復(fù)雜水域曲線重型鋼棧橋設(shè)計與施工技術(shù)研究

孫金烈 李小鵬

（中鐵二十二局集團(tuán)第三工程有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

隨著橋梁建設(shè)的快速發(fā)展，在復(fù)雜水域中，考慮到結(jié)構(gòu)施工和環(huán)境保護(hù)等方面，需要搭設(shè)水上臨時鋼棧橋，作為施工材料、機(jī)械設(shè)備和施工人員的主通道。鋼棧橋的形式多樣，其中組合式貝雷鋼棧橋由于具有承載高、自重輕、安全性高、材料可回收利用等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于水域橋梁的施工中。

1 工程概況

1.1 項目概況

紹興某智慧快速路是紹興“六縱八橫”快速路網(wǎng)的重要組成部分。工程采用“高架主線+地面輔道”的建設(shè)形勢。該工程含1座由8條匝道組成的上、下五層互通立交，匝道最小半徑為150 m，匝道總長約5.5 km。其中SW27、SW28、SW29、SW30、SW33、SW34、WS1、WS2、WS3、WS4、WS5、NW04、NW05、NW06、NW07、NW08等現(xiàn)澆橋墩位于水域中。

擬建場地屬蕭紹濱海相沉積平原地貌單元，上部為新近堆積的填土、湖沼相沉積的黏性土層和海相沉積的淤泥質(zhì)軟土層，中、下部為沖湖相、河潮相沉積的黏性土層及砂層，下伏基巖為白量紀(jì)下統(tǒng)殼山組（K1k）凝灰?guī)r。

擬建場地100年一遇水位為+5.17 m（黃海高程），50年一遇水位為+5.14 m （黃海高程），20年一遇水位為+4.99 m（黃海高程），10年一遇水位為+4.89 m（黃海高程）。周圍河水與地下潛水為互補(bǔ)關(guān)系。

1.2 重型鋼棧橋概況

共設(shè)計重型鋼棧橋兩座，橋面凈寬8.0 m，NW4#-NW8#墩鋼棧橋長171 m，NE12#-NE14#墩鋼棧橋長99m，棧橋跨徑為（5.25+6+6+5.25）m，橋面標(biāo)高為+7.008 m，鋼棧橋每四跨設(shè)置一處3 m制動墩。

重型鋼棧橋設(shè)計荷載195 t。

鋼棧橋主要用于橋梁施工，主要有橋梁下部結(jié)構(gòu)（基樁、承臺、現(xiàn)澆立柱）、橋梁上部結(jié)構(gòu)（現(xiàn)澆混凝土箱梁、鋼箱梁）以及橋面鋪裝等施工。施工期間重型鋼棧橋供材料運(yùn)輸、混凝土澆筑以及履帶式起重機(jī)起吊鋼箱梁等。

2 重型鋼棧橋設(shè)計

2.1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計荷載，公路－I級荷載；控制荷載，重型鋼棧橋設(shè)計荷載195 t（160 t履帶吊+35 t鋼箱梁）。

2.2 重型鋼棧橋結(jié)構(gòu)

鋼棧橋基礎(chǔ)采用直徑為630 mm、壁厚10 mm的鋼管樁布置，棧橋縱向6 m設(shè)置一排臨時支墩，每排支墩橫向設(shè)置6根鋼管樁，鋼管間橫向間距為（1.4+1.6+1.3+1.6+1.4）m，鋼管樁間采用[20#槽鋼作為棧橋橫向平聯(lián)及斜綴，如圖1所示。縱向管樁標(biāo)準(zhǔn)跨徑為6 m，遇鋼棧橋中部存在曲線時，將非標(biāo)準(zhǔn)跨徑設(shè)置在制動墩兩側(cè)，當(dāng)鋼管樁軸線不在貝雷梁0、1/2、1處則需要增加加強(qiáng)豎桿，制動墩每四跨設(shè)置一處，縱向制動墩鋼管間距3 m，如圖2所示。

圖1 重型鋼棧橋橫向布置設(shè)計圖（單位：cm）

圖2 重型鋼棧橋縱向布置設(shè)計圖

鋼管樁頂設(shè)750mm×750mm×20mm鋼板頂帽，頂帽與鋼管間等間距設(shè)置6塊三角形加勁鋼板，鋼板頂承重主橫梁采用雙拼I40#工字鋼，工字鋼與主橫梁間采用鋼板進(jìn)行限位，放置后期荷載作用下橫梁偏位。

縱向采用“321”型貝雷梁作為主梁，共5組10片，貝雷片間采用標(biāo)準(zhǔn)0.9 m花窗作為單組橫向聯(lián)系。貝雷梁間間距為83cm。貝雷梁與橫梁間采用定制U型螺栓呈“八”字形加固。

貝雷梁頂部采用I20工字鋼作為分配梁，分配梁中心間距30 cm，單根長度9.0 m，分配梁與縱向貝雷梁間采用定制U型螺栓呈“八”字形加固。

橋面采用組合式鋼橋面板（主骨架為I12.6工字鋼、面板為5 mm壓花紋鋼板）。棧橋兩側(cè)設(shè)置鋼護(hù)欄，護(hù)欄高度為1.2 m、立柱每隔2 m設(shè)置，兩道欄桿采用Φ48×3.5 mm鋼管，鋼管與立柱間采用鎖扣連接。

2.3 重型鋼棧橋結(jié)構(gòu)計算

強(qiáng)度驗(yàn)算的荷載組合為1.3恒載+1.5活荷載；剛度及穩(wěn)定性驗(yàn)算的荷載組合為1.0恒載+1.0活荷載。

=1.3×（橋面板自重+分配梁自重+貝雷梁自重）+1.3×1.5×[（履帶式起重機(jī)荷載 160t+ 鋼箱梁分段重 35t）/履帶寬]（考慮汽車沖擊系數(shù)1.3）

=1.0×（橋面板自重+分配梁自重+貝雷梁自重）+1.3×1.0×[（履帶式起重機(jī)荷載 160t+ 鋼箱梁分段重 35t）/履帶寬]（考慮汽車沖擊系數(shù)1.3）

本鋼棧橋前期主要供下部結(jié)構(gòu)基樁、現(xiàn)澆立柱施工期間混凝土澆筑、材料運(yùn)輸，由于下部結(jié)構(gòu)施工期間鋼棧橋所受荷載較小，僅考慮上部結(jié)構(gòu)鋼箱梁履帶式起重機(jī)吊裝施工期間鋼棧橋工況分析。

根據(jù)履帶式起重機(jī)型號參數(shù)對應(yīng)履帶長、寬，通過電腦制圖軟件進(jìn)行工況輔助模擬，可知本重型棧橋結(jié)構(gòu)受力主要有以下2種施工工況：工況一，為履帶式起重機(jī)履帶作用于一排臨時支墩上，如圖3所示；工況二，為履帶式起重機(jī)履帶作用于兩排臨時支墩上，如圖4所示。

由上述2個工況分析圖可知，工況一（圖3）中所有荷載均作用于單排鋼管樁上，工況二（圖4）中所有荷載作用于兩排鋼管樁上，由此可見，當(dāng)所有荷載均作用于單排鋼管樁上時，工況一（圖3）為最不利工況，因此針對工況一進(jìn)行鋼棧橋受力荷載分析。

圖3 工況一（單位：cm）

圖4 工況二（單位：cm）

根據(jù)荷載標(biāo)準(zhǔn)組合，鋼棧橋所受組合荷載=525.632 kN/m，運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解軟件計算得工況一最大支反力為3669.6 kN，計算時取3670 kN，該重型鋼棧橋由10片貝雷梁組成，計算時簡化計算，按每片貝雷受力367 kN均等考慮。

運(yùn)用力學(xué)求解軟件模擬貝雷梁荷載作用雙拼I40工字鋼主橫梁上，從而驗(yàn)證主橫梁強(qiáng)度、剛度，計算棧橋鋼管樁最大受力等，貝雷梁作用于雙拼I40主橫梁受力模型如圖5所示。

圖5 橫梁受力模型（長度單位：m；荷載單位：kN）

由上模型通過力學(xué)求解軟件計算，當(dāng)重型鋼棧橋處于最不利狀態(tài)下單排單根鋼管樁的最大支反力為555.6 kN。

該重型鋼棧橋基樁按摩擦樁考慮設(shè)計。承載力計算考慮樁外側(cè)土對鋼管的摩阻力和考慮樁端土承載力，根據(jù)根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTG 3363—2019）和《路橋施工計算手冊》，摩擦樁單樁承載力計算公式如下。

式中：[]為單樁垂直極限承載力設(shè)計值，kN；為樁的有效長度，m；τ為樁壁土的平均摩阻力，kPa；為樁身截面周長，m；σ為樁底持力層土的極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa，不預(yù)計算；為樁底截面面積。

樁身周長=2π=1.978 m。

根據(jù)地勘資料，橋址區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)從河床面由上而下的分布情況主要為素填土、粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土，各土層的分布情況、層厚及物理特性見表1。

表1 棧橋橋位處地質(zhì)勘察資料

振動錘的振動力，應(yīng)能克服樁在下沉中土的摩阻力（＞）；振動錘系統(tǒng)的總質(zhì)量大于振沉構(gòu)件的動端阻力；振動錘系統(tǒng)的工作振幅大于振沉構(gòu)件到要求深度所需最小振幅。

式中：為土單位面積的動摩阻力，kPa/m，=65 kPa/m；為樁的周邊長度，m；為樁的入土深度，m；為樁沉入深度土層的最大標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)，次；為樁的橫截面面積，cm；e為自然對數(shù)。

通過理論計算及現(xiàn)場單樁錨固試驗(yàn)，選擇符合沉樁要求激振力的振動錘。綜上所述，DZJ-90型振動錘滿足棧橋施工使用要求。

3 重型曲線棧橋施工

3.1 施工流程

施工準(zhǔn)備→測量放樣→“釣魚法”施工鋼管樁→安裝樁間平聯(lián)、斜綴→安裝樁頂樁帽及承重雙拼I40工字鋼橫梁→安裝“321”貝雷縱梁→安裝I20工字鋼分配梁→安裝標(biāo)準(zhǔn)軍用橋面板→安裝欄桿→進(jìn)入下一循環(huán)。

3.2 原材料準(zhǔn)備

進(jìn)場原材料須要求廠家提供質(zhì)量保證書和產(chǎn)品合格證及相關(guān)檢驗(yàn)、試驗(yàn)報告。所用鋼管樁等鋼制件在進(jìn)場前應(yīng)嚴(yán)格復(fù)檢壁厚、管徑，檢查是否為翻新管等。現(xiàn)場材料堆放應(yīng)按場布進(jìn)行堆放，堆放時不得超過1.5m、離周圍施工基坑間距不小于2m，鋼管間采用木楔塞緊，防止鋼管樁受擾動產(chǎn)生滾動，造成人身財產(chǎn)損失。

3.3 “釣魚法”鋼管樁施工

鋼棧橋鋼管樁的施打采用“釣魚法”，即在部分已施工完成的鋼棧橋橋面上，使用履帶吊逐跨前進(jìn)，振動捶打鋼管樁。每跨鋼管樁施工完成后，架設(shè)承重結(jié)構(gòu)體系和橋面系，然后履帶式起重機(jī)向前移動，進(jìn)行下一跨的施工。該工程采用75t履帶式起重機(jī)攜帶DZJ－90型號振動錘進(jìn)行鋼管樁的水下施工。在已經(jīng)架設(shè)好的棧橋上，將1組長度為12 m的貝雷梁懸挑架設(shè)起來，在端頭安裝臨時導(dǎo)向定位架，由測量班使用測量儀器準(zhǔn)確放樣，準(zhǔn)確定出鋼管樁所在的位置。將鋼管樁吊入定位架內(nèi)，利用全站儀把控鋼管樁的偏移距離和垂直誤差，對鋼管樁入土深度進(jìn)行控制，最后由現(xiàn)場技術(shù)員對鋼管樁插打深度進(jìn)行校核。

棧橋鋼管樁由履帶吊和振動錘采用“釣魚法”逐排振動下沉，全站儀和經(jīng)緯儀交匯法控制其平面偏位，用水準(zhǔn)儀控制管樁頂標(biāo)高。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力計算的結(jié)果，棧橋在工作狀態(tài)下單樁承載力為555.6 kN，現(xiàn)場施工時存在不可控因素，實(shí)際施工按單樁承載力為600 kN進(jìn)行控制。樁位平面位置控制在±50 mm內(nèi)，樁頂高程偏差為±30mm。當(dāng)鋼管樁在振動下沉過程中貫入深度與理論相差較大，應(yīng)按現(xiàn)場實(shí)際進(jìn)行控制。

鋼管樁插打施工完成后，進(jìn)行鋼管樁間平聯(lián)和剪刀撐的安裝。用[20槽鋼進(jìn)行鋼管樁間的平聯(lián)，采用焊接的方式進(jìn)行連接，槽鋼與鋼管樁必須滿焊?？紤]到鋼管樁插打過程中存在一定誤差，在平聯(lián)時，須根據(jù)實(shí)際量測樁間距進(jìn)行下料。在對槽鋼進(jìn)行加工前，一定要進(jìn)行除銹處理，以保證槽鋼表面清潔干凈無污染。

在平聯(lián)施工過程中，測量班組放樣牛腿的準(zhǔn)確位置，施工班組進(jìn)行焊接處理。插打鋼管樁會造成水平位移誤差，導(dǎo)致實(shí)際牛腿的部位與設(shè)計的部位不能吻合。因此，應(yīng)該采取補(bǔ)強(qiáng)措施，以保證鋼棧橋的施工質(zhì)量。

樁頂主橫梁采用雙拼I40a#工字鋼。在施工時，應(yīng)根據(jù)工字鋼的尺寸和規(guī)格，提前在加工廠加工成品。在鋼管樁插打操作完成后，進(jìn)行樁頂橫梁的吊裝作業(yè)和加固作業(yè)。在加工過程中，一定注意精確標(biāo)記好加勁焊板的位置。如果牛腿與樁頂橫梁未能密貼在一起，為了使樁頂橫梁更加牢固，可在間隙處堵塞相同厚度的鋼板，進(jìn)行平整度調(diào)節(jié)。

當(dāng)雙拼I40工字鋼主橫梁安裝完成后，采用75t履帶式起重機(jī)將拼裝完成的貝雷梁按放樣位置準(zhǔn)確放置于主橫梁上。首先，棧橋施工班組在加現(xiàn)場拼裝好貝雷梁，貝雷梁拼裝完成后由專業(yè)監(jiān)理進(jìn)行試拼驗(yàn)收，貝雷梁試拼驗(yàn)收完成后，進(jìn)行后續(xù)貝雷梁拼裝。拼裝完成的貝雷梁通過輪式起重機(jī)將其吊至拖車上運(yùn)輸至棧橋施工現(xiàn)場，用75t履帶式起重機(jī)將每組貝雷梁架設(shè)、安放于樁頂雙拼I40主橫梁上。根據(jù)前期放樣調(diào)好貝雷梁位置后，加裝限位裝置，將貝雷梁與樁頂主橫梁進(jìn)行限位固定。為防止貝雷梁橫向失穩(wěn)，為提高貝雷梁橫向失穩(wěn)能力，每組貝雷梁通過貝雷梁花窗連接加固，在每兩組貝雷梁間進(jìn)行角鋼斜支撐加固，以加強(qiáng)橫橋向連接剛度，防止后期橋梁上部結(jié)構(gòu)安裝過程中起重設(shè)備重心移動造成鋼棧橋橫向失穩(wěn)。

按間距0.3 m 鋪設(shè)縱向I20#分配梁，并采用“U”形螺栓把縱向分配梁與貝雷梁緊固在一起。施工班組根據(jù)設(shè)計圖紙調(diào)整間距后，對每根縱向分配梁進(jìn)行刷漆防銹處理。棧橋使用過程中，安排專人對“U”形螺栓進(jìn)行定期的養(yǎng)護(hù)和檢查，以避免因荷載承重和機(jī)械振動產(chǎn)生松動，出現(xiàn)螺栓脫落的現(xiàn)象。

重型鋼棧橋橋面板采用2×4m成品橋面板，橋面板采用25 t輪式起重機(jī)進(jìn)行安裝，橋面板調(diào)整由人工完成，調(diào)整完成后通過專用緊固環(huán)將橋面板與縱向分配梁連接在一起。鋼棧橋外側(cè)護(hù)欄扶手采用φ48×3.5 mm鋼管，每側(cè)設(shè)置上、下2道。護(hù)欄立桿為高度1.2 m，上、下兩道欄桿高度不超過0.6 m，欄桿高度不低于1.2 m。棧橋兩頭設(shè)置限速、限載標(biāo)志，棧橋每隔10 m設(shè)置一盞施工照明、兩側(cè)每隔10m放置救生衣、求生圈等救生器材。棧橋頂部欄桿設(shè)置安全冷光源燈帶，起到棧橋輪廓照明作用。

4 結(jié)語

該項目通過貝雷梁式鋼棧橋，節(jié)約成本，提高了施工效率，減少了施工安全風(fēng)險。該工程對復(fù)雜水域曲線重型鋼棧橋的成功應(yīng)用可以為公司后續(xù)類似工程提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。