，車道基準線選擇距離右側(cè)車道邊3.35 m處直線。車輛分別定義標準車輛荷載及履帶吊荷載。移動荷載工況分別定義標準車輛荷載和履帶吊荷載作用情況下的移動荷載工況。

3.2 受力分析

3.2.1 雙層貝雷梁驗算結(jié)果

雙層貝雷梁組合應(yīng)力（最大）驗算結(jié)果見圖2。

圖2 雙層貝雷梁組合應(yīng)力(單位:MPa)

貝雷梁組合應(yīng)力（最大）為64.0 MPa＜310 MPa（Q345B 鋼材抗拉、抗壓和抗壓的強度設(shè)計值），符合要求。

3.2.2 鋼管樁組合應(yīng)力驗算結(jié)果

鋼管樁組合應(yīng)力（最大）驗算結(jié)果見圖3。

圖3 鋼管樁組合應(yīng)力(單位：MPa)

鋼管樁組合應(yīng)力（最大）為19.5 MPa＜310 MPa（Q345B 鋼 材抗拉、抗壓和抗壓的強度設(shè)計值），符合要求。

3.2.3 鋼管樁樁底反力驗算結(jié)果

鋼管樁樁底反力驗算結(jié)果見圖4。

圖4 鋼管樁樁底反力(單位：kN)

鋼管樁最大反力為141.3 kN，鋼管樁承載力計算時，根據(jù)棧橋位置土層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)進行鋼管樁長度計算，鋼管樁單樁承載力大于141.3 kN，符合要求。

3.2.4 鋼棧橋整體驗算結(jié)果

通航孔棧橋豎向位移計算結(jié)果見圖5。

經(jīng)計算，通航孔棧橋最大豎向位移為13.2 mm＜27000/400=67.5 mm。計算結(jié)果表明，在最不利荷載工況作用下，通航孔棧橋強度、剛度均能滿足要求。

4 棧橋施工

4.1 施工工藝流程

由兩側(cè)河堤向中間33 m 主跨對向推進，利用70 t 履帶吊結(jié)合DZ90 振動錘進行作業(yè)，采用“單排樁”+“板凳樁”設(shè)計+“釣魚法”施工。上承式下承式間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換采用“板凳樁”設(shè)計，預(yù)留100 mm 作為緩沖及伸縮縫，邊跨采用“釣魚法”施工，完成兩側(cè)引橋施工。最后在中間主跨完成全橋合龍，經(jīng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換后成橋，完成棧橋搭設(shè)。棧橋施工工藝流程見圖6。

圖6 棧橋及平臺施工工藝流程

4.2 主跨貝雷梁施工

如圖7 所示，通航跨33 m 為雙層下承式貝雷梁結(jié)構(gòu)，下層貝雷梁為雙層加強弦桿，底層左右各設(shè)5排、間距450 mm 上下加強弦桿貝雷梁，上層貝雷梁左右各設(shè)3 排、間距450 mm 上弦桿雙層加強弦桿。兩層貝雷梁之間除采用原有2 根高強螺栓連接外，還在每片貝雷梁中心增加一根通長直徑25 mm的拉桿連接上下層貝雷梁。增加了上下弦桿之間的約束邊界條件，大幅度提高了雙層弦桿的約束剛度，增加了弦桿抗變形能力，減小了貝雷梁的變形撓度。采用雙層弦桿加強貝雷梁和雙層下承式貝雷梁結(jié)構(gòu)，能大幅度提高棧橋跨徑和通行荷載，提高了1.7 m 通航凈空高度。同時，下承式貝雷梁結(jié)構(gòu)保證了貝雷棧橋主跨全橋縱坡率小于5%的要求。

圖7 重載鋼棧橋下承式雙層貝雷梁面布置

4.3 棧橋防撞鋼墩施工

東苕溪規(guī)劃為Ⅳ級航道，選用1000 t級機動駁船作為通航的代表船型。如圖8 所示，鋼棧橋33 m 主跨鋼管樁兩側(cè)上下游距離水中墩外圍4 m 處共設(shè)置防撞墩4 組，防撞墩采用DN800 鋼管，樁長26 m，外徑800 mm，壁厚10 mm，間距4 m 布置，鋼管樁樁頂標高與鋼棧橋橋面標高一致。施工期間應(yīng)設(shè)置助航標志，在防撞墩上粘貼反光貼、反光標志、助航標志、禁停標志，懸掛夜間紅燈示警等通航導向標識，參照河道管理部門及交通部標準和要求布置，保證施工安全。防撞墩內(nèi)側(cè)懸掛防撞輪胎，作為防護緩沖。

圖8 升降式施工棧橋河道水上漂浮物電動鏈鋸切割裝置

水上的漂浮物通常是由木頭、木棍、竹子、蘆葦和水草類物料交織組成，常常會被施工棧橋的墩柱阻擋，漂浮物大片聚集在施工棧橋的上游，將河道堵塞，影響河道的通航安全，也會增加施工棧橋墩柱側(cè)向的水流沖擊壓力，導致施工棧橋失穩(wěn)傾覆的安全事故。電動鏈鋸切割機裝置通過卷揚機可以實現(xiàn)自動升降，水面沒有漂浮物聚集時，卷揚機可以將電動鏈鋸切割機提升到水面以上加油保養(yǎng)維護，有效地延長了電動鏈鋸切割機的使用壽命。水面有漂浮物聚集時，卷揚機可以將電動鏈鋸切割機放入水面以下，電動機驅(qū)動齒輪，帶動鏈條高速旋轉(zhuǎn)，鏈條上的刀片將水上漂浮物切斷，漂浮物被切斷后隨水流漂走，消除了施工棧橋發(fā)生失穩(wěn)傾覆的安全隱患。切割機的升降是沿著安裝在防撞墩上的滑道上下升降運動，在垂直的豎向型鋼導向軌滑道槽內(nèi)，設(shè)有下移切割卡槽限位裝置，鏈鋸齒下移至水面以下一定深度時，限位裝置鎖定，防止操作人員提升電動鏈鋸上下升降時，因操作失誤導致電動鏈鋸入水而損壞電機。

5 結(jié)語

復(fù)雜條件下大跨徑（通航孔33 m）重載鋼棧橋施工技術(shù)，利用目前市場上普通321型貝雷及其組件，進行科學合理的模數(shù)化裝配方式進行搭設(shè)施工，滿足大跨徑重載通行要求。主要結(jié)論如下：

1）采用雙層弦桿加強貝雷和雙層下承式貝雷結(jié)構(gòu)，上下層之間除采用原有2根高強螺栓連接外，還在每片貝雷中心增加一根直徑為25 mm的通長拉桿連接上下層貝雷梁，使之能大幅度提高棧橋跨徑和通行荷載，提高了1.7 m 通航凈空高度，滿足貝雷棧橋主跨縱坡率小于5%的規(guī)定要求。

2）主跨鋼管樁兩側(cè)上下游水中墩外圍設(shè)置防撞墩，通過在防撞墩上安裝可升降式電動鏈鋸切割機，有效地解決施工棧橋漂浮物大片聚集的難題，保證了棧橋施工的安全，減少了水中作業(yè)時間，為水中漂浮物清理提供了新的方法。