李貝貝

中鐵十五局集團(tuán)第四工程有限公司

水中鋼棧橋及作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

李貝貝

中鐵十五局集團(tuán)第四工程有限公司

隨著社會(huì)的日益發(fā)展，跨越江河湖海的交通拉近了人們的距離，橋梁就是連接你我的主要方式。在水中修建橋梁，鋼棧橋及水中作業(yè)平臺(tái)作為必要的措施不可缺少，然而地形、地貌、地質(zhì)、水文條件和橋梁結(jié)構(gòu)型式的不同，鋼棧橋和作業(yè)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案也不盡相同。本文就我公司修建的安徽省無(wú)為縣西河特大橋水中鋼棧橋及作業(yè)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，希望能為類似橋梁水中鋼棧橋及作業(yè)平臺(tái)提供參考。

鋼棧橋；作業(yè)平臺(tái)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 工程背景

西河特大橋是無(wú)為縣S319省道改造項(xiàng)目的重要控制性工程，位于縣城南凌莊自然村和馬口自然村之間，橋梁跨越西河，其中主橋?yàn)殡p幅(33+55+55+33)m對(duì)稱四跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面現(xiàn)澆箱梁，12#、13#、14#主墩為西河特大橋跨西河主墩，均位于西河內(nèi)，其中12#主墩距離東岸駁岸線約6.0m，13#主墩位于河中心部位，14#主墩距離西岸駁岸線約29m。主墩基礎(chǔ)采用大孔徑低樁承臺(tái)，樁基直徑2.0m。西河現(xiàn)狀為Ⅵ級(jí)航道，但有500噸級(jí)船舶通行，橋梁施工不能中斷航道。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

2.1 地質(zhì)參數(shù)

地質(zhì)編號(hào) 土質(zhì) 層底標(biāo)高范圍 層厚 F(KPa) Φ(°) γ(KN/m3)② 粉質(zhì)粘土 4.68m～2.48m 2.2m 35 15 18.5③ 軟土 2.48m～-12.92m 15.4m 20 15.5 18④ 粉土 -12.92m～-15.72m 2.8m 25 19.5 18

2.2 水文情況

左岸大堤頂標(biāo)高約為11.5m，右岸大堤頂標(biāo)高約為11.6。十年一遇頻率洪水位為9.25m，二十年一遇頻率洪水位10.076m，流量為450m3/s，常水位為5.53m。

2.3 設(shè)計(jì)要求

·保證橋址處西河航運(yùn)正常，橋梁施工不得中斷航道；

·鋼棧橋及作業(yè)平臺(tái)橋面高于二十年一遇洪水位，且不得阻礙泄洪；

·鋼棧橋及作業(yè)平臺(tái)能承受QY50型履帶吊和福田8m3混凝土運(yùn)輸車作業(yè)；

·鋼棧橋及作業(yè)平臺(tái)要滿足13#、14#鋼板樁圍堰和0#塊件支撐體系作業(yè)；

2.4 設(shè)計(jì)方案

鋼棧橋按照9m×5+6m×9跨徑布置，總長(zhǎng)99m，橋面寬度6.0m。初始作業(yè)平臺(tái)設(shè)置于13#、14#主墩旁，按照6m×5跨徑布置，單個(gè)初始作業(yè)平臺(tái)長(zhǎng)30m，橋面寬度9.0m。(見圖1)

鋼棧橋自上而下分別為：鋼護(hù)欄、橋面板、橫梁、貝雷梁、橫向分配梁、鋼管樁基礎(chǔ)、剪刀撐。橋面板采用δ10mm鋼板，滿鋪布置。橫梁采用雙拼[20b槽鋼，按照中心間距0.3m沿橋向通長(zhǎng)布置。貝雷梁采用國(guó)產(chǎn)321型，按照三排單層設(shè)置。樁基礎(chǔ)采用φ630×10mm螺旋鋼管，每墩設(shè)3根，單排布置，間距2.5m布置，鋼管樁上口設(shè)置槽口，槽口寬度0.4m，高度0.25m， 400×400mmH型鋼單根分配梁放置其上，并用牛腿和斜撐將分配梁固定。螺旋鋼管之間剪刀撐采用[20b槽鋼。鋼棧橋橋尾設(shè)制動(dòng)墩，雙排樁布置，每排設(shè)置3根螺旋鋼管。兩排樁之間采用單根400×400mmH型鋼縱向分配梁，其上設(shè)單根400×400mmH型鋼橫向分配梁。

圖1

3 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

3.1 荷載分析

本鋼棧橋和初始作業(yè)平臺(tái)最大的施工荷載為徐工QUY50型履帶吊在其上作業(yè)時(shí)的荷載，主要負(fù)責(zé)棧橋、圍堰、承臺(tái)、墩柱和上部0～1(1`)#塊施工時(shí)的材料起吊和螺旋鋼管樁、鋼板樁的插拔施工。QUY50型履帶吊自重52t，起吊的重量在10t以下(施工中最大構(gòu)件為22m〈暫估〉長(zhǎng)螺旋鋼管樁3.36t，DZJ120型振動(dòng)錘自重7t)，所以本方案擬取用的荷載值為65t。徐工履帶吊履帶著地寬度為70cm，著地長(zhǎng)度為450cm，整車寬度3.4m。

另外，本項(xiàng)目所用為福田8m3混凝土罐車，整車整備重量約15t，在運(yùn)輸8m3混凝土?xí)r重量約為35t，其滿載時(shí)荷載的70%由后軸承擔(dān)，即后軸(后軸8輪)承擔(dān)24.5t。

3.2 工況分析

橋面板為10mm厚鋼板，在本驗(yàn)算過(guò)程中暫不考慮橋面板的影響。

由于鋼棧橋設(shè)計(jì)的跨徑不一致，初始作業(yè)平臺(tái)寬度與鋼棧橋?qū)挾炔灰恢?，取以下幾種極端情況分別驗(yàn)算橫梁、貝雷梁和螺旋鋼管樁結(jié)構(gòu)承載能力。

(1)履帶吊位于墩頂工作時(shí)，螺旋鋼管樁受力最大，通過(guò)比較履帶吊在6m寬橋面和9m寬橋面墩頂作業(yè)時(shí)的荷載并取最大值進(jìn)行螺旋鋼管樁結(jié)構(gòu)承載能力驗(yàn)算、計(jì)算入土深度和長(zhǎng)度。

(2)當(dāng)履帶吊位于9m跨和6m跨跨中時(shí)，貝雷梁為最不利受力狀態(tài)，由于兩種跨徑時(shí)貝雷梁布置數(shù)量不一致，故分別驗(yàn)算貝雷梁的結(jié)構(gòu)承載能力

(3)當(dāng)混凝土罐車后軸輪胎落于兩排橫梁上部時(shí)，為橫梁承受的最不利荷載，故取9m寬橋面時(shí)驗(yàn)算橫梁的結(jié)構(gòu)承載能力。

3.3 螺旋鋼樁入土深度驗(yàn)算

當(dāng)履帶吊位于樁墩頂正上方時(shí)，為鋼管樁承受的最不利荷載，此時(shí)近似按集中荷載作用于本墩上。超載系數(shù)為1.05，動(dòng)載系數(shù)取1.2，安全系數(shù)取1.1。那么最大活載為90.09t。

當(dāng)履帶在墩頂?shù)跹b作業(yè)時(shí)，在鋼棧橋和作業(yè)平臺(tái)上存在兩種工況。經(jīng)荷載分析對(duì)比，鋼棧橋單墩中間的螺旋鋼管樁受力最大，即：F＝48.96t

根據(jù)《路橋施工計(jì)算手冊(cè)》：Qd=U∑(qfili+qRA)/rd和地質(zhì)參數(shù)表，并取1.2倍的安全系數(shù)，可得單根螺旋鋼管樁的入土深度為16.81m，單根長(zhǎng)度為22.73m。入土深度計(jì)算結(jié)果為鋼管樁振設(shè)施工提供參考，實(shí)際入土深度以試樁最終貫入度作為校核。本工程經(jīng)過(guò)試樁，最終實(shí)際螺旋鋼管長(zhǎng)度為24m，入土深度18.01m。

3.4 貝雷梁受力驗(yàn)算

當(dāng)履帶吊位于跨中時(shí)，為貝雷梁承受的最不利荷載，以下分別對(duì)履帶吊在9m跨和6m跨時(shí)的貝雷梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載能力驗(yàn)算。

由《裝配式公路鋼橋使用手冊(cè)》可知，貝雷梁的容許內(nèi)力表如右表所示。

3.4.1 9m跨貝雷梁驗(yàn)算

貝雷梁采用國(guó)產(chǎn)321型，按照單層三排設(shè)置，鋼棧橋9m跨時(shí)單排貝雷梁設(shè)置3片，橋面承受活載時(shí)通過(guò)雙拼[20b槽鋼橫梁分配到貝雷梁主梁上。

當(dāng)履帶吊通過(guò)最大跨徑移跨中時(shí)，貝雷梁在此時(shí)承受的彎矩最大：

M活=PL/4=202.7T·M

鋼棧橋9m跨其總恒載為：

F9m棧橋恒＝15633kg，即15.63t。

M恒=(1/8)QL2=17.58T·M

Mmax=361.93T·M

Mmax＞M活＋M恒=220.28T·M

當(dāng)活載通過(guò)樁頂時(shí)，貝雷主梁在此時(shí)承受的剪力最大：Q=52.86T

貝雷主梁抵抗的最大剪力：Qmax=112.59＞Q=52.86T，滿足要求。3.4.2 6m跨貝雷梁驗(yàn)算

貝雷梁采用國(guó)產(chǎn)321型，按照單層三排設(shè)置，鋼棧橋6m跨時(shí)單排貝雷梁設(shè)置2片，橋面承受活載時(shí)通過(guò)雙拼[20b槽鋼橫梁分配到貝雷梁主梁上。

當(dāng)履帶吊通過(guò)最大跨徑移跨中時(shí)，貝雷梁在此時(shí)承受的彎矩最大：

M活=PL/4=135.14T·M

鋼棧橋6m跨其總恒載為(取初始作業(yè)平臺(tái)恒載)：

F平臺(tái)恒＝11737.9kg，即11.74t

將數(shù)據(jù)從純文本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)庫(kù)格式數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)文本數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別、讀取和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)純文本文檔的解析和轉(zhuǎn)換。

M恒=(1/8)QL2=8.81T·M

貝雷主梁抵抗彎距(由縱向3排單層貝雷梁承擔(dān))：

Mmax=229.22T·M

Mmax＞M活＋M恒=143.95T·M

當(dāng)活載通過(guò)樁頂時(shí)，貝雷主梁在此時(shí)承受的剪力最大：

Q=52.86T

貝雷主梁抵抗的最大剪力：Qmax=71.32＞Q=52.86T，滿足要求。

3.5 雙拼[20b槽鋼驗(yàn)算

當(dāng)混凝土罐車后軸輪胎落于兩排橫梁上部時(shí)，為橫梁承受的最不利荷載。

初始作業(yè)平臺(tái)橋面寬度9m，雙排[20b槽鋼在貝雷梁之間的跨度最大，即L＝4m，[20b槽鋼的力學(xué)參數(shù)。

福田8m3混凝土罐車，整車整備重量約15t，在運(yùn)輸8m3混凝土?xí)r重量約為35t，其滿載時(shí)荷載的70%由后軸承擔(dān)，即后軸(后軸8輪)承擔(dān)24.5t，那么單組輪單側(cè)傳遞的罐車集中荷載為6.125t。

(1)按強(qiáng)度要求考慮，橫梁的最大彎矩為：

Mmax＝FL/4＝60.03KN·m

[20b槽鋼的許用彎曲應(yīng)力為[σ]＝158Mpa

根據(jù)彎曲正應(yīng)力強(qiáng)度條件，那么：

Wmax＝Mmax/[σ]=0.37994×10-3m3

即：Wmax＝379.94cm3

2排雙拼工字鋼(4根[20槽鋼組成]的抗彎截面系數(shù)為：Wz＝764cm3

故Wz＞W(wǎng)max，滿足要求。

(2)按剛度要求考慮，則要滿足：

FL3/48EIz≤L/500，即Iz≥500F L2/48E＝5002.1cm4

Iz＝7656 cm4，滿足要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)本文所述的鋼棧橋及作業(yè)平臺(tái)，滿足了通航、鋼板樁圍堰及橋梁結(jié)構(gòu)施工作業(yè)的需求，同時(shí)也經(jīng)受住了百年一遇洪水的考驗(yàn)，有效的保證了施工生產(chǎn)的正常進(jìn)行；

(2)鋼棧橋和作業(yè)平臺(tái)橋面板由[20槽鋼和δ10mm鋼板組成，考慮到材料的充分利用和周轉(zhuǎn)需要，按照1.5m寬的標(biāo)準(zhǔn)焊接成塊，一方面便于快速組裝，另一方面單塊橋面板稍加改裝即可作為路基箱使用；

(3)鋼棧橋和作業(yè)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)地形、地貌、地質(zhì)、水文條件和橋梁結(jié)構(gòu)的不同亦有所區(qū)別，本文所探討的結(jié)構(gòu)型式可為類似條件提供參考。

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