方尖港中桥水上施工平台搭设方案浅析
2021-05-22刘启华
周 屹 刘启华
(昆山市水利建筑安装工程有限公司，江苏 昆山 215300)
1 概 况
方尖港中桥工程位于江苏省苏州市吴江区境内，新建桥梁跨越方尖港，连接堤顶道路，现状河口宽63m,桥位处无堤顶道路，设置桥梁沟通两岸，桥梁直做正交，跨径组合2×13m+20m+2×13m=72m。方尖港中桥桥梁的全宽为6m，分为两侧的防撞护栏和中间的机动车道，横断面的布置为：50cm宽的左侧防撞护栏+5m宽的中间机动车道+50cm宽的右侧防撞护栏。由于方尖港中桥桥梁主体建设于京杭大运河东侧支河方尖港河道上，而该支河不具备断河的外部条件，施工时需要在方尖港河道上搭设钻孔桩水上平台，从而进行方尖港中桥下部结构(钻孔灌注桩、桥墩、盖梁等)的施工。
2 方案编制依据
《方尖港中桥水上施工平台搭设方案》编制的依据为《水利水电工程施工组织设计规范》(SL 303—2017)、《水利水电工程施工测量规范》(SL 52—2015)、《水利水电工程施工安全防护设施技术规程》(SL 714—2015)、《水利水电工程施工安全管理导则》(SL 721—2015)、《水利工程建设标准强制性条文》(2020年版)、《施工现场临时用电安全技术规范》(JGJ 46—2005)、《钢结构设计规范》(GB 50017—2017)以及本工程的有关招标文件、设计图纸等。
3 具体施工流程及施工方案
3.1 施工工艺整体思路
根据方尖港中桥的设计图纸文件的要求，结合类似工程的施工经验，按照水上平台施工排架的方案，进行方尖港中桥钻孔操作平台的搭设。本施工工艺整体思路是将方尖港中桥的水上钻孔操作平台，搭设成为南北两块不相连接的独立施工操作平台，方尖港河道中间平台位置预留、断开，以确保方尖港过往的船只能够通行通畅，水上钻孔操作平台的桩基础采用的是φ400的定型钢管，钢管的间距严格按照整体平台排架的搭设平面尺寸、位置等合理的布置，每根钢管间距横向为3m，纵向为2.5～3.3m。
3.2 打桩施工工艺
水上钻孔操作平台的桩基础(钢管)打桩采用两台水上长臂挖掘机配相关测量、定位仪器锤打沉桩的施工工艺,钢管的入土深度则根据方尖港河道的土质土层不同，控制在5.5～6m之间，其中南侧平台钢管的入土深度5.5m，北侧平台钢管的入土深度6m,钻孔操作平台的横梁及纵梁均采用国标I14优质工字钢，每根钢管的立杆之间再用∠80的角钢焊接，达到交叉支撑的效果，确保水上钻孔操作平台的稳定。
每根φ400定型钢管顶部位置布置钢板支撑，焊接牢固，钢板的尺寸为200mm×200mm，厚度6mm,再将I14工字钢(作为平台的横梁)搁置、焊接于钢板的上面。操作平台每根定型钢管(φ400)与横纵梁(I14)的工字钢之间的连接采用厚度6mm、200mm×200mm的钢板焊接，焊接采用φ10的钢筋包焊或两边绑焊(见图1～图2、表1)。
图1 水上平台施工简图
图2 方尖港桥梁施工水上平台平面
表1 搭设水上台所需要的主要材料
4 施工平台验算书
4.1 单根桩的承载力计算
据地质资料，方尖港水上平台搭设施工区域的土层为③-1层土，土质为淤泥质粉质黏土，该土层土壤的静力触探测得的侧阻力fs=20kPa，取该土层土壤的抗剪强度指标τ=20kPa。用下式计算土层土的承载力：
F=CLτ
公式中τ为该土层土壤的抗剪强度指标(τ=20kPa)、L为φ400钢管的入土深度、C为φ400钢管的周长，经计算方尖港该处土层F1=π×0.4×5×20=125.6kN。
钻孔机械GPS-15的尺寸为4m×2.30m×10.3m，自重为8000kg；施工过程中每个料斗可装的混凝土体积为1.5m3(则重量约为3500kg)，10节导管的自身重量为3000kg，其他设备(电焊机、水泵、测量仪器等)的自身重量为1500kg。φ400钢管(8m长、钢管壁厚4mm)的自身重量为127kg，而在最不利工况下，钻孔机械GPS-15在水上施工平台时移动机械过程中需要跨越其中的4根φ400钢管，总钢管重量为4×127=0.508t。
整个荷载为8+3.5+3+1.5+0.508=16.508t，则钢管的总承载力为4根φ400钢管桩的承载力的和：
F=∑Fi=4×125.6=502.4kN
而所有的自重P0=16.508×10=165.08kN。考虑到动力系数为K0=1.1，安全系数为K=1.5，则G=K0K1P0=1.1×1.5×165.08=272.38kN，F>G，证明结构的运行是安全、可靠的。
4.2 钢管自身强度计算
根据《钢结构设计规范》(GB 50017—2017)要求，Q235钢材(钢材的厚度不大于16mm)的最大抗压强度设计值fm取值为215MPa，考虑到方尖港中桥水上平台的施工工期较短，故调整系数K0取值为1.2。
单根钢管自身强度为：
3.14×(2062-2002)/106
4根钢管所提供的承载力为：
F=4×F1=5481.8kN
F>G=K0×K1×P0=1.1×1.5×165.08=272.38kN，钢材本身的强度可满足工程要求。
φ400钢管的吊装和沉桩采用定位桩船、水上长臂挖掘机配套相应的量测设备进行。具体的施工步骤如下：φ400钢管准备充足、设备就位并固定→用水上长臂挖掘机将单根φ400钢管慢慢吊起，并在现场指挥人员的整体指挥下，将该钢管慢慢移动至平台指定的位置并定位→用水上长臂挖机的抓手将该钢管缓慢压入方尖港表层软土中，在压入过程中，挖机臂须控制到位，确保钢管的垂直的小于1%→重复上述的沉桩操作，直至将平台所需的所有的φ400钢管都沉桩到位，打好的竖向钢管应确保桩位准确、整齐排列，桩的间距须大致相等。
4.3 I14工字钢钢的强度与刚度验算
允许挠度：跨中[f]=L/250、悬臂[f]=L/400;
钢材允许抗弯和抗拉强度：[σ]=1.7×105kN/m2;
钢材弹性模量E=2.1×108kN/m2;
I14工字钢截面系数Wx=102cm3;
I14工字钢惯性矩Ix=712cm4。
取最不利工况，即G=272.38kN全部作用于一跨工字钢正中间，纵向跨距取最大值3.3m，则最大弯矩为
Mmax=Gx0/4=272.38×3.3/4=224.7kN·m
所需抗弯截面系数[W]=Mmax/[σ]=224.7/(1.7×105)=13.2cm3 当灌注桩浇筑成型后,及时用图3所示的井字形钢管支架与已成型的灌注桩进行硬连接,以保证整个水上平台的稳定性。 图3 水上平台加固 陆地与施工平台之间采用防坠网连接，挂设救生圈，平台作业人员须穿戴救生衣施工。 在该水上平台的搭设过程中及搭设完成后方尖港中桥的施工期内，分别在水上平台横梁、纵梁上设置多个观测点，并经常注意观察水上平台横梁、纵梁有无下沉和位移变形，特别观测了灌注桩钻机开钻、钢筋笼吊装及混凝土浇筑过程中，整个平台的沉降、移位变形及整体的运行状态等，均未出现异常情况。 由于水上平台涉及搭设结构物支架受力情况复杂、运行工况多样及变形监测等综合技术难题，本文中的水上平台采用了合理的结构设计，节约了水上平台的搭设的成本，较好控制了方尖港中桥的施工工期及其质量。4.4 加固措施与安全防护
5 水上平台变形及监测
6 结 语
