深水基础钢栈桥设计与施工

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  摘 要深水基础施工时,一般需修建钢栈桥作为运输通道,并依附钢栈桥搭设作业平台,实现由水中作业转化为陆地作业的目的。本文通过新许特大桥双洎河水中墩栈桥实例,详细介绍了钢栈桥的设计过程和施工方法,供同行参考借鉴。
  关键词钢栈桥;设计;施工方法
  中图分类号TU文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)041-0156-03
  
  1工程概述
  石武客运专线新许特大桥全长41.209km,其中401#墩~405#墩位于双洎河水中,水位从6.27m至9.71m不等。该桥下部结构设计为钻孔桩基础、矩形承台、圆端型桥墩。本桥横跨双洎河,水中墩主要地质为:淤泥质粉质黏土、粉土、粉质黏土、中密粉土、细砂、粉质黏土、石英质粗圆砾土;桥址区第四系地层覆盖厚达80m以上,地质构造不发育。
  2总体方案
  401#~405#水中墩施工采用搭设钢栈桥作为运输通道,并在相应墩位处搭设作业平台进行钻孔桩作业和钢板桩围堰施工,围堰封底后再进行承台及墩身施工的施工方法。本文重点讲述钢栈桥的设计与施工技术。
  3钢栈桥设计
  钢栈桥采用上承式结构,全长为141m,桥面宽度为5m,跨径为1-3.0+9-15.0+1-3.0m。考虑到本桥不通航,根据历年洪水水位,设定桥面标高为97.0m。
  栈桥采用钢管桩(Φ500mm,壁厚8mm)基础,入土深度为13.2m,每个墩位管桩露出水面部分横向采用型钢剪刀撑连为一体。桩顶采用双排6m长I45a工字钢作为横梁将上部荷载传至桩身,为防止失稳,在支撑点处与管桩连接部位横桥向设置牛腿加固。梁部主桁架采用6片贝雷拼装而成,钢栈桥桥面板横梁采用Ⅰ10a工字钢通过U型卡固定在贝雷片弦杆的节点处,桥面板纵梁采用[10a槽钢与横梁焊接,桥面板采用10mm厚防滑钢板。活荷载上桥时限制行车速度在10km/h以内。栈桥检算结构模型如图1所示。
  图1结构模型
  以自重为62.6t履带旋挖钻机行驶至跨度为15m钢栈桥跨中和桩顶时作为计算模型,分别验算钢栈桥面板、钢栈桥面板[10槽钢纵肋、钢栈桥面板I10工字钢横肋、钢栈桥贝雷桁架、钢栈桥I45a工字钢横梁及钢栈桥钢管桩(φ500mm,壁厚8mm空心钢柱)的受力情况。
  3.1钢栈桥面板(10mm厚钢板)验算
  桥面板自重=0.785KN/m。
  履带旋挖钻机履带长度4m,宽度0.8m,计算面板时取1.2的冲击系数。
  单侧匀布荷载q=626/(0.8×4×2)*1.2=117kPa,经迈达斯软件分析计算,最大组合应力σ=202.1MPa<[σ]= 205MPa,满足要求。其最大支点反力为69.6kN。
  3.2钢栈桥面板[10槽钢纵肋验算
  按五等跨连续梁进行计算,支座间距0.5m,查《建筑施工手册》弯矩为:
  M=0.105*69.6*0.5*102=1.827kN.m,弯曲应力:
  σ= M/W=1.827*103/39.7*10-6=46.02MPa<[σ]=205MPa,满足规范要求。
  最大剪力:Q=0.606*69.6*0.5=21.1kN,剪应力为:
  τ= Q*S/(b*I) =21.1*103*23.5*10-6/(5.3*10-3*198.3*10-8)=47.2MPa<[τ]=125MPa,满足规范要求。
  3.3钢栈桥面板I10工字钢横肋验算
  按跨度0.9m的简支梁中间布置间距为0.5m的两个集中荷载进行计算
  (偏于安全),弯矩为9.85kN.m,弯曲应力:σ=M/W=9.85*103/49*10-6
  =201.0MPa<[σ]=205MPa,满足规范要求。
  支座最大反力:Rb=1.132*69.6*0.5=39.4kN,即剪力最大为
  Q= Rb=39.4kN,剪应力:
  τ=Q*S/(b*I)= 39.4*103*28.2*10-6/(4.5*10-3*245*10-8)= 100.8MPa<[τ]= 125MPa,满足规范要求。
  3.4钢栈桥贝雷桁架验算
  贝雷桁架由n=6片贝雷组成,每片国产贝雷片重量(3.0m长)(支撑架和销钉等零件)300kg,单片桁片惯性矩Ix=250500cm4、桁片截面模量WX=3570cm3、桁片允许弯矩[M]=788.2kN.m、允许剪力[Q]=245kN,不均匀折减系数η为0.9。
  一辆履带旋挖钻机行驶至栈桥跨中时的弯矩为:
  M1=1/4*626*1.4*15=3286.5kN.m
  由“贝雷桁架自重+I10工字钢自重+[10槽钢自重+桥面板自重”产生的跨中彎矩为:M2=1/8*7*152*1.2=236kN.m,其中q=(3*6/3)+0.11+0.1+0.785=7kN/m。
  最大弯矩为:Mmax= M1+ M2=3522kN.m<[M]=0.9*788.2*6=4256.28kN.m,满足要求。
  挠度f=PL3/(48ηnE I)+5qL4/(384ηnEI)=626*103*153/(48*0.9*6*2.06*1011*250500*10-8)+5*7*103*154/(384*0.9*6*2.06*1011*
  250500*10-8)=0.0174m。
  挠跨比为:f/L=0.0174/15=1/862<[f/L]=1/400,满足要求。
  最大剪力Q=(626*1.4+7*1.2)/2=442.4kN<ηn [Q]= 0.9*6*245=1323kN,满足要求。
  3.5栈桥I45a工字钢横梁验算
  履带旋挖钻机行驶至桩顶位置时2I45a工字钢横梁承受的荷载最大。履带旋挖钻机重量由4片贝雷片共同承担,N=626*1.4/4=219.1kN,贝雷桁架等的自重1.1*7*15*1.2/4=34.65KN。
  经计算组合应力177MPa,剪应力56MPa,均小于允许值,满足要求。
  3.6栈桥钢管桩验算
  按单根钢管桩(φ500mm、壁厚8mm空心钢柱)验算。
  采用公路—Ⅰ级车辆荷载移动分析时,最不利位置如图2所示。
  此时车辆荷载移动反力最大值为498.9kN,如图3所示。
  采用公路—Ⅰ级车道荷载移动分析时,均布荷载标准值qK=10.5kN/m,集中荷载标准值PK按照计算跨径为15m直线内插求得PK=220kN,最不利位置如图4所示。
  此时车道荷载的反力最大值为433.7kN,如图5所示。
  可见支座反力均小于一台履带钻机的自重,故单墩受力按履带钻机自重的组合荷载N=626*1.4+1.1*7*15*1.2=1015kN(贝雷梁等的自重)进行计算安全可靠,单根钢管桩最大受力N=1015/2=507.5kN。
  1)单根空心钢柱应力计算。由于空心钢管桩(直径500mm、壁厚8mm)埋入的软塑状粉质黏土、粉土、饱和稍密细砂、硬塑粉质黏土、粉土饱和中密层的横向约束较小,为安全起见,钢管桩的计算长度按照露出河床的长度为11.2m与预计埋入河床的长度13.0m之和来考虑。即L=11.2+13.0=24.2m
  I=πD4/64-πd4/64 =π*0.54/64-π*0.4844/64=0.000374248m4
  A=πD2/4-πd2/4 =π*0.52/4-π*0.4842/4=0.012365308 m2
  i=SQR(I/A)=0.174
  λ=L/i=24.2/0.174=139.1,查表ψ=0.353
  σ=N/(ψA)= 507.5*103/(0.353*0.01854)=77.5MPa<[σ]=205MPa,满足要求。
  2)计算桩的入土深度。以404#墩地质情况进行计算,自地面向下分别为软塑状粉质黏土0.594m,q=36kPa,粉土1.292m,q=22kPa,饱和稍密细砂1.962m,q=30kPa,硬塑粉质黏土5.664m,q=82kPa,粉土饱和中密3.683m,q=42kPa,粉土饱和密实15.625m,q=53kPa。
  钢管桩的周长U=πd=π*0.5=1.571m
  根据公式 [N]=0.5*U*Σ(q*L),按入土13.0m计算则
  [N]=0.5*1.571*(36*0.594+22*1.292+30*1.962+82*5.664+42*3.488)=565.3kN>N=507.5kN,说明打入钢管桩入土深度大于13.0m,即桩尖位于饱和中密粉土时,钢管桩的承载力满足要求。
  4栈桥施工
  4.1测量定位
  工作桩施工前根据桩位图计算每根桩中心的平面坐标,确定桩中心位置及沉桩顺序,防止先施打的桩妨碍后续桩的施工。根据桥台确定的控制点对水中栈桥管桩位置进行测量放样,用测量仪器结合定位架定位管桩。定位架采用贝雷架辅助定位,桩位测定后进行打桩作业,钢管桩在施打过程中全站仪或经纬仪要全方位检测桩位进尺和偏移情况,根据入土深度要求及栈桥、平台标高确定钢管桩长度,设计桩长满足要求时说明承载力达到要求。施工过程中现场管理人员必须严格控制最终沉入量。
  4.2打桩控制
  1)设备选用。打桩设备主要包括履带吊机和振动打桩锤,根据计算桩长及现场地质条件,选用DZ-60型可调偏心力矩振动錘和QUY50履带式起重机配套振动打桩。①QUY50履带式起重机。QUY50选用进口发动机及液压全套系统;采用液压驱动、电液比例控制,可无级调速,微动性能好;起升、变幅及回转机构均采用多级行程减速,结构紧凑、工作平稳可靠;采用德国先进的全自动力矩限制器,确保作业安全;配有主臂、副臂、变幅三套独立卷扬系统。②DZ-60型可调偏心力矩振动锤。DZ-60型振动锤的机构最大特点是利用液压控制偏心力矩变换装置,使振动锤在起动、停机及运行过程中从0至设计最大值的无级调节偏心力矩。
  2)导向架施工。为控制钢管桩的垂直度,水中沉桩时应设置导向架。导向架采取型钢加工制作成空间桁架,上下两层,间距为3.0m。测量定位后,将导向架吊装至设计位置,在周边插打4φ273mm的定位桩固定导向架。通过丝杠调节系统,精确调整桩位后,即可进行打桩作业。钢管桩施工完成后,定位桩采用振动沉拨桩锤拔出,利用履带起重机吊开导向架。
  3)施工控制方法。①为验证钢管桩的承载力和确定钢管桩的合理入土深度,确保栈桥施工安全,应在河滩上进行试桩加载试验。②打桩前,钢管桩顶部以下20cm范围内对称在管桩内侧加厚1cm钢板圈,避免施打过程中桩顶变形。管桩在岸边或栈桥上根据水深及入土尺寸确定的长度下料后采用吊车起吊至定位架中心对中并固定。之后吊车松开管桩,将桩锤起吊至管桩上,并校准桩锤、桩顶与桩身三者之轴线是否在同一直线上。③确定桩的位置与垂直度满足要求后,开动振动锤振动下沉,每次振动持续时间不宜超过10~15min,振动过长则振动锤易受到破坏,太短则难以下沉。④打桩时,每根桩的下沉应一气呵成,不可中途停顿或较长时间的间隙,以免因土壤与桩身密接而造成打设困难。所有桩必须沉入规定的深度。
  4)打桩注意事项。①在流速较小时沉入钢管桩。②沉桩顺序:按照先上游后下游的施工顺序进行沉桩。③钢管桩平面位置及垂直度调整完成后,开始压锤,依靠钢管桩及打桩锤的重量将其压入土层,复测桩位和倾斜度,偏差满足要求后,开始锤击。④钢管桩的桩尖标高由入土深度控制,以达到钢管桩的入土深度满足设计要求为准。
  4.3桩顶处理
  1)根据桩顶标高确定是否需要接桩。焊接接桩时,应保证焊接部分与原桩身轴线重合,同时确保焊接缝饱满,必要时采用帮条焊,加强接桩部分的整体性。
  2)桩顶沿横桥向轴线切割成35*25cm凹槽,成型后大面平整,以保证横梁平稳放置。
  3)桩顶横梁采用2根I45a工字钢,单根长度为6m,放置于桩顶时应确保卡在桩的中心位置,工字钢与管桩接触面满焊,另外在横桥向焊接牛腿,将工字钢与管桩连接成一体。
  4)河床处于低水位时,在管桩之间设置型钢剪刀撑焊接,增强桩身稳定性。
  4.4贝雷桁架安装
  1)以桥梁设计图要求的跨径进行单跨桥上组拼,用25t汽车吊吊装至设计位置就位。
  2)贝雷桁架拼装时,应注意单片的正反方向,要求有限位装置的作为下承弦杆,同时穿入铆钉,并将铆钉上卡口,防止铆钉脱落。
  3)每一平联杆件应安在贝雷片的节点处,连接螺钉必须上紧。
  4)拼装完成一跨后应仔细检查各部位的连接情况,同时矫正纵向的弯曲部位。
  5)安装完第一跨后,移动汽车吊装下一跨就位销接。
  4.5桥面系施工
  1)桥面系主要受力杆件为横挑于贝雷片纵梁上的I10a工字钢(横梁),间距50cm,该工字钢单根长度为6m。
  2)工字钢与贝雷片下旋杆(顶面)接触面需特殊处理:工字钢底部烧孔套住贝雷片下弦杆上顶面的限位铆钉。
  3)工字钢端部需与贝雷片纵梁用“U”形卡固定,通车时防止工字钢横梁产生上跳、移位现象。
  4)[10a槽钢纵梁要求立放,点焊于I10a工字钢上,上盖δ=10mm厚防滑钢板,并将钢板与[10a槽钢纵梁点焊连接。
  栈桥安装结束后,经上级主管部门组织验收,合格后方可投入使用。
  5结束语
  该栈桥自2009年4月底投入使用以来,始终坚持按照设计荷载和行车限速要求,指派专人在桥头进行交通疏导、监督,经过半年多的运转,栈桥的桥面平整度、钢管桩沉降、主桁架挠度等相关指标均满足设计要求。值得注意的是,同行在今后设计栈桥时,钢桥面的横梁建议安放在贝雷的节点处,并据此检算钢桥面的纵、横梁及面板受力,主要是因为贝雷的上下弦杆在非节点处受力后容易发生弯曲变形,这将影响贝雷桁架的安全使用和减少周转使用次数。
  
  参考文献
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  作者简介
  付国才(1971—),男,高级工程师,1994年毕业于长沙铁道学院土木工程系铁道工程专业。
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