通航河道提升式鋼棧橋設(shè)計(jì)與應(yīng)用

左明華

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

在跨越水域的橋梁工程建設(shè)中，通常會(huì)選擇搭建鋼棧橋作為材料及設(shè)備的運(yùn)輸通道。由于大多數(shù)水域會(huì)有通航要求，可由兩岸向水中墩搭設(shè)鋼棧橋通道，兩岸鋼棧橋不連通，不影響通航。鋼棧橋必須跨越通航水域時(shí)可設(shè)置通航孔。為滿足通航高度要求，鋼棧橋一般離水面較高，若水深較大，鋼管樁較長(zhǎng)，對(duì)鋼管樁受力不利，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降。對(duì)比，可通過(guò)設(shè)置提升式鋼棧橋，降低棧橋標(biāo)高，降低鋼管樁長(zhǎng)度，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同時(shí)可節(jié)約建設(shè)成本，具有一定的經(jīng)濟(jì)性。本文以耒水特大橋?yàn)楸尘?，在Ⅳ?jí)通航河道設(shè)計(jì)提升式鋼棧橋，達(dá)到了良好的應(yīng)用效果。

1 工程概況

耒水特大橋主橋?yàn)?0 m+130 m+70 m連續(xù)剛構(gòu)橋，4#過(guò)渡墩及5#、6#主墩位于水中(見(jiàn)圖1)。橋位處河面寬約300 m，橋位下游10.3 km有一座水電站，水流緩慢，水位變化小，常水位為+73.00 m，十年一遇洪水位為75.59 m，常水位最大水深16 m，Ⅳ級(jí)通航要求，通航船只少，河流南北走向，東岸為陡峭山體，西岸為平地且均為基本農(nóng)田。橋位處兩岸繞行最小距離為25 km，為保證施工物資運(yùn)輸暢通，在橋位沿線路方向修建棧橋跨越，搭設(shè)通長(zhǎng)棧橋，打通縱向便道。鋼棧橋設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下需求：(1)滿足通行要求，滿足滿載10 m3混凝土罐車和75 t履帶吊的通行；(2)保證通航要求，通航水位正常情況下保證Ⅳ級(jí)通航要求；(3)盡可能降低棧橋橋頭連接道路標(biāo)高，橋頭連接道路標(biāo)高越低，西岸的基本農(nóng)田的征用面積越小。

圖1 耒水特大橋主橋橋型布置圖(m)

2 應(yīng)用方案及效果

2.1 應(yīng)用方案

根據(jù)工程特點(diǎn)，設(shè)置提升式鋼棧橋作為通航孔以保證通航，并獲得航道部門(mén)認(rèn)可。鋼棧橋總體設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。該鋼棧橋設(shè)計(jì)總長(zhǎng)312.78 m，中間設(shè)一跨長(zhǎng)24.38 m的提升棧橋，采用200型貝雷片，提升段無(wú)縱坡。對(duì)于鋼棧橋的提升方式，可采用穿心千斤頂和精軋螺紋鋼組合提升、電動(dòng)葫蘆提升或卷?yè)P(yáng)機(jī)提升[1-3]。經(jīng)過(guò)提升高度、提升重量、操作性、安全性等方面綜合考慮，本方案采用慢速卷?yè)P(yáng)機(jī)進(jìn)行提升。棧橋外側(cè)設(shè)置提升架，利用卷?yè)P(yáng)機(jī)將提升棧橋橋面提升至標(biāo)高+87.3 m，保證設(shè)計(jì)通航水位以上18 m(寬)×8 m(高)的通航孔。兩岸側(cè)棧橋各一聯(lián)，長(zhǎng)144 m、跨徑為12 m，每隔兩個(gè)管樁設(shè)置一個(gè)板凳樁，采用321型貝雷片，設(shè)置向岸邊2%坡度。棧橋結(jié)構(gòu)(見(jiàn)下頁(yè)圖3)由下往上依次為：φ630 mm×10 mm鋼管樁、樁頂2I45a橫梁、貝雷梁(321型或200型)、I25a上橫梁、I12上縱梁、10 mm厚橋面板。棧橋?qū)挾染鶠?.0 m。

圖2 鋼棧橋總體設(shè)計(jì)立面圖(m)

提升段鋼棧橋提升架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括(見(jiàn)下頁(yè)圖4)：

(1)鋼管樁支撐，利用型鋼搭設(shè)平臺(tái)，形成框架結(jié)構(gòu)。

(2)平臺(tái)上架設(shè)卷?yè)P(yáng)機(jī)提供動(dòng)力。

(3)利用滑輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向及增加提升力。

(4)鋼棧橋下設(shè)置提升梁作為提升鋼棧橋支撐。

(5)上下游設(shè)置三角輔助墩導(dǎo)向及防撞。

2.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

文獻(xiàn)[4]采用有限元軟件Midas Civil對(duì)鋼棧橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，對(duì)鋼棧橋的結(jié)構(gòu)建模、邊界條件和荷載組合等進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文不再贅述。下文對(duì)提升系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，主要包括提升架、提升梁、吊點(diǎn)處焊縫的計(jì)算。

(a)標(biāo)準(zhǔn)段鋼棧橋橫斷面

(b)提升段鋼棧橋橫斷面圖3 鋼棧橋橫斷面圖(cm)

(a)提升棧橋提升前立面

(b)提升棧橋提升后立面

(c)1-1截面

(d)1/2A-A和1/2B-B截面圖4 提升棧橋結(jié)構(gòu)示意圖(m)

2.2.1 提升架

2.2.1.1 設(shè)計(jì)控制荷載

提升架在提升狀態(tài)為最不利狀態(tài)時(shí)的荷載組合：自重+動(dòng)水荷載+提升棧橋荷載+卷?yè)P(yáng)機(jī)荷載。其中，動(dòng)水荷載按2 m/s流速考慮。提升棧橋提升總重約64.3 t，按66 t計(jì)算，分布于4個(gè)吊點(diǎn)，每個(gè)吊點(diǎn)16.5 t。吊重按三線布置，每根鋼絲繩承受5.5 t，由提升棧橋產(chǎn)生的受力示意圖見(jiàn)圖5，其中F=55 kN，卷?yè)P(yáng)機(jī)荷載為5.2 t。

圖5 提升棧橋荷載分布示意圖

2.2.1.2 計(jì)算模型

對(duì)鋼棧橋單個(gè)提升架建立有限元模型，有限元模型見(jiàn)圖6。

圖6 鋼棧橋提升架有限元模型圖

2.2.1.3 計(jì)算結(jié)果

(1)應(yīng)力

在最不利荷載工況下，最大正應(yīng)力為52.9 MPa<[σ]=145 MPa，最大剪應(yīng)力為31.0 MPa<[τ]=85 MPa，滿足要求。

(2)位移

在最不利荷載組合下，最大位移為8.0 mm<位移限值L/400=12 800 mm/400=32 mm，滿足要求。

(3)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

運(yùn)用Midas Civil屈曲分析計(jì)算程序，在最不利荷載組合作用下進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性系數(shù)為65.8，>4.0，滿足要求。

(4)樁基承載力

最大樁反力為212.2 kN，以此作為樁基計(jì)算控制力。河床覆蓋層為細(xì)砂、中砂、圓礫、卵石層，下層為全風(fēng)化礫巖、強(qiáng)風(fēng)化礫巖、中風(fēng)化礫巖。根據(jù)耒水特大橋工程地質(zhì)縱斷面圖，樁側(cè)土摩擦力標(biāo)準(zhǔn)值τ=35～160 kPa，承載力特征值160～600 kPa。施工工藝要求采用DZ90振動(dòng)錘振動(dòng)到位，激振力540 kN>最大樁反力為212.2 kN，滿足要求。

有效嵌固深度值為2(d+1)=2×1.63=3.26 m，d為鋼管樁樁徑，施工要求樁的入土深度最少為5 m，滿足受力要求。

(5)鋼管樁穩(wěn)定性驗(yàn)算

通過(guò)有限元分析結(jié)果，鋼管樁最不利內(nèi)力組合為：N=212.2 kN，M=86.5 kN·m。鋼管樁φ630 mm×10 mm：A=19 468 mm2，Ix=0.756×109 mm4，Wx=2.97×106 mm3，i=220 mm?；诒Ｊ乜紤]，兩端按鉸接分析，計(jì)算長(zhǎng)度按L0=36 000 mm，λ=L0/i=163.6。鋼管截面屬于b類截面，查表得φx=φy=0.265，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2017)得：

彎矩作用平面內(nèi)穩(wěn)定計(jì)算：

其中：f=210 MPa，βmx=1，γx=1.15，E=206 GPa，N’EX=π2EA/(1.1λ2)=1344 kN。

彎矩作用平面外穩(wěn)定計(jì)算：

其中：f=210 MPa，η=0.7，βtx=1，φb=1。

鋼管樁穩(wěn)定性驗(yàn)算滿足要求。

2.2.2 提升梁

提升系統(tǒng)橫梁采用雙拼I56a工鋼，提升棧橋提升總重約64.3 t，按66 t計(jì)算，一端受力33 t=330 kN。在橫梁上共有9個(gè)受力點(diǎn)，每個(gè)受力點(diǎn)的受力為36.7 kN。建立有限元模型，見(jiàn)圖7。

圖7 提升系統(tǒng)橫梁模型云圖(kN)

經(jīng)分析，其結(jié)果為：最大正應(yīng)力為117.6 MPa<[σ]=145 MPa，最大剪應(yīng)力為14.7 MPa<[τ]=85 MPa，最大位移22.7 mm<位移限值L/400=10 300/400=25.75 mm，均滿足要求。

2.2.3 吊點(diǎn)焊縫

提升梁(雙拼I56a)上設(shè)置兩個(gè)吊點(diǎn)，吊點(diǎn)受力16.5 t=165 kN。吊點(diǎn)處設(shè)置吊耳，吊耳設(shè)計(jì)見(jiàn)圖8。吊耳受力主要考慮吊耳與提升梁的連接，吊耳與提升梁通過(guò)焊接連接，焊腳尺寸hf=8 mm，計(jì)算時(shí)僅考慮N2與提升梁的焊縫連接作用，焊縫長(zhǎng)度lf=(332-20) mm=312 mm。

圖8 提升梁吊點(diǎn)設(shè)計(jì)計(jì)算圖(cm)

根據(jù)《路橋施工計(jì)算手冊(cè)》計(jì)算公式可得:

=47.2 MPa<[τ]=85 MPa，滿足要求。

分配梁D(雙拼I45a)上吊耳受力11 t=110 kN。吊耳與分配梁D通過(guò)焊接連接，焊腳尺寸hf=8 mm，計(jì)算時(shí)僅考慮N2與分配梁D的焊縫連接作用，焊縫長(zhǎng)度lf=(300-20) mm=280 mm。

=31.5 MPa<[τ]=85 MPa，滿足要求。

2.2.4 驗(yàn)算結(jié)果

通過(guò)以上驗(yàn)算，提升式鋼棧橋提升系統(tǒng)的提升架、提升梁、吊點(diǎn)處焊縫均滿足要求。

2.3 應(yīng)用效果

耒水特大橋采用提升式鋼棧橋，鋼棧橋及鋼平臺(tái)共有鋼管樁327根，每根降低5.3 m，共節(jié)約φ630 mm×10 mm鋼管樁1 733.1 m、鋼材約265 t、費(fèi)用約163萬(wàn)元；提升架增加鋼材(工字鋼及鋼管樁)用量約132 t及4臺(tái)10 t卷?yè)P(yáng)機(jī)，費(fèi)用約93萬(wàn)元，由此耒水特大橋采用提升式鋼棧橋節(jié)約費(fèi)用約70萬(wàn)元，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，且能有效降低棧橋橋頭連接道路標(biāo)高，減少西岸基本農(nóng)田的征用。另外，降低鋼管樁高度，也增加了鋼管樁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及安全性。

3 結(jié)語(yǔ)

提升式鋼棧橋方案巧妙地解決了通航孔高度高和鋼管樁過(guò)長(zhǎng)且穩(wěn)定性差之間的矛盾，保證了通航河流過(guò)往船舶順利通航和工程建設(shè)期間鋼棧橋正常使用，相對(duì)采用高棧橋方案，在經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保等方面均具有優(yōu)勢(shì)。提升式鋼棧橋在耒水特大橋的成功應(yīng)用，可為同類工程提供良好的借鑒。