水中钢栈桥及作业平台结构设计探讨

李贝贝

中铁十五局集团第四工程有限公司

水中钢栈桥及作业平台结构设计探讨

李贝贝

中铁十五局集团第四工程有限公司

随着社会的日益发展，跨越江河湖海的交通拉近了人们的距离，桥梁就是连接你我的主要方式。在水中修建桥梁，钢栈桥及水中作业平台作为必要的措施不可缺少，然而地形、地貌、地质、水文条件和桥梁结构型式的不同，钢栈桥和作业平台的结构设计方案也不尽相同。本文就我公司修建的安徽省无为县西河特大桥水中钢栈桥及作业平台的结构设计进行探讨，希望能为类似桥梁水中钢栈桥及作业平台提供参考。

钢栈桥；作业平台；结构设计

1 工程背景

西河特大桥是无为县S319省道改造项目的重要控制性工程，位于县城南凌庄自然村和马口自然村之间，桥梁跨越西河，其中主桥为双幅(33+55+55+33)m对称四跨预应力混凝土变截面现浇箱梁，12#、13#、14#主墩为西河特大桥跨西河主墩，均位于西河内，其中12#主墩距离东岸驳岸线约6.0m，13#主墩位于河中心部位，14#主墩距离西岸驳岸线约29m。主墩基础采用大孔径低桩承台，桩基直径2.0m。西河现状为Ⅵ级航道，但有500吨级船舶通行，桥梁施工不能中断航道。

2 结构设计方案

2.1 地质参数

地质编号 土质 层底标高范围 层厚 F(KPa) Φ(°) γ(KN/m³)② 粉质粘土 4.68m～2.48m 2.2m 35 15 18.5③ 软土 2.48m～-12.92m 15.4m 20 15.5 18④ 粉土 -12.92m～-15.72m 2.8m 25 19.5 18

2.2 水文情况

左岸大堤顶标高约为11.5m，右岸大堤顶标高约为11.6。十年一遇频率洪水位为9.25m，二十年一遇频率洪水位10.076m，流量为450m3/s，常水位为5.53m。

2.3 设计要求

·保证桥址处西河航运正常，桥梁施工不得中断航道；

·钢栈桥及作业平台桥面高于二十年一遇洪水位，且不得阻碍泄洪；

·钢栈桥及作业平台能承受QY50型履带吊和福田8m3混凝土运输车作业；

·钢栈桥及作业平台要满足13#、14#钢板桩围堰和0#块件支撑体系作业；

2.4 设计方案

钢栈桥按照9m×5+6m×9跨径布置，总长99m，桥面宽度6.0m。初始作业平台设置于13#、14#主墩旁，按照6m×5跨径布置，单个初始作业平台长30m，桥面宽度9.0m。(见图1)

钢栈桥自上而下分别为：钢护栏、桥面板、横梁、贝雷梁、横向分配梁、钢管桩基础、剪刀撑。桥面板采用δ10mm钢板，满铺布置。横梁采用双拼[20b槽钢，按照中心间距0.3m沿桥向通长布置。贝雷梁采用国产321型，按照三排单层设置。桩基础采用φ630×10mm螺旋钢管，每墩设3根，单排布置，间距2.5m布置，钢管桩上口设置槽口，槽口宽度0.4m，高度0.25m， 400×400mmH型钢单根分配梁放置其上，并用牛腿和斜撑将分配梁固定。螺旋钢管之间剪刀撑采用[20b槽钢。钢栈桥桥尾设制动墩，双排桩布置，每排设置3根螺旋钢管。两排桩之间采用单根400×400mmH型钢纵向分配梁，其上设单根400×400mmH型钢横向分配梁。

图1

3 结构验算

3.1 荷载分析

本钢栈桥和初始作业平台最大的施工荷载为徐工QUY50型履带吊在其上作业时的荷载，主要负责栈桥、围堰、承台、墩柱和上部0～1(1`)#块施工时的材料起吊和螺旋钢管桩、钢板桩的插拔施工。QUY50型履带吊自重52t，起吊的重量在10t以下(施工中最大构件为22m〈暂估〉长螺旋钢管桩3.36t，DZJ120型振动锤自重7t)，所以本方案拟取用的荷载值为65t。徐工履带吊履带着地宽度为70cm，着地长度为450cm，整车宽度3.4m。

另外，本项目所用为福田8m3混凝土罐车，整车整备重量约15t，在运输8m3混凝土时重量约为35t，其满载时荷载的70%由后轴承担，即后轴(后轴8轮)承担24.5t。

3.2 工况分析

桥面板为10mm厚钢板，在本验算过程中暂不考虑桥面板的影响。

由于钢栈桥设计的跨径不一致，初始作业平台宽度与钢栈桥宽度不一致，取以下几种极端情况分别验算横梁、贝雷梁和螺旋钢管桩结构承载能力。

(1)履带吊位于墩顶工作时，螺旋钢管桩受力最大，通过比较履带吊在6m宽桥面和9m宽桥面墩顶作业时的荷载并取最大值进行螺旋钢管桩结构承载能力验算、计算入土深度和长度。

(2)当履带吊位于9m跨和6m跨跨中时，贝雷梁为最不利受力状态，由于两种跨径时贝雷梁布置数量不一致，故分别验算贝雷梁的结构承载能力

(3)当混凝土罐车后轴轮胎落于两排横梁上部时，为横梁承受的最不利荷载，故取9m宽桥面时验算横梁的结构承载能力。

3.3 螺旋钢桩入土深度验算

当履带吊位于桩墩顶正上方时，为钢管桩承受的最不利荷载，此时近似按集中荷载作用于本墩上。超载系数为1.05，动载系数取1.2，安全系数取1.1。那么最大活载为90.09t。

当履带在墩顶吊装作业时，在钢栈桥和作业平台上存在两种工况。经荷载分析对比，钢栈桥单墩中间的螺旋钢管桩受力最大，即：F＝48.96t

根据《路桥施工计算手册》：Qd=U∑(qfili+qRA)/rd和地质参数表，并取1.2倍的安全系数，可得单根螺旋钢管桩的入土深度为16.81m，单根长度为22.73m。入土深度计算结果为钢管桩振设施工提供参考，实际入土深度以试桩最终贯入度作为校核。本工程经过试桩，最终实际螺旋钢管长度为24m，入土深度18.01m。

3.4 贝雷梁受力验算

当履带吊位于跨中时，为贝雷梁承受的最不利荷载，以下分别对履带吊在9m跨和6m跨时的贝雷梁进行结构承载能力验算。

由《装配式公路钢桥使用手册》可知，贝雷梁的容许内力表如右表所示。

3.4.1 9m跨贝雷梁验算

贝雷梁采用国产321型，按照单层三排设置，钢栈桥9m跨时单排贝雷梁设置3片，桥面承受活载时通过双拼[20b槽钢横梁分配到贝雷梁主梁上。

当履带吊通过最大跨径移跨中时，贝雷梁在此时承受的弯矩最大：

M活=PL/4=202.7T·M

钢栈桥9m跨其总恒载为：

F9m栈桥恒＝15633kg，即15.63t。

M恒=(1/8)QL2=17.58T·M

Mmax=361.93T·M

Mmax＞M活＋M恒=220.28T·M

当活载通过桩顶时，贝雷主梁在此时承受的剪力最大：Q=52.86T

贝雷主梁抵抗的最大剪力：Qmax=112.59＞Q=52.86T，满足要求。3.4.2 6m跨贝雷梁验算

贝雷梁采用国产321型，按照单层三排设置，钢栈桥6m跨时单排贝雷梁设置2片，桥面承受活载时通过双拼[20b槽钢横梁分配到贝雷梁主梁上。

当履带吊通过最大跨径移跨中时，贝雷梁在此时承受的弯矩最大：

M活=PL/4=135.14T·M

钢栈桥6m跨其总恒载为(取初始作业平台恒载)：

F平台恒＝11737.9kg，即11.74t

将数据从纯文本数据转换成数据库格式数据。通过对文本数据进行识别、读取和存储，实现对纯文本文档的解析和转换。

M恒=(1/8)QL2=8.81T·M

贝雷主梁抵抗弯距(由纵向3排单层贝雷梁承担)：

Mmax=229.22T·M

Mmax＞M活＋M恒=143.95T·M

当活载通过桩顶时，贝雷主梁在此时承受的剪力最大：

Q=52.86T

贝雷主梁抵抗的最大剪力：Qmax=71.32＞Q=52.86T，满足要求。

3.5 双拼[20b槽钢验算

当混凝土罐车后轴轮胎落于两排横梁上部时，为横梁承受的最不利荷载。

初始作业平台桥面宽度9m，双排[20b槽钢在贝雷梁之间的跨度最大，即L＝4m，[20b槽钢的力学参数。

福田8m3混凝土罐车，整车整备重量约15t，在运输8m3混凝土时重量约为35t，其满载时荷载的70%由后轴承担，即后轴(后轴8轮)承担24.5t，那么单组轮单侧传递的罐车集中荷载为6.125t。

(1)按强度要求考虑，横梁的最大弯矩为：

Mmax＝FL/4＝60.03KN·m

[20b槽钢的许用弯曲应力为[σ]＝158Mpa

根据弯曲正应力强度条件，那么：

Wmax＝Mmax/[σ]=0.37994×10-3m3

即：Wmax＝379.94cm3

2排双拼工字钢(4根[20槽钢组成]的抗弯截面系数为：Wz＝764cm3

故Wz＞Wmax，满足要求。

(2)按刚度要求考虑，则要满足：

FL3/48EIz≤L/500，即Iz≥500F L2/48E＝5002.1cm4

Iz＝7656 cm4，满足要求。

4 结束语

(1)本文所述的钢栈桥及作业平台，满足了通航、钢板桩围堰及桥梁结构施工作业的需求，同时也经受住了百年一遇洪水的考验，有效的保证了施工生产的正常进行；

(2)钢栈桥和作业平台桥面板由[20槽钢和δ10mm钢板组成，考虑到材料的充分利用和周转需要，按照1.5m宽的标准焊接成块，一方面便于快速组装，另一方面单块桥面板稍加改装即可作为路基箱使用；

(3)钢栈桥和作业平台的结构设计根据地形、地貌、地质、水文条件和桥梁结构的不同亦有所区别，本文所探讨的结构型式可为类似条件提供参考。

[1] 刘松亮. 沪昆客专沅江大桥钢栈桥设计和施工技术[J]. 价值工程，2015，18：103-107.

[2] 张伟. 水中临时钢栈桥固定平台施工分析[J]. 黑龙江交通科技，2012，07：77+79.