鎮(zhèn)羅黃河特大橋鋼棧橋與鉆孔平臺設計分析

王金國，葉 鋒，李英瑞，湯 宇，凌 濤

（1.寧夏交投工程建設管理有限公司，銀川 750000；2.中鐵五局集團第一工程有限責任公司，長沙 410117）

鋼棧橋主要應用于我國的橋梁施工、大壩施工、港口及渡船碼頭等工程中，作為連接水上施工平臺與陸地車輛通行及材料運輸?shù)耐ǖ?，尤其是橋梁在水上施工常常采用鋼棧橋進行材料的運輸，其具有承載能力大、快速施工、循環(huán)利用的特點[1]。現(xiàn)階段，常采用搭建貝雷梁鋼棧橋的方法來解決河、?？缍螛蛄簛磔o助施工建設，其極具短期施工、構件輕便、便于拆裝的特點，對于目前縮短橋梁施工周期具有較大的工程意義[2]。

1 工程概況

1.1 工程簡介

鎮(zhèn)羅黃河特大橋位于寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)境內(nèi)，北岸為鎮(zhèn)羅鎮(zhèn)河溝村，南岸為永康鎮(zhèn)沙灘村，是銜接烏瑪高速公路和定武高速公路聯(lián)絡線的主要通道，同時也是烏瑪高速公路的控制性工程[3]。工程起訖里程樁號為LK5+679.5—LK6+968.5，全長1289 m。

鎮(zhèn)羅黃河特大橋由北岸灘地引橋、北岸跨堤橋、主橋、南岸跨堤橋和南岸灘地引橋組成，孔跨布置為（3×40）m鋼混組合梁+（40+40+75+40）m鋼混組合梁+（55+6×90+55）m鋼混組合梁+（40+40+75+40）m鋼混組合梁+（3×40）m鋼混組合梁，其中主橋橋長650 m[4]。

1.2 地質(zhì)水文條件

1.2.1 地形地貌

橋址區(qū)場地地貌單元為黃河河床及漫灘，地勢開闊，地形稍有起伏，橋軸線地面高程為1201.3～1208.9 m，相對高差約7.6 m?？缭蕉魏用鎸捈s540 m，河床中主要為砂卵石層。

1.2.2 水文條件

橋址區(qū)河面寬約540 m，最大水深4.5 m，變化幅度為1.0～1.5 m。百年平均洪水水位1206.66 m。施工控制水位取10年一遇洪水位1206.66 m。

1.3 工程特點和施工難點

1）大部分基礎位于礫石、卵石中，軟弱覆蓋層淺，臨時鋼管樁成樁較為困難。

2）洪水期流速大，要考慮漂浮物的撞擊，對鋼棧橋橫向穩(wěn)定性要求高。

2 棧橋與鉆孔平臺設計

2.1 設計標準及荷載要求

棧橋及平臺按10年一遇的洪水位及施工荷載控制設計[5]。棧橋設計控制荷載為結構自重，100 t履帶吊（考慮后期主橋上部結構鋼箱梁散拼吊裝），450型旋挖鉆自重（含鉆具）160 t，混凝土罐車。鉆孔平臺設計控制荷載為結構自重，50 t履帶吊+30 t吊重（樁基混凝土灌注），450型旋挖鉆自重（含鉆具）160 t，混凝土罐車。

2.2 棧橋與鉆孔平臺設計特點

1）鉆孔平臺平聯(lián)設計時考慮樁基施工過程中鋼護筒跟進的可操作性。

2）錨固樁與鋼護筒之間的第一層平聯(lián)設計考慮圍堰下放平臺。為減少后期圍堰下放平臺搭設工作量，在進行主墩平臺設計時，考慮到后期圍堰下放需要，待樁基施工完成后，拆除鉆孔平臺，無須進行圍堰下放托架焊接，即可立即開始圍堰內(nèi)拼裝。

3）棧橋設計時考慮作為路基填料運輸通道，按2車道設計，單跨12 m，每5跨1聯(lián)，設置制動墩[1]。

2.3 總體布置

棧橋分8聯(lián)布置，橋面寬7 m，總長540 m，布置于主橋上游。每跨12m，第一聯(lián)至第六聯(lián)為5跨1聯(lián)，第七聯(lián)為8跨，第八聯(lián)為7跨，按鋼材線膨脹系數(shù)1.2×10-5℃及最大溫差50℃進行計算，每聯(lián)之間設置3 cm伸縮縫；暫定12#墩采用鋼套箱施工，鉆孔平臺樁位布置為順橋向15 m，橫橋向33 m；其余墩位采用鋼圍堰施工，鉆孔平臺樁位布置為順橋向12 m，橫橋向33 m，平臺大小以滿足施工需要為原則；支棧橋布置于鉆孔平臺大里程或小里程側，順橋向6 m，橫橋向33 m，支棧橋位置以滿足施工需要、便于后期臨時支墩施工為原則，圖1為橋位現(xiàn)場圖。

圖1 橋位現(xiàn)場圖

3 棧橋與鉆孔平臺受力計算

3.1 棧橋模型及邊界條件設置

棧橋模型：鋼棧橋模型按4×12 m一聯(lián)連續(xù)梁模型建立，制動墩設置在每聯(lián)連續(xù)梁中墩位置（Midas中采用剛性連接），其他位置采用活動支座（Midas中采用一般連接），棧橋模型三維圖如圖2所示。

圖2 棧橋模型三維圖

邊界條件：貝雷片之間的銷接狀態(tài)采用釋放梁單元方式模擬。貝雷桁架與樁頂橫梁、樁頂橫梁與鋼管樁、貝雷桁架與分配梁及分配梁與橋面縱梁采用彈性連接中的一般連接。鋼管樁樁底按固結模擬，根據(jù)最不利荷載分析，以下面7種工況（第一至第六種工況均考慮制動力影響）對本棧橋進行結構受力分析：①結構自重+450型旋挖鉆位于棧橋跨中處；②結構自重+450型旋挖鉆位于棧橋支座處；③結構自重+2輛10 m3混凝土罐車（滿載）并排位于棧橋跨中處；④結構自重+2輛10 m3混凝土罐車（滿載）并排位于棧橋支座處；⑤結構自重+1聯(lián)4跨，每跨均有1輛滿載32 m3砂石自卸車與1輛空載自卸車并排位于棧橋跨中處；⑥結構自重+50 t汽車吊位于支棧橋處，吊裝樁基鋼筋籠時按最大鋼筋籠重30 t計算；⑦最大東西方向迎面風和河流沖刷作用下（最不利作用），貝雷梁和鋼管樁作抗傾覆檢算。

3.2 以棧橋在450型旋挖鉆位于棧橋支座處（工況二）狀態(tài)下計算分析

3.2.1 施加荷載

旋挖鉆履帶著地寬0.9 m，著地長6 m，鋼棧橋橋面板由I36b槽鋼倒扣滿鋪組成，因此履帶吊荷載可以模擬為縱向線荷載施加于I36b槽鋼上，單側履帶作用于3根I36b槽鋼上。故單根線荷載P=履帶吊總重1600 kN÷2（2條履帶）÷3（單側履帶作用于3根槽鋼上）÷6 m（履帶 著地長度）=44.5 kN/m。工況二履帶吊荷載如圖3所示。

圖3 工況二旋挖鉆荷載圖

3.2.2 橋面板（I36b槽鋼）計算結果

由于Midas計算結果中，橋面系構件總體變形與貝雷桁梁變形一致，導致橋面系構件變形輸出結果遠大于實際變形，另外再考慮到橋面系構件跨度均較小，故結果分析中橋面系構件僅以強度滿足要求進行控制，橋面板（I36b槽鋼）組合應力（彎曲正應力+軸向正應力）為

式中：σmax為最大組合應力，Mmax為最大允許彎矩，Wx為斷面率，N為軸向力，A為橫截面積。σmax=62.3 MPa＜f=215 MPa，同理橋面板（I36b槽鋼）剪切應力為

式中：τmax為最大應力，S為靜矩，Ix為慣性矩，tw為面積矩，Vmax為最大剪切應力。τmax=13.6 MPa＜fv=125 MPa。

3.2.3 I25a工字鋼分配梁計算結果

I25a工字鋼分配梁組合應力σmax=111.6 MPa＜f=215 MPa。I25a工字鋼分配梁剪切應力τmax=46.4 MPa＜fv=125 MPa。

3.2.4 貝雷梁計算結果

貝雷梁組合應力σmax=293.2 MPa＜f=305 MPa（貝雷梁弦桿及腹桿為16Mn鋼，相當于Q345鋼）。同理貝雷梁剪切應力τmax=58.6 MPa＜fv=175 MPa，貝雷梁位移最大撓度ωmax=15 mm＜[ω]=12000/400=30 mm。

3.2.5 雙拼I40b工字鋼橫梁計算結果

雙拼I40b工字鋼橫梁組合應力σmax=93.3 MPa＜f=215MPa。同理雙拼I40b工字鋼橫梁剪切應力τmax=43.7MPa＜fv=125MPa。雙拼I40b工字鋼橫梁最大撓度ωmax=3.7mm＜[ω]=3150/400=7.875 mm。

3.2.6 Φ630×10 mm鋼管樁計算結果

由于Φ630×10 mm鋼管樁為受壓構件，在此只需計算鋼管樁的軸向抗壓強度與軸心受壓穩(wěn)定性。Φ630×10 mm鋼管樁軸向抗壓應力σmax=38.1 MPa＜f=215 MPa。

3.3 計算結果

根據(jù)檢算結果，鋼管最大軸向力為925 kN，按規(guī)范安全系數(shù)K=2.0，設計鋼管入土深度，則每根鋼管的承載力為925×2=1850 kN，鋼管樁周長U=πD=1.98 m。根據(jù)地質(zhì)報告，河床下20 m范圍內(nèi)均為卵石層，摩阻力標準值為220 kPa。則N=220×1.98×H=1850 kN，得出H=4.25 m，證明鋼管樁深入卵石層4.25 m即可滿足承載力要求。

由表1—3可知，在工況一、二、三、四、五、六狀態(tài)下，棧橋各構件強度及剛度均滿足規(guī)范要求。在工況七狀態(tài)下，棧橋受最大迎面風荷載、水流沖刷荷載及偶然漂流物撞擊荷載作用，棧橋抗傾覆穩(wěn)定性滿足要求。但是在工況二（450型旋挖鉆位于棧橋支座處）狀態(tài)下，321貝雷梁的最大組合應力值達到293.2 MPa，距16Mn鋼（Q345鋼）的抗拉、抗壓和抗彎強度設計值305 MPa已經(jīng)很接近，且豎桿軸力最大值達到209.4 kN，距321貝雷片最大容許豎桿內(nèi)力值210 kN也很接近。建議對支點處貝雷片腹桿進行補強處理，補強措施如下（補強結構由上下弦桿及腹桿組成，構建均采用工16a焊接或栓接連接，注意上下弦桿與貝雷片固有弦桿刨平頂緊，盡量減少構建間間隙）：考慮到此計算采用的是極限狀態(tài)法設計，荷載組合采用的是1.2倍恒載+1.4倍活載，因此貝雷片強度仍能得到保證，但是在450型旋挖鉆經(jīng)過棧橋時，附近數(shù)跨棧橋范圍內(nèi)不允許任何車輛或者機械通過，且建議450型旋挖鉆通過棧橋時，卸下鉆桿及鉆具，以減小整體荷載。32 m3砂石料車應限速限距通過棧橋。

表1 構件強度計算結果

表2 構件位移計算結果

表3 棧橋抗傾覆穩(wěn)定性結果

4 結論

1）分析了工程特點和施工難點，主要因為大部分基礎位于礫石、卵石中，軟弱覆蓋層淺，臨時鋼管樁成樁較為困難，洪水期流速大，要考慮漂浮物的撞擊，對鋼棧橋橫向穩(wěn)定性要求高。

2）分析棧橋與鉆孔平臺設計特點，地形地貌和水文條件直接影響主棧橋與鉆孔平臺設計（設計標準及荷載要求、總體布置）。

3）通過Midas計算棧橋與鉆孔平臺受力，結果表明：在450型旋挖鉆處于棧橋支座處狀態(tài)下，321貝雷梁的最大組合應力值為293.2 MPa，距16Mn鋼（Q345鋼）的抗拉、抗壓和抗彎強度設計值305 MPa非常接近，且豎桿軸力最大值為209.4 kN，與321貝雷片最大容許豎桿內(nèi)力值210 kN也非常接近，因此建議對支點處貝雷片腹桿采用補強處理技術。