长江内河大型管廊桥架设方案设计与研究

2022-03-04高玮珺

起重运输机械 2022年2期

高玮珺

上海浦东国际集装箱码头有限公司上海 200120

0 引言

随着国家大力发展长江流域经济带的建设，长江内河越来越多的港口码头高速发展，许多内河港口纷纷添置更大更先进的新型设备，其中不乏结构外形较奇特的港口起重设备。长江沿江某钢厂计划在厂区主干河道内建设一条运输物料的管廊桥来更有效地提高企业产量，提升生产效率，同时这条管廊桥也能更有效地响应国家环保号召。

1 背景

管廊桥安装地点位于长江下游流域某区域性河道，是下游某地级市沿江地区排灌及南北交通的主干河道，河道宽约为150 m，水深约为-4 m（吴淞高程），年平均最大潮差约为3 m。

在河道上，早期建有一座小型桥梁，该桥梁为东西走向，低潮时净空高度约为8 m，通航宽度为60 m。在管廊桥通桥之前，场内所有物资运输都要通过此桥，为产区内主要通道。

需要架设的管廊桥总长为177.6 m，全宽为9.4 m，净宽为7 m，最高点高为16 m，质量为1 600 t，桥平面据水面高度约为24.5 m（吴淞高程）。桥梁按正交设计，主桁采用华伦式三角形腹杆体系，节间长度为11 m，主桁高度支点10 m，跨中15 m，2片主桁中心距为8.2 m，主要钢结构型材为Q345D。建设完毕后，管廊桥将取代之前的桥梁地位，供钢厂内皮带机运输煤矿等炼钢矿产使用，将大大提高生产效率，并将满足国家环保要求，提升厂区的环保质量。

厂区码头属于重力沉箱码头，河西标高为8.7 m（吴淞高程），河东标高为7.5 m（吴淞高程），根据区域地质资料，场地覆盖层厚度大于50 m。土层剪切波速估算，场地土属软弱土，场地属Ⅳ类场地，场地特征周期值为 0.75 s。

两岸侧将随管廊桥一起建设2组架设用的桥墩，最高点标高约为23.5 m，主要结构为钢混结构。架设后的管廊桥如图1所示。

图1 管廊桥结构示意图

2 方案比选

2.1 架设设计方案一

如图2所示，在河道之间竖立4根直径为3 m的桩梁，桩需打进河床并在桩内浇灌水泥，2根为1组。此方案将整根河道宽度等分划成3块区域。管廊桥在制作时将其分为三等分，3段管廊桥的质量分别约为500 t、600 t、500 t。然后利用1 000 t的浮式起重船将3段管廊桥按照先两侧后中间的顺序逐个吊上支起桩梁，再进行整体对接而使管廊桥成为整体，最后利用定点爆破的技术拆除4根桩梁，完成管廊桥的整体架设工作。

图2 架设设计方案一

该方案优点是：操作比较简单；受天气、水文条件影响因素小；费用较低。缺点是：管廊桥大部分焊接工作都将在高空进行；封闭河道时间较长；拆除4根桩梁比较困难；污染江水；架设周期较长；地质环境要求高。

2.2 架设设计方案二

考虑用提升的方法将管廊桥直接架设上桥墩，此方案需要租赁一条适合于滚装作业的运输船，具体方案的操作步骤如下：

1）将管廊桥整体在码头地面胎架上制作完毕；

2）在管廊桥底面安装8组300 t滚装液压台车，利用4台安装在运输船上的16 t卷扬机将管廊桥整体牵引上船；

3）在管廊桥海、陆两侧分别安装4组高约40 m的提升塔架，2组为一对；

4）安装倍功、滑轮组等提升工装件；

5）利用4台卷扬机缓慢地将管廊桥整体提升至距船甲板面高约18 m处，安装固定挡块；

6）运输船舶缓慢地移动至江中心，利用预先在运输船上安装好的4组钢丝缆绳，精确定位管廊桥和桥墩的位置，且不得有移动；

7）割除提升装置固定挡块，缓缓下降管廊桥，使其落至两岸的桥墩上；

8）移除一侧的提升装置，运输船驶离架设区域。

该方案优点是：大量焊接工作可在地面进行，避免了高空作业；架设周期较短；提升和滚装作业方案较成熟，有成功案例。该方案缺点是：实施难度较大且繁琐，需要众多专业滚装和提升工作人员；受天气、水文条件影响因素较大；需要租赁可与滚装作业相匹配的运输船舶；费用较高。架设方案二示意图见图3。

图3 架设设计方案二（提升部分）

2.3 方案比较与推荐

1）方案优选

以上2种方案都忽略了在河道上的老旧桥梁，该桥低潮净空高度约为8 m，通航宽度为60 m。由于极为苛刻的外在条件，使以上2种架设方案很难实施。

方案一：1 000 t浮式起重船的船舶型深较大，很难在低水位中行驶过桥洞。高水位时浮式起重船的臂架由于无法下趴至甲板面，不能通过桥底面。

方案二：由于河西码头标高7.5 m，选择小潮汛低潮位4.0 m时要求运输船舶达到干舷3.5 m左右，且还需达到装载货物后的稳性要求，故在选择船舶时型深需达到7.5 m。同时，提升装置的塔架高度也较高，占地面积较大，2组塔架占用的船宽需要达到40 m。

综上所述，方案二的运输船舶要有40 m宽度以及7.5m左右的型深，但这种船型的船只又无法通过该桥梁。为了能顺利完成管廊桥的架设工作，本次2种架设方案的比选并非简单的分析和对比，而是再优化和改进的过程，通过以上2种方案进行集成和优化，重新设计出新的架设方案三。

2）推荐采用架设方案三

借鉴于前2种方案的优、劣性以及综合考虑码头、河道、桥梁等外部环境的影响，新的架设方案三采用了方案一的管廊桥分段制作设想以及方案二的利用船舶整体运输、定位的方式来实现管廊桥的架设。

由管廊桥架设地点的水文条件得知，该河道内每月的农历初一和农历十五时潮差最大范围约为2.5 m，新架设方案可利用运输船舶在当天的最高潮位时将管廊桥托浮至两岸的桥墩上方，通过潮水的涨落变化，在落潮时将管廊桥缓缓架设到两岸桥墩上；最后在河道潮水达到最低潮时，运输船舶和管廊桥底面彻底分离，完成整个架设工作。第3种方案为利用潮汐变化的托浮方案，其优点为：相对于方案一时间较短；无需大型浮式起重机；无需在河道中支起架设用的桩梁；相对于方案二无需大型运输船，所选船型只需稳性达到要求即可；无需提升装置。

3 方案实施

确定了第3种托浮架设方案后，还应对整个方案三中运输船舶的选型、托浮塔架的高度选择、管廊桥分段拼装的方式进行设计及计算，这3项要素的对错都将决定整个架设方案成功与否。

3.1 运输船舶的选型

通过对桥底部河道的水深进行现场勘察测量，在低水位时桥底的净空高度约为8 m，当低潮位为1.0 m时，河道中30 m处的水深达到了-4 m。所以，选择的船舶需达到以下要求：1）船的宽度需小于30 m；2）型深需小于4.5 m；3）当船舶干舷为1.5 m时，船舶的最高点至水面控制在6.5 m内；4）装载质量为1 600 t管廊桥和质量约800 t的塔架后，还能达到船舶稳性要求。

根据以上要求，筛选出一条能满足管廊桥架设的船舶，其主要参数见表1，稳性计算报告见表2。

表1 船舶主要参数表

表2 船舶稳性计算结果

3.2 托浮塔架的高度选择

在得到船舶装载货物的吃水数据后，需确定安装在船舶上托浮塔架的高度。根据管廊桥架设当时当地潮汐表（见表3），选取农历五月十四日～农历五月十六日为管廊桥的最佳架设时间。以农历五月十四为例，最高水位为4.31 m，最低水位为1.87 m，潮差约为2.5 m。

表3 节选部分潮汐表

塔架高度的数值需根据高水位时越过桥墩和低水位时塔架脱离管廊桥底面2种工况的数据来确定，选取其中的较小值为塔架的高度，得出表4、表5所示数据。

表4 高水位时越过桥墩的值 m

表5 低水位时脱离桥底的值 m

综上所述，两者之间取小值，塔架高度约为17.4 m，根据此高度可设计出图4所示塔架的基本框架。整个塔架都由现成的工装件采用焊接和螺栓连接的方式组成。塔架下部利用6个高度为4.5 m的矩形胎架和2根高度为0.48 m的纵梁组合，在胎架之间搭接槽钢使胎架连接成一整体，保证下部结构的稳定，每个胎架长1.65 m，宽1.2 m，增大了船舶甲板的接触面积，使甲板不会产生局部变形。塔架上部利用了4个高度为6 m的桁架结构支撑架，支撑架之间用螺栓和圆弧板固定，使整个塔架不会摇晃。同时，从塔架顶部拉4根缆风钢丝绳至甲板面，保证了塔架的垂直度。

图4 塔架示意图

3.3 管廊桥分段总装的方式的确定

1）安装设备的选择

考虑到运输桥的限制以及码头承载能力，选择能从岸上吊装管廊桥分段体至船舶塔架上的大型履带起重机较合适。根据履带起重机的性能表、塔架高度以及塔架在船上摆放的位置，单个管廊桥制作段的质量需控制在300 t以内；因船舶有效甲板长度只有90 m，需将整个管廊桥分成7个制作段来安装，具体每个制作段的质量分配如表6所示。

表6 管廊桥每个制作段的质量分配

2）管廊桥的总装及塔架的受力计算

各分段在地面制作完毕后，根据总装工艺的顺序以及焊接要求进行总装（见图5），依次顺序为4分段→5分段→3分段→6分段→2分段→7分段→1分段。

图5 管廊桥分段总装

由于整个管廊桥质量达到了1 600 t，不计焊缝及油漆的质量，估算每组塔架需承受约400 t压力，由8组Φ600×24的无缝钢管，材质为Q235B，经过有限元建模计算计算得出结论，最大应力为65 MPa，每组塔架结构可承受管廊桥的质量如图6所示。

图6 塔架建模计算

3.4 托浮安装方案的实施

根据以上3项数据的确定，管廊桥的托浮架设工作开始实行。运输船舶托着总装完毕的管廊桥在河道中进行92°旋转，由于尼龙缆绳具有一定伸缩性，遂在船舶首尾各增加2组钢缆卷扬机，通过卷扬机进行精确的定位并固定船体。在高平潮时，管廊桥越过两岸桥墩约0.7 m，经过潮水的一次涨落，管廊桥精确架在桥墩上。当潮水接近低平潮时，塔架和管廊桥底面完全脱开，运输船舶驶离工作区域，托浮架设工作顺利完成。托浮安装方案实施如图7所示。