蔡 田,吳凱軍

（中交二公局泉州灣跨海大橋A3合同段項(xiàng)目經(jīng)理部，福建泉州 362122）

0 前言

泉州灣跨海大橋南岸深水區(qū)引橋（N089#～N123#墩），共有35個(gè)橋墩位。施工均需搭設(shè)支棧橋至墩位處才能進(jìn)行，棧橋工程數(shù)量大。合理地設(shè)計(jì)支棧橋結(jié)構(gòu)形式，提高施工效率，減少成本投入，保證施工工期，成為該項(xiàng)目施工的重點(diǎn)之一。為了解決以上難題，從支棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，以裝配式施工為理念，對(duì)支棧橋結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并形成一套標(biāo)準(zhǔn)化施工工藝流程，為今后類似工程提供參考。

1 工程概況

泉州灣跨海大橋工程起于晉江南塘，終于塔埔，在石獅蚶江跨越泉州灣，為泉州市環(huán)城高速公路三期工程。橋位處海面開闊，海平面平均潮位下普遍水深1.4～5.7 m，海區(qū)潮流性質(zhì)為正規(guī)半日潮流，呈往復(fù)流特征，最高潮水位3.36 m，最低潮水位-2.85 m。

橋址位于灘涂區(qū)，受潮汐影響大，水上船舶施工組織管理難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，因此該工程采用在橋位下游側(cè)搭設(shè)主棧橋，然后根據(jù)墩位位置搭設(shè)支棧橋及鉆孔平臺(tái)的方法組織施工，實(shí)現(xiàn)海上施工陸地化。

2 支棧橋結(jié)構(gòu)形式

按照支棧橋常規(guī)的施工工藝，結(jié)構(gòu)自下而上分為鋼管樁、下橫梁、主梁（貝雷縱梁）、上層橫向分配梁、縱向分配梁及面板，共6層結(jié)構(gòu)。

為了達(dá)到施工快捷、節(jié)約成本的目的，該項(xiàng)目將支棧橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，使用鋼筋混凝土預(yù)制板代替上層橫向分配梁、縱向分配梁及面板，將支棧橋結(jié)構(gòu)由6層變?yōu)?層。

3 支棧橋設(shè)計(jì)

支棧橋作為海上施工主要通道，以滿足施工作業(yè)為原則來確定支棧橋平面尺寸。支棧橋從施工主棧橋接出，因此頂面標(biāo)高設(shè)置為與主棧橋相等，其長(zhǎng)度需根據(jù)已建主棧橋與橋梁墩位之間的距離確定，寬度不小于施工機(jī)具的最大寬度。該項(xiàng)目支棧橋尺寸確定為長(zhǎng)×寬×高為：44 m×6 m×7.5 m。

3.1 設(shè)計(jì)原則

（1）滿足施工要求；（2）安全；（3）施工方便快捷；（4）節(jié)約成本。

3.2 結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)

支棧橋采用φ720×10 mm的鋼管樁排架基礎(chǔ)，排架橫向間距為4.0 m，縱向間距為9 m、12 m不等，樁基之間設(shè)[20槽鋼雙扣進(jìn)行連接。樁頂分配橫梁采用2根I45b型鋼并聯(lián)，設(shè)置2組貝雷梁，每組4榀。貝雷梁上鋪設(shè)20 cm厚的鋼筋混凝土面板，平面尺寸為6.4 m×2 m，橋面兩側(cè)設(shè)置1.2 m高的防護(hù)欄桿。具體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

3.3 鋼筋混凝土預(yù)制板設(shè)計(jì)

混凝土預(yù)制面板內(nèi)設(shè)置鋼筋，每塊預(yù)制板設(shè)兩層鋼筋，鋼筋層間距15 cm，鋼筋保護(hù)層厚2 cm，鋼筋綁扎前使用∠50×50×5的角鋼焊接成6.4 m×2 m×0.2 m的矩形框架，然后將鋼筋與角鋼焊接成型。

4 支棧橋受力計(jì)算

4.1 預(yù)制板受力分析

預(yù)制面板鋪設(shè)在貝雷片上，面板與貝雷片未進(jìn)行連接，面板尺寸6.4 m×2 m×0.2 m。將面板近似為梁，滿載混凝土攪拌車單側(cè)車輪行駛在橋面板中心位置時(shí)為最不利荷載。攪拌車滿載時(shí)自重荷載按30 t計(jì)，后輪分配荷載最大，每個(gè)輪子按10 t計(jì)，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖1 支棧橋橫斷面設(shè)計(jì)圖（單位：cm）

圖2 面板受力計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖3 混凝土罐車荷載作用下混凝土面板計(jì)等模型圖

由以上計(jì)算結(jié)果可以看出：混凝土面板最大彎矩出現(xiàn)在混凝土罐車荷載作用下，最大正彎矩值為：M1=29.1 kN·m，最大負(fù)彎矩值為：M2=22.6 kN·m。

C25混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.23 MPa，為了使受力滿足要求，必須對(duì)混凝土面板進(jìn)行配筋，上側(cè)設(shè)置直徑為12 mm的鋼筋，下層設(shè)置直徑為16 mm鋼筋，鋼筋保護(hù)層厚20 mm。

混凝土面板按單向板進(jìn)行受力分析，應(yīng)假定受壓區(qū)混凝土的合力C通過受壓鋼筋的重心，即令受壓區(qū)混凝土高度x=2as’，此時(shí)可直接對(duì)受壓鋼筋重心取矩，計(jì)算受拉區(qū)鋼筋面積，計(jì)算公式如下：

混凝土面板鋼筋骨架使用L50×5mm角鋼封邊，角鋼斷面面積為S’=4.8×10-4m2，設(shè)長(zhǎng)度方向上下側(cè)配筋面積為S1，上側(cè)配筋面積為S2，則S1、S2應(yīng)滿足下式：

混凝土面板下側(cè)配φ16 mm鋼筋，斷面面積2.011 cm2，上側(cè)配φ12 mm鋼筋，斷面面積1.131 cm2，則2 m寬板上下側(cè)各需設(shè)置6根鋼筋才能滿足受力要求。為了提高安全系數(shù)，上下側(cè)各配置8根鋼筋能滿足受力要求。具體鋼筋布置見圖4所示。

圖4 混凝土預(yù)制板鋼筋布置圖

4.2 支棧橋受力分析

采用MIDAS/CIVIL建立支棧橋有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算取兩跨，面板自重以荷載的形式施加在模型上，計(jì)算過程如下。

4.2.1 計(jì)算荷載取值

水平向荷載：風(fēng)荷載取基本風(fēng)壓600 Pa；按設(shè)計(jì)流速v=1 m/s，計(jì)算得鋼管樁流水壓力為2.95 kN，作用點(diǎn)位于設(shè)計(jì)水位以下0.3倍水深處；波浪力根據(jù)《海港水文規(guī)范》相關(guān)計(jì)算公式計(jì)算得鋼管樁受波浪力大小為28.24kN，作用點(diǎn)距海床面6.64 m。

豎向荷載：支棧橋自重由程序自動(dòng)計(jì)入；履帶吊自重約50 t加吊重30 t；施工荷載按2.5 kN/m2取值；面板自重荷載按0.39 t/m均布荷載直接加載在貝雷梁上。

4.2.2 建立模型計(jì)算

在MIDAS/CIVIL建模中，鋼管樁、平聯(lián)、斜撐、貝雷，以及各種型鋼均以一般梁?jiǎn)卧?，混凝土面板使用板單元建立。為保證模型與實(shí)際情況一致，各層分配梁之間設(shè)剛性連接，并釋放一般梁?jiǎn)卧陂L(zhǎng)度方向的位移約束，鋼管樁在嵌固點(diǎn)位置固結(jié)。

貝雷模型的建立：由于立桿及斜撐近似于二力桿，只承受軸力，不承受彎矩，故建模過程中，將立桿與弦桿接觸的一端進(jìn)行端部約束釋放。

按照以上荷載組合加載，分別在車至跨中和車至樁頂時(shí)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 車至跨中支棧橋應(yīng)力圖

圖6 車至樁頂支棧橋應(yīng)力圖

將兩種工況的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總，見表1所列。

表1 支棧橋計(jì)算結(jié)果一覽表

由表1可知，支棧橋各桿件受力均小于允許應(yīng)力，受力滿足要求，履帶吊行至樁頂時(shí)，貝雷梁受力最大，最大應(yīng)力為壓應(yīng)力，出現(xiàn)在貝雷梁豎向立桿上，值為241.7 MPa，小于允許應(yīng)力273 MPa。

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，履帶吊行走至跨中位置時(shí)，支棧橋主梁出現(xiàn)最大豎向位移，值為13.2 mm，允許最大位移[L]=L/400=30（mm），滿足規(guī)范要求。

5 支棧橋施工工藝

支棧橋以既有主棧橋?yàn)槭┕て脚_(tái)進(jìn)行施工，先插打前兩排鋼管樁，安設(shè)樁間連接、貝雷梁及鋪設(shè)面板，然后履帶吊行駛至支棧橋上進(jìn)行下一排鋼管樁插打施工，直至支棧橋搭設(shè)完成。

5.1 測(cè)量定位

在進(jìn)行鋼管樁插打施工前根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行測(cè)量放線，找準(zhǔn)每個(gè)鋼管樁樁位，安設(shè)導(dǎo)向裝置并調(diào)整垂直度，固定導(dǎo)向裝置，然后進(jìn)行復(fù)測(cè)，復(fù)核導(dǎo)向架垂直度和空間位置滿足設(shè)計(jì)要求后，方可進(jìn)行鋼管樁插打施工。

5.2 鋼管樁插打施工

使用履帶吊提升沉樁錘進(jìn)行鋼管樁插打施工，插打過程中隨時(shí)監(jiān)測(cè)樁位與樁的垂直度，發(fā)現(xiàn)偏差及時(shí)糾正。每排鋼管樁下沉到位后，應(yīng)進(jìn)行樁之間的連接，增加樁的穩(wěn)定性，具體措施為樁間剪刀撐及平聯(lián)的焊接，所需材料尺寸需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)尺寸下料，焊縫質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

5.3 下橫梁焊接

在鋼管樁頂焊接分配橫梁，橫梁采用I45b型鋼雙拼，單根長(zhǎng)6.4 m。在焊接橫梁前需對(duì)樁頂標(biāo)高進(jìn)行復(fù)測(cè)，把高出設(shè)計(jì)標(biāo)高部分割除，并在樁頂焊接樁帽，下橫梁直接焊接在樁帽上。

5.4 貝雷梁拼裝

貝雷梁在后場(chǎng)拼裝，每4榀為一組，每組拼裝長(zhǎng)度9 m或12 m，貝雷梁之間用花架連接好。將拼裝好的貝雷梁采用履帶吊或汽車吊在棧橋上進(jìn)行安裝。使用小槽鋼將貝雷梁與下分配梁之間進(jìn)行固定，限制橫向位移。

5.5 面板鋪設(shè)

貝雷梁拼裝完成后進(jìn)行面板鋪設(shè)，混凝土預(yù)制面板與貝雷縱梁之間需鋪墊1 cm厚橡膠墊塊，每塊預(yù)制面板墊4塊。面板鋪設(shè)完成后使用鋼板將相鄰兩塊面板之間進(jìn)行焊接加固，鋼板與面板封邊角鋼焊接。

5.6 欄桿安裝

在支棧橋四周設(shè)置高為1.2 m的防護(hù)欄桿，采用Φ48焊接鋼管焊接在混凝土面板封邊角鋼上，立柱間距1.5 m。欄桿采用紅白相間的反光油漆進(jìn)行涂刷，長(zhǎng)度為每段顏色油漆20 cm。

6 對(duì)比分析

若采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行支棧橋施工，為滿足施工荷載要求，該項(xiàng)目支棧橋結(jié)構(gòu)形式應(yīng)做如下變化：貝雷縱梁及以下結(jié)構(gòu)可不做調(diào)整，將混凝土預(yù)制面板更換為間距為50 cm的I25橫向分配梁、間距為30 cm的I12.6縱向分配梁及1 cm厚鋼板為面板的組合結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)針對(duì)兩種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行比較，來分析該項(xiàng)目采用優(yōu)化后支棧橋施工的優(yōu)缺點(diǎn)。

6.1 施工功效分析

根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，采用傳統(tǒng)支棧橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工單跨施工平均需要19 h的有效工作時(shí)間，將結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，減少了兩道施工工序，單跨平均需要13.5 h有效工作時(shí)間，具體分析情況見表2所列。

表2 支棧橋施工功效（單跨）分析表

該項(xiàng)目共投入支棧橋12個(gè)，每個(gè)支棧橋4跨，相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該項(xiàng)目單個(gè)支棧橋搭設(shè)可節(jié)省22 h的有效工作時(shí)間。由此可見，將支棧橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化可有效提高工作效率。

6.2 成本分析（見表3、表4）

表3 鋼面板支棧橋施工成本分析表

表4 鋼筋混凝土面板支棧橋施工成本分析表

取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)支棧橋44 m作為一個(gè)計(jì)算單元，每種材料價(jià)格按照施工時(shí)市場(chǎng)價(jià)計(jì)算。鋼管樁按海域地質(zhì)情況平均取值26 m。

由表3和表4可以看出，通過優(yōu)化支棧橋結(jié)構(gòu)形式，搭設(shè)單個(gè)支棧橋可節(jié)省成本21.53萬元，累計(jì)搭設(shè)12個(gè)支棧橋可節(jié)省成本投入258.36萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

6.3 施工可操作性分析

該項(xiàng)目將棧橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，將棧橋結(jié)構(gòu)層數(shù)減少至4層，相比傳統(tǒng)棧橋施工減少了2道施工工序，使棧橋的搭設(shè)及拆除更加快捷，提高了施工效率。整個(gè)棧橋搭設(shè)過程中僅有3道工序需要施工人員在水面上進(jìn)行高空作業(yè)，相比與傳統(tǒng)棧橋施工大大減小了施工人員落水的概率，提高棧橋施工安全性。

6.4 使用性能分析

作為海上工程，若使用鋼板作為橋面板，海水腐蝕可加速鋼板銹蝕，影響鋼板強(qiáng)度，而使用混凝土預(yù)制板可有效防止海水腐蝕，耐久性更高。因此從抗腐蝕角度看，混凝土預(yù)制板比鋼面板更具有優(yōu)越性。

7 總結(jié)

本文對(duì)裝配式棧橋結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使用鋼筋混凝土預(yù)制面板直接在棧橋貝雷縱梁上進(jìn)行拼裝，進(jìn)行了受力分析保證了施工的安全要求。通過工程實(shí)踐驗(yàn)證了該施工工藝的可行性，并通過與傳統(tǒng)棧橋結(jié)構(gòu)形式施工的比較得出該施工工藝具有操作方便、節(jié)省工期、節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)，為類似工程的施工累計(jì)了經(jīng)驗(yàn)。

[1]王維琴，龔韜.貝雷桁架棧橋設(shè)計(jì)與施工[J].城市道橋與防洪，2011，(4)：143-146.

[2]陳雄峰.平潭海峽大橋全棧橋輔助施工技術(shù)的應(yīng)用[J].交通科技，2010，(4)：30-33.

[3]JGB50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]TJ 213-1998，海港水文規(guī)范[S].

[5]GB50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].