钢栈桥在深水施工中的设计与应用

任加亮

(中铁十四局集团有限公司，河南郑州 450006)

1 工程概况

援尼日尔二桥位于尼日尔共和国首都尼亚美市，南北纵跨尼日尔河，全长 600 m，4 联（3×40 m＋4×40 m＋4×40 m＋4×40 m）15 跨，双幅 4 车道，北岸为 0#桥台，南岸为 15#桥台。其中 5#～11#墩处于水中，其余处于旱地，其中 5#～11#墩右幅每跨在上游处设一根防撞墩。尼日尔河是季节性河流，水位受降雨量变化而差异很大，为方便施工时材料、机具设备的运输，项目技术组在水中架设钢栈桥、水中墩设置固定钻孔平台。为不影响航道通行，栈桥设置成通航栈桥形式，预留 8#墩至 9#墩之间作为通航孔，不设钢栈桥。

2 栈桥设计说明

河床地质条件表层为 1.0 m～1.5 m 厚淤泥，以下依次为 1.8 m 砂砾层、强风化岩层。

钢栈桥分北栈桥和南栈桥，北栈桥从 5#墩至8#墩位，5#墩位采用筑岛填土修筑栈桥引道，从引道至 8#墩搭设栈桥，6#、7#、8#墩采用固定平台方案施工。南栈桥从南岸至 9#墩位，栈桥起点设在 11#墩和 12#墩之间，9#、10#、11#墩采用固定平台方案施工。

按照钢栈桥的施工方法，投入 50 t 履带吊，架设施工采用钓鱼法进行，钢栈桥按 12 m 跨距设计，栈桥承载力应满足：50 t 履带吊在桥面行走和起重 20 t 要求、6 m3 混凝土罐车(30 t)行车要求。

栈桥桥面和钻孔平台面设计标高按最高水位考虑，以使栈桥和平台在施工期时间内都能正常作业，尼日尔河常水位标高 176.5 m，最高水位180.56 m，栈桥桥面、平台面设计标高 180.56 m。

沿桥轴线布置钢栈桥，使钢栈桥位于左右两幅桥中间，栈桥采用净宽 4.2 m 设计，左右两幅桥最内侧的两根桩的净间距为 4.45 m，相应钢护筒净间距为 4.25 m，栈桥宽度满足施工需要。

平台采用钢管桩基础，并结合利用钢护筒，梁部采用纵横工字钢。钢栈桥的平面位置不得妨碍钻孔桩、系梁施工，并考虑与钻孔平台系统的配合。表1为栈桥、平台施工设计方案表。

表1 栈桥、平台施工设计方案表

3 栈桥、平台结构

设计栈桥面 4.2 m，设计标高 180.56 m，栈桥桥面标高比同位置系梁顶面高 20 cm。栈桥桩采用直径 φ600×8 mm 的 Q235a 钢管桩。为避免尼日尔河洪水位时发生意外事件，基础形式为双排桩，每排为 3 根Ф60 钢管桩。钢管桩入土深度 4～6 m。下横梁采用 I40b 型钢，主纵梁采用 1．5 m 高的“321”型普通型贝雷梁，共两组，每组布置二榀。贝雷梁上依次铺设 I25 的横向分配梁，间距 1.50 m；I12.6 型钢的纵向分配粱，间距 40 cm；桥面板采用8 mm 厚防滑钢板，最后，安装栏杆、照明和管线等附属结构。用同种方法施工钻孔平台。图1为栈桥立面、平面结构图，图2为钻孔平台立面、平面、横断面图，图3为栈桥平面图，图4为栈桥与平台位置示意图。

4 钢栈桥受力检算

钢栈桥受力检算，其最大跨径为 12 m。

图1 栈桥立面、平面结构图

图2 钻孔平台立面、平面、横断面图

图3 栈桥平面图

图4 栈桥与平台位置示意图

4.1 计算基本参数

I40b 工字钢：0.74 kN/m;

I28a 工字钢：0.43 kN/m；

I12.6 工字钢：0.12 kN/m;

φ600×8 钢管桩：1.18 kN/m；

人群荷载：3.00 kN/m；

移动均布荷载：500 kN；

单排单层加强型贝雷梁 单位重：1.50 kN/m；

截面模量：W=7 699 cm3；

惯性矩：I=577 434 cm4；

贝雷梁（16 锰钢）：容许弯曲应力[σ]=210 MPa，

容许剪应力[τ]=120 MPa，

弹性模量 E=210 GPa；

I40b 工字钢（A3 钢）：容许弯曲应力[σ]=160 MPa，

容许剪应力[τ]=100 MPa，

弹性模量 E=210 GPa；

截面模量：W=1 139 050 mm3；

惯性矩：I=227 810 000 mm4。

4.2 贝雷梁抗弯强度、刚度检算

恒载计算：

q 恒=(桥面横向分配梁+桥面纵向分配梁+桥面方木)/21+贝雷梁自重=[0.43×(12/1.5+1)×4.2+0.12 ×(4.2/0.4+1)× 12+(12/0.22+1)× 0.2 ×0.2×4×4.2]/12+1.5×4=11.85(kN/m)

活载计算：q 活=3 kN/m

总均布荷载：q 总=14.85 kN/m;集中荷载：P=700 kN。

图5为其荷载最不利组合计算图示。

图5 贝雷梁荷载最不利组合计算图示

抗弯强度计算：

跨中弯矩：Mmax=2367.30 kN· m

弯曲应力：σ=Mmax/W=2367.30/(4×7699 ×10-3）=76.87（MPa）<[σ]=210（MPa）

抗弯刚度计算：

f=5mm<[f]=L/500=24mm

由以上计算知贝雷梁抗弯强度、刚度满足使用要求。

4.3 横向分配梁计算

横向分配梁为双 I40b 工字钢，图6为其荷载最不利组合计算图示。

P1=350 ×(12-2.25)/12 ×(1+(3.02-2.5)/3.02)+14.85×12/2=422.44（kN · m）

P2=350 ×(12-2.25)/12 ×(2.5/3.02)+14.85×12/2=324.51(kN· m)

由图6可知:因为间距和均布力太小,所以不考虑弯曲。

Qmax=422.44 kN

工字钢梁剪切应力：

τ=QmaxSmax（/It）=Qmax[bH2-(b-t)h2]/(8It)=422440 ×(144× 4002-(144-12.5)× 3672/8/227800000/2/12.5=49.41（MPa）<[τ]=100 MPa

图6 横向分配梁荷载最不利组合计算图示

由以上计算可知：双 40b 工字钢横向分配梁满足使用要求。

4.4 纵向分配梁计算

纵向分配梁为单 I40b 工字钢，图7为其荷载最不利组合计算图示。

图7 纵向分配梁荷载最不利组合计算图示

跨 中 弯 矩 ：Mmax=PL/4+qL2/8=422.44× 1.2/4+1.48×1.22/8=126.98（kN · m）Qmax=P/2+qL/2=422.44/2+1.48× 1.2/2=212.11（KN）弯 曲 应 力 ：σ=Mmax/W=126.98/（1139050×10-6× 2）=55.74（MPa）<[σ]=160 MPa

工字钢梁剪切应力：τ=QmaxSmax（/It）=Qmax[bH2-(b-t)h2]/(8It)/2=212.11 ×(144×4002-(144-12.5)× 3672)/8/227800000/2/12.5=24.81（MPa）<[τ]=100 MPa

由以上计算可知：单 40b 工字钢横向分配梁满足使用要求。

4.5 钢管桩承载力检算

桩基承载力验算：根据结构分析可知，桩基最不利荷载组合为 500 kN 履带吊位于桩基位置，故桩基上所承受最大荷载：

P=212.11 kN

根据公路桥涵地基与基础设计规范（JTJ024-85）中沉桩的承载力验算要求：

[P]=U×L ×τi×ai/2

式中：U——桩的周长，桩径 0.6 m；

L——桩在局部冲刷线以下的有效长度，埋深 5 m；

τi——桩壁土的极限摩阻力，kPa，根据大桥工程地质勘察说明该桥位处土极限摩阻力为粘土 100 kPa，淤泥不考虑承载；

ai——震动沉桩对各土层桩周摩擦力的影响系数，取值 0.6。

则：[P]=U×L ×τi×ai/2=π× 0.6 ×（5×100）×0.6/2=282.6（kN）

故：[P]=282.6 kN>1.3P=1.3× 212.11 kN=275.74 kN，承载力满足使用要求。

5 栈桥、平台材料数量

考虑南、北栈桥倒运，先施工南栈桥及 9#、10#、11#诸墩的基础和下部结构（因预制场设在南岸），之后将栈桥拆除倒运至北岸，故栈桥材料数量按单边计算。

固定平台的材料数量也考虑南北岸倒运，按 3个平台投入、详见表1、表2所列。

6 栈桥、平台施工

6.1 采用 50 t 履带吊车进行钓鱼法施工

钢栈桥跨度为 12 m，架设采用 650 kN 履带吊、DZ90 振动锤逐跨打桩搭设钢栈桥。每排钢管桩下沉到位后，应进行桩之间的连接，增加桩的稳定性，每跨双排钢管桩连接材料采用［20 a 细梁连接。钢管尺寸需根据现场尺寸下料，焊缝质量满足设计及规范要求。施工时注意履带吊悬出长度不准超过 2.5 m，现场要根据吊机的实际性能进行施工。

栈桥搭设示意图如图8所示。

步骤：利用履带起重机提升振桩锤沉放→钢管管桩沉放就位，准备安装贝雷梁→利用履带起重机安装贝雷梁，铺设桥面结构。按上述方法施工下一跨栈桥。

在测量给出的桩位处将钢管桩震动下沉至设计标高。根据设计标高与水面标高的关系，计算钢管桩外露水面的长度，沉桩过程中应严密注视钢管桩的下沉速度，若在沉桩过程中出现急速下沉，或无法下沉到设计标高时，应综合考虑各种因素并报告项目部分析情况予以处理。

钢栈桥施工流程工艺如图9所示。

固定平台的施工采用类似于栈桥的方法进行施工：履带吊钓鱼法施工，此处不再重述。

6.2 测量控制

施工时测量定位控制：施工采用架设 2 台全站仪进行交汇测量，首先，在岸上设置测量平台，在其上控制钢管桩的平面位置、垂直度及标高，两台仪器的交会角控制在允许范围内，在震动下沉工程中始终保持钢管桩的垂直度。当发现倾斜时，立即进行微调，利用吊车摆臂来纠正其垂直度的偏差和调整桩位，直至矫正后继续震动下沉。当钢管桩下沉至所画的红油漆标识附近时，适当减慢震动下沉量，由测量人员对桩顶标高进行复合，当桩顶标高达到设计标高时，震动锤与钢管桩之间脱开。如实际标高高于设计标高时，震动锤向下做少许震动，直至达到设计标高，从而保证钢管桩的垂直度和桩位及标高符合要求。

表1 栈桥材料数量计算表

表2 3个平台材料计算表

图8 钢栈桥搭设示意图

图9 钢栈桥施工流程工艺图

7 结语

本文通过援尼日尔二桥的钢栈桥施工过程，详细介绍了临时钢栈桥搭设方案，并以此对钢栈桥结构进行设计受力验算。在栈桥施工和应用中，可以得出一些结论：

（1）临时钢栈桥在深水施工中钢管桩作为基础，具有施工便利，造价低等优点。

（2）临时钢栈桥用大块焊接钢板作为面板，可以大幅度降低栈桥的维修费用。

（3）临时栈桥是工字钢与贝雷梁的受力组合，结构方便拆除，临时性和可重复性的利用是钢栈桥的显著优点，尤其是要求工期紧的条件下，可缩短施工工期。

（4）栈桥承载力的主要荷载因素是自重恒载和移动荷载工况的组合，对整个栈桥的稳定性验算而言，贝雷纵梁和钢管桩承载力的验算是关键。

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