張煊銘 謝鄭陽

(1.商丘工學(xué)院，河南 商丘 476000；2.豫東黃泛區(qū)地下空間與巖土工程研究中心，河南 商丘 476000)

1 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，需要越來越多的大橋、特大橋來滿足人們的出行。由于橋梁跨度的增大以及對施工要求的提高，越來越需要用水中臨時(shí)墩來進(jìn)行輔助施工，而臨時(shí)墩往往處于地勢復(fù)雜地區(qū)，在滿足橋梁頂推需求和橋下船舶順利通航的前提下，既要克服水流及風(fēng)力的影響又要能夠承受上部傳遞彎矩的影響[1-5]。本文以具體工程為背景對臨時(shí)墩具體的設(shè)計(jì)及施工展開分析。

2 工程概況

該工程是國內(nèi)第一座跨徑最大的環(huán)形單塔雙索面斜拉橋。大橋全長241.4 m。主橋鋼梁為單箱三室全焊接鋼箱梁結(jié)構(gòu)。箱梁頂寬3.2 m，中線處梁高2.5 m，懸臂板長6.5 m。主塔為全焊接鋼箱形塔結(jié)構(gòu)，總高56 m。外圈圓弧半徑為28 m，內(nèi)圈圓弧半徑為24 m。截面采用變高箱體截面，箱體截面呈六邊形布置。外翼緣寬4 m，環(huán)的外腹板等高在1.5 m以內(nèi)，然后以1∶4的坡度變窄，截面高2.5～5.5 m。主塔共分24個(gè)節(jié)段，其中塔柱為TG2～TG22節(jié)段，材質(zhì)采用Q345D鋼材，下塔柱為TG23、TG0～TG1節(jié)段，材質(zhì)采用Q420D鋼材，腹板板厚為30 mm，內(nèi)翼緣以及1∶4坡度腹板的加勁肋尺寸為20×240 mm，1.5 m高腹板的加勁肋尺寸為30×360 mm，外翼緣的加勁肋尺寸為32×380 mm。橋梁具體結(jié)構(gòu)圖見圖1、圖2。

圖2 橋梁橫斷面示意圖(單位：m)

圖1 橋梁立面圖(單位：m)

3 臨時(shí)墩的位置

為減少橋面及其他部件受到外界因素的影響，提升其自身在施工過程中的穩(wěn)定性，結(jié)合工程實(shí)際特點(diǎn)，采取臨時(shí)墩進(jìn)行輔助施工[7-10]。為確定臨時(shí)墩實(shí)際位置，提出兩種施工方案：方案1，設(shè)置在邊跨L/2處；方案2，設(shè)置在邊跨L/3處。驗(yàn)證最優(yōu)方案達(dá)到最優(yōu)效果，將用無臨時(shí)墩作為對比參照，最終確定最優(yōu)方案，結(jié)果見表1。

表1 方案對比

由上表可知，與無臨時(shí)墩方案對比，采用方案1、2時(shí)振動(dòng)頻率相應(yīng)提高，抗風(fēng)性能增大。采用方案1時(shí)，優(yōu)于方案2。綜上所述，考慮到提高自身穩(wěn)定性和減小水下跨距，施工時(shí)應(yīng)在主跨跨中處設(shè)置臨時(shí)墩。為滿足施工過程中的通航要求，決定采用方案1，在每個(gè)主跨中間設(shè)置臨時(shí)墩。

4 臨時(shí)墩的設(shè)計(jì)

4.1 臨時(shí)墩位置及尺寸的確定

水中臨時(shí)墩作為頂推施工中的頂推墩，主要承擔(dān)頂推施工的豎向荷載和水平荷載[6]。平面尺寸主要滿足頂推施工設(shè)備安裝操作的需要?？紤]到主梁橫向間距較大，在橋梁橫向方向上將臨時(shí)墩分為兩個(gè)獨(dú)立墩。水中臨時(shí)墩的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 水中臨時(shí)墩設(shè)計(jì)參數(shù)

臨時(shí)墩主要由鋼管樁基礎(chǔ)、承力柱和用于穩(wěn)定0樁身的鋼絲繩組成。臨時(shí)墩基礎(chǔ)的豎向荷載按最大支撐反力、臨時(shí)墩自重和不均勻力進(jìn)行設(shè)計(jì)。每個(gè)臨時(shí)墩基礎(chǔ)采用12根尺寸為1000×12 mm的鋼管樁，入土埋深25 m，橫向3 m，縱向3 m。從平均高水位(+ 4.43 m)起，為保證支架的穩(wěn)定性，采用600 × 8 mm鋼管支架將其整體連接。上部結(jié)構(gòu)采用1000×16 mm鋼管柱4根，水平連接采用600×8 mm鋼管。上部與基礎(chǔ)的連接分別采用700×300 h型鋼雙組合和800×300 h型鋼三組合。墩頂承重梁采用800×300 h型鋼雙組合，并采用直徑為28 mm的四根鋼絲繩作為穩(wěn)樁鋼絲繩，增強(qiáng)上部鋼管柱的穩(wěn)定性。為了滿足通航要求，確保臨時(shí)墩施工期間的安全，臨時(shí)墩的兩側(cè)設(shè)置了防撞設(shè)施，臨時(shí)墩結(jié)構(gòu)見圖3、圖4。

圖3 水中臨時(shí)墩立面圖

圖4 水中臨時(shí)墩平面圖

4.2 模擬結(jié)果與分析

根據(jù)水中臨時(shí)墩的結(jié)構(gòu)和布置，利用MIDAS/Civil建模，按照鋼箱梁實(shí)際頂推前移的施工過程進(jìn)行有限元分析，主要考慮上部結(jié)構(gòu)傳遞的豎向荷載和水平荷載，并考慮涌潮荷載模擬不同受力狀態(tài)下臨時(shí)墩的受力及變形。

(1)不同狀態(tài)下應(yīng)力結(jié)果，如圖5、圖6所示。

圖5 頂推狀態(tài)下應(yīng)力結(jié)果

圖6 擱置狀態(tài)下應(yīng)力結(jié)果

(2)不同狀態(tài)下變形結(jié)果，如圖7、圖8所示。

圖7 頂推狀態(tài)下變形結(jié)果

圖8 擱置狀態(tài)下變形結(jié)果

(3)不同狀態(tài)下豎向反力結(jié)果，如圖9、圖10所示。

圖9 頂推狀態(tài)下豎向反力

圖10 擱置狀態(tài)下豎向反力

計(jì)算結(jié)果可得：最大應(yīng)力為195 MPa；最大豎向反力為286 t；最大變形為46 mm，均滿足鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度剛度穩(wěn)定性要求。

5 臨時(shí)墩的施工

施工期間水中臨時(shí)墩除中主跨的臨時(shí)墩使用船舶搭設(shè)外，兩個(gè)邊主跨的臨時(shí)墩均采用在主棧橋上搭設(shè)支棧橋，在支棧橋上使用履帶吊搭設(shè)臨時(shí)墩。

5.1 棧橋的搭設(shè)

在兩邊主跨臨時(shí)墩中心距江心9 m處搭設(shè)支棧橋，支棧橋橫向與原主棧橋相接，支棧橋結(jié)構(gòu)形式與主棧橋一致，寬6 m，長度51 m。支棧橋采用80 t履帶式起重機(jī)和振動(dòng)錘逐級(jí)搭建，主支棧橋施工工藝與支棧橋施工工藝一致。具體過程如下。

(1)施工準(zhǔn)備:將鋼棧橋構(gòu)造劃分為幾部分，根據(jù)鋼棧橋的設(shè)計(jì)圖紙和施工現(xiàn)場的實(shí)際情況,準(zhǔn)備相應(yīng)的建筑材料和建筑機(jī)械,做好施工前準(zhǔn)備工作;

(2)鋪平道路平整:用長臂挖掘機(jī)鋪平道路路面上第一節(jié)鋼棧橋的構(gòu)造；

(3)鋼桁架的安裝:鋼桁架由起重機(jī)吊指定位置,形成連接平臺(tái)，由專業(yè)焊接設(shè)備對底部的鋼桁架鋼筋和鋼板焊接；

(4)槽體連桿安裝:在鋼桁架上安裝若干間距相同的槽體連桿;

(5)鋼筋安裝:用吊車將鋼筋安裝在鋼桁架上，安裝后調(diào)直、調(diào)平、加固;

(6)螺栓安裝和鋼棧橋承載調(diào)試:安裝鋼棧橋鋼行后,將固定螺栓安裝在間距均勻的鋼桁架兩側(cè),安裝防護(hù)欄桿和安全通道的固定螺栓,然后使起重機(jī)用于承重鋼棧橋的運(yùn)行調(diào)試。滿足要求后，鋼棧橋架設(shè)梁[11]，支棧橋布置圖如圖11所示。

圖11 支棧橋布置圖

5.2 邊主跨臨時(shí)墩搭設(shè)

邊主跨臨時(shí)墩采用在支棧橋上80 t履帶吊配合150型振動(dòng)錘搭設(shè)?；A(chǔ)為9根1000×12 mm鋼管樁，入土25 m，根據(jù)河床標(biāo)高及鋼管樁頂標(biāo)設(shè)，單根鋼管樁長約34 m，分兩節(jié)施沉，首節(jié)長20 m，次節(jié)14 m。履帶式起重機(jī)將振動(dòng)錘和第一段鋼管樁吊裝在棧橋上。經(jīng)過測量和精確定位，振動(dòng)下落，首節(jié)鋼管樁下沉至水位線以上1 m位置后，加長分段鋼管樁，繼續(xù)振動(dòng)下沉，直至下沉到位，鋼管樁沉放如圖12所示，沉樁偏差如表3所示。

圖12 鋼管樁沉放示意圖

表3 鋼管樁沉樁偏差

每排鋼管樁下沉到位后，將樁體連接起來，提高樁的橫向穩(wěn)定性。水平連接采用600×8 mm鋼管樁。沉鋼管樁時(shí)，應(yīng)在低速條件下進(jìn)行，避免出現(xiàn)高潮位或高流速。所有鋼管樁施工完畢后，進(jìn)行承臺(tái)施工。施工前放在各樁樁頂標(biāo)高，安裝樁帽鋼板，樁帽鋼板采用20 mm厚A3鋼，樁帽與鋼管樁環(huán)向焊接，四周焊14 mm肋板，焊縫高度為10 mm。

樁帽施工完成后，安裝縱橫梁。下橫梁為雙組合700×300 h型鋼，與樁帽焊接，上接三組合800×300 h型鋼縱梁，縱橫兩側(cè)均焊14 mm加強(qiáng)勁板，保證其整體鋼度，使上部鋼立柱受力能均勻傳遞至樁基礎(chǔ)上。

鋼立柱為1200×1400 mm鋼管樁，為減少水上作業(yè)，橫向每兩根鋼管、平聯(lián)及樁帽在后場預(yù)制加工好，整體吊裝與縱梁焊接，四周焊接肋板加強(qiáng)，兩組鋼管立柱安裝完成后，安裝平聯(lián)及斜撐，最后安裝頂部承重梁及穩(wěn)樁鋼絲繩。

5.3 中主跨臨時(shí)墩搭設(shè)

中主跨臨時(shí)墩處通航孔處，采用浮吊搭設(shè)。施工前與海事等相關(guān)部門辦理相關(guān)手續(xù)，浮吊駛?cè)胧┕がF(xiàn)場拋錨定位，吊振動(dòng)錘振沉鋼管樁，其主要施工方法與邊主跨臨時(shí)墩搭設(shè)方法類似。

6 結(jié)論

本工程是國內(nèi)第一座跨徑最大的環(huán)形單塔雙索面斜拉橋，是國內(nèi)斜拉橋施工技術(shù)的新創(chuàng)新。該大橋施工時(shí)為減少上部的反力以確保施工的安全，經(jīng)過系統(tǒng)的分析在每跨跨間設(shè)置臨時(shí)墩。根據(jù)工程實(shí)際確定橋墩具體尺寸，利用MIDAS/Civil建模驗(yàn)證出最大應(yīng)力及最大反力，同時(shí)，利用臨時(shí)棧橋來幫助臨時(shí)墩施工，并對棧橋施工工藝展開具體介紹。結(jié)果表明，此項(xiàng)目的施工方法安全可靠，對后續(xù)同類型工程具有一定的參考意義。