黃樂(lè)樂(lè)

(廣西路建工程集團(tuán)有限公司 南寧 530000)

0 引言

橋梁工程的施工，往往為了方便材料的運(yùn)輸和設(shè)備的調(diào)配，需要搭設(shè)臨時(shí)棧橋作為施工通道或搭設(shè)臨時(shí)工作平臺(tái)作為施工場(chǎng)地。目前國(guó)內(nèi)鋼棧橋下部多為采用鋼管樁柱式結(jié)構(gòu)、上部為貝雷桁架+型鋼的組合型式。通過(guò)焊接剪刀撐、鋼橫梁，上面擺放貝雷梁、分配梁、鋼板形成路面系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)往往跨度較小，棧橋施工后橋下凈寬很難滿足通航要求。且由于現(xiàn)場(chǎng)焊接質(zhì)量較難控制，拼裝精度較低，如果由于地形或通航原因采用較高的鋼管墩柱，則在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性上有較高風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)目前這種工程實(shí)際狀況，本文結(jié)合G321三江縣良口至梅林公路跨越都柳江的浪泡大橋?qū)嶋H施工要求，通過(guò)采用合理的跨徑布置、鋼管群柱的下部構(gòu)造設(shè)計(jì)，使得施工鋼棧橋能在較大跨徑與高墩柱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上保持承載能力與較好的穩(wěn)定性，滿足了橋下雙向通航的凈寬凈高要求。本文的設(shè)計(jì)方案以期作為類似工程提供設(shè)計(jì)與研究參考。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 擬建鋼棧橋橋位地質(zhì)水文情況

擬建的G321三江縣良口至梅林公路浪泡都柳江大橋于柳州市三江縣富祿鄉(xiāng)跨越都柳江。鉆孔揭示，橋址區(qū)附近有人工填筑土層(Q4ml)、坡地表層分布?xì)埰路e層(Q4el+l)、溝谷底部表層分布沖洪層(Q4al+pl)，下伏基巖為震旦系長(zhǎng)安組上段(Z1c2)，含礫泥質(zhì)砂巖、含礫砂質(zhì)泥巖及其風(fēng)化層。

都柳江為山區(qū)性河流，枯水期在每年的10月份至次年的3月份，流速平緩；洪水期為每年的6月至9月，水位會(huì)出現(xiàn)暴漲暴落現(xiàn)象，但一般洪峰維持3～5 d即消落，此時(shí)最大流速可達(dá)3.5 m/s左右。2016年鋼棧橋處最大洪水位為169.00 m。

擬建的鋼棧橋位于浪泡大橋上游30 m，可采用上述地質(zhì)水文調(diào)查報(bào)告作為設(shè)計(jì)參考。

1.2 設(shè)計(jì)跨徑及材料型號(hào)

鋼棧橋設(shè)計(jì)總跨度為210 m，橋面寬度6 m，跨徑分布為(12+3+12)×2+(3+21)×2+(3+12)×2+(12+3+12)×2+(12+3+9)=210 m，21 m跨為通航孔。各墩采用φ630×10 mm螺旋鋼管形成群樁柱，縱向三排，間距為1.5 m，橫向兩列，間距為2.5 m，鋼管柱基礎(chǔ)采用樁徑1.5 m沖孔灌注樁，樁基入巖2 m，在澆注樁基水下C25混凝土至巖層頂時(shí)，用振動(dòng)錘將鋼管柱插打入樁底，以使鋼管柱有足夠的嵌固。鋼管柱最高約為20 m，為增強(qiáng)群柱的縱橫向穩(wěn)定性，縱橫兩向均采用Ⅰ20a槽鋼設(shè)置剪刀撐(大于等于10 m設(shè)置二道剪刀撐)；每排螺旋鋼管柱頂橫梁采用2根Ⅰ40a工字鋼，Ⅰ20a限位槽鋼通過(guò)150×200×10 mm連接板與樁頂Ⅰ40a工字鋼焊接，限制貝雷桁架梁的橫向滑動(dòng)。

上部結(jié)構(gòu)部分，≤12 m跨徑縱梁采用6排單層321型貝雷桁架拼裝，橫向采用90支撐及115支撐架連接，雙通航21 m跨縱梁采用10排321型貝雷桁架拼裝，橫向采用90支撐、45支撐及115支撐架連接，其縱向間距為3 m一道，增強(qiáng)貝雷梁整體穩(wěn)定性。縱向貝雷桁架頂橫向鋪設(shè)Ⅰ22a工字鋼作為分配梁，間距25 cm，橋面滿鋪1 cm厚防滑鋼板作為橋面板。為增強(qiáng)橋面整體性，橫向分配梁通過(guò)焊接Ⅰ10定位槽鋼并與貝雷桁架通過(guò)U型釘固定。橋面安全護(hù)欄采用φ48 mm的鋼管。棧橋兩端設(shè)置混凝土橋臺(tái)，橋臺(tái)處設(shè)置5 cm伸縮縫。如圖1、圖2所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面示意圖

圖2 通航孔橫斷面示意圖

鋼棧橋設(shè)計(jì)為單車道通行且限制橋上僅同時(shí)行駛一輛車，主要通行車輛為27 t汽車吊、36 t挖掘機(jī)(卡特336)、38 t混凝土運(yùn)輸車、77 t碎石運(yùn)輸車，行駛速度<10 km/h。

1.3 荷載擬定

為安全考慮，棧橋最大車輛荷載按77 t碎石自卸車布置。動(dòng)荷載系數(shù)取1.3，故棧橋檢算荷載采用100 t。根據(jù)車輛參數(shù)表，碎石運(yùn)輸車驅(qū)動(dòng)軸為兩組4軸，橫向輪距為1.8 m，軸距為1.8 m+3 m+1.35 m。軸荷載分配情況如下：前軸10 t，后兩組后軸分別為26 t和32 t。

2 棧橋結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

2.1 貝雷桁架梁驗(yàn)算

(1)計(jì)算跨徑為12 m的標(biāo)準(zhǔn)跨，按簡(jiǎn)支梁驗(yàn)算。

選用6列單排單層不加強(qiáng)型貝雷片，其單排貝雷片截面參數(shù)：截面容許抵抗矩[M]=788.2 kN·m，截面容許抗剪強(qiáng)度[Q]=245.2 kN?？紤]標(biāo)準(zhǔn)跨最不利彎矩為車輛荷載后軸中心位于12 m跨度跨中處時(shí)，最不利剪力為車輛后軸位于鋼管樁樁頂處時(shí)。

由于標(biāo)準(zhǔn)跨是由6片貝雷梁通過(guò)90支撐架和限位槽鋼Ⅰ20#連接成整體，而且上部又由Ⅰ22a分配梁與橋面板整體連接作為荷載傳遞結(jié)構(gòu)，故理論上車輛荷載由6排貝雷片共同承擔(dān)，但考慮實(shí)際情況，偏于安全的只認(rèn)為是4排貝雷梁承擔(dān)所有車輛荷載。

總彎矩為M總=2322.2 kN·m<[M]=788.2×4=3 152.8 kN·m滿足要求

支座的總剪力值：

Q總=Q恒+Q活=927.4 kN〈[Q]=245.2×4=980.8 kN滿足要求

最大撓度值：

(2)計(jì)算跨徑為21 m的通航孔，按簡(jiǎn)支梁驗(yàn)算。

布置10列單排單層不加強(qiáng)型貝雷片，其單排貝雷片截面參數(shù)：截面容許抵抗矩[M]=788.2 kN·m，截面容許抗剪強(qiáng)度[Q]=245.2 kN?？紤]標(biāo)準(zhǔn)跨最不利彎矩為車輛荷載后軸中心位于21 m跨度跨中處時(shí)，最不利剪力為車輛后軸位于鋼管樁樁頂處時(shí)。

由于標(biāo)準(zhǔn)跨是由10片貝雷梁通過(guò)90支撐架、45支撐架和限位槽鋼Ⅰ20#連接成整體，而且上部又由Ⅰ22a分配梁與橋面板整體連接作為荷載傳遞結(jié)構(gòu)，車輛荷載由10排貝雷片共同承擔(dān)。

最大剪力為：

Q總=Q恒+Q活=1 006.9 kN〈[Q]=245.2×10=2 452 kN滿足要求

最大撓度為：

2.2 鋼管柱頂2Ⅰ40a工字鋼橫梁驗(yàn)算

(1)按簡(jiǎn)支梁驗(yàn)算，計(jì)算跨徑為標(biāo)準(zhǔn)跨12 m。

橫梁最不利位置分析：當(dāng)車輛荷載全部由第一片至第六片(共6片貝雷片，計(jì)算時(shí)僅按3片計(jì))貝雷梁共同承擔(dān)且車輛后軸位于制動(dòng)墩橫梁正上方時(shí)，橫梁受力最大。

最大應(yīng)力值為：

τ=84.9 MPa〈[τ]=110 MPa

最大撓度為：

各參數(shù)滿足要求。

(2)按簡(jiǎn)支梁驗(yàn)算，計(jì)算跨徑為通航孔21 m。

橫梁最不利位置分析：當(dāng)車輛荷載全部由第一片至第十片(共10片貝雷片，計(jì)算時(shí)僅按5片計(jì)算)貝雷梁共同承擔(dān)且車輛后軸位于制動(dòng)墩橫梁正上方時(shí)，橫梁受力最大。

最大應(yīng)力值為：

τ=95.1 MPa〈[τ]=110 MPa

最大撓度為：

各參數(shù)滿足要求。

2.3 φ630×10 mm鋼管柱強(qiáng)度驗(yàn)算

柱受力：由主橫梁受力計(jì)算知，主橫梁最大支反力出現(xiàn)21 m通航孔處，故當(dāng)全部車輛荷載作用在單排樁頂時(shí)，中間根鋼管樁受力最大，其值等于旁邊兩根鋼管樁受力之和，鋼管樁的強(qiáng)度為：

[P]=Sσ0=6 280×145=910.6 kN〉P=677.260 kN

故φ630×10 mm鋼管柱壓應(yīng)力：

由歐拉臨界應(yīng)力：

壓桿維持直線平衡無(wú)彎曲屈曲。

2.4 鋼棧橋穩(wěn)定性驗(yàn)算

在洪水期不允許任何車輛在橋上行走或作業(yè)，因此只驗(yàn)算棧橋在自重作用下的抗洪穩(wěn)定性。按洪水期橋位段水流的最大流速為V=4.5 m/s，全橋鋼管樁的平均樁長(zhǎng)L=18 m，最高洪水水位取鋼管樁頂面標(biāo)高，由于鋼管樁以振動(dòng)形式進(jìn)入河床覆蓋層，以達(dá)到鋼管樁錨固和抗洪水沖刷的作用。21 m跨鋼橋自重為458.234 kN，單根管樁荷載為458.234/3=152.745 kN，每根63×10 mm鋼管樁(L=18 m)自重27.522 kN。

為提高棧橋抗傾覆穩(wěn)定性，單排鋼管樁均為錨固鋼管樁，取單根錨固長(zhǎng)度2 m，其中入巖2 m，側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值取100 kPa樁抗拔力為：

2×(π×0.63×100)=395.64 kN

阻水高度取為18 m。

流水對(duì)單根管樁的作用力根據(jù)橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范水壓力公式計(jì)算如下：

Fw=KAγV2/(2g)=91.854kN

每個(gè)支撐墩的水流阻力：

ΣFD=3×91.854=275.562 kN

流水合力作用點(diǎn)為水面以下1/3位置處。對(duì)1#點(diǎn)做彎矩計(jì)算，棧橋在自重作用下的抗洪穩(wěn)定性計(jì)算如圖3所示。

圖3 棧橋自重抗洪穩(wěn)定性計(jì)算示意圖

MA(平衡)= (152.745+27.522+395.64)×2×2.5+(152.745+27.522+395.64)×2.5=4 319.303 kN·m

MA(傾覆)=275.562×12=3 306.744 kN·m

MA(平衡>MA(傾覆)，且MA(平衡)/MA(傾覆)=1.306，安全儲(chǔ)備滿足要求，同時(shí)在鋼管樁根部澆筑2 m高混凝土，使同排鋼管樁形成整體，可進(jìn)一步提高棧橋的穩(wěn)定性，故棧橋的穩(wěn)定性滿足要求。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)前述的承載能力、撓度變形、穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果顯示，采取合理的布置跨徑，以及墩柱采用群柱形式，即3排間距為1.5 m的群柱式墩，可以合理降低每跨的正彎矩，提高橋跨結(jié)構(gòu)的承載能力。同時(shí)，下部構(gòu)造基礎(chǔ)采用沖孔灌注樁插打入鋼管柱，可以大大提高墩柱的嵌固力，加上鋼管柱間設(shè)置的縱橫向系梁，剪刀撐，可以保證墩柱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使得墩柱自由端長(zhǎng)度達(dá)到20 m時(shí)仍能保證其安全使用。本設(shè)計(jì)可為有類似通航要求的高墩柱及大跨度的鋼棧橋設(shè)計(jì)提供參考。