通航河道提升式钢栈桥设计与应用

左明华

(广西路桥工程集团有限公司，广西 南宁 530200)

0 引言

在跨越水域的桥梁工程建设中，通常会选择搭建钢栈桥作为材料及设备的运输通道。由于大多数水域会有通航要求，可由两岸向水中墩搭设钢栈桥通道，两岸钢栈桥不连通，不影响通航。钢栈桥必须跨越通航水域时可设置通航孔。为满足通航高度要求，钢栈桥一般离水面较高，若水深较大，钢管桩较长，对钢管桩受力不利，结构稳定性下降。对比，可通过设置提升式钢栈桥，降低栈桥标高，降低钢管桩长度，提高结构稳定性，同时可节约建设成本，具有一定的经济性。本文以耒水特大桥为背景，在Ⅳ级通航河道设计提升式钢栈桥，达到了良好的应用效果。

1 工程概况

耒水特大桥主桥为70 m+130 m+70 m连续刚构桥，4#过渡墩及5#、6#主墩位于水中(见图1)。桥位处河面宽约300 m，桥位下游10.3 km有一座水电站，水流缓慢，水位变化小，常水位为+73.00 m，十年一遇洪水位为75.59 m，常水位最大水深16 m，Ⅳ级通航要求，通航船只少，河流南北走向，东岸为陡峭山体，西岸为平地且均为基本农田。桥位处两岸绕行最小距离为25 km，为保证施工物资运输畅通，在桥位沿线路方向修建栈桥跨越，搭设通长栈桥，打通纵向便道。钢栈桥设计应满足以下需求：(1)满足通行要求，满足满载10 m3混凝土罐车和75 t履带吊的通行；(2)保证通航要求，通航水位正常情况下保证Ⅳ级通航要求；(3)尽可能降低栈桥桥头连接道路标高，桥头连接道路标高越低，西岸的基本农田的征用面积越小。

图1 耒水特大桥主桥桥型布置图(m)

2 应用方案及效果

2.1 应用方案

根据工程特点，设置提升式钢栈桥作为通航孔以保证通航，并获得航道部门认可。钢栈桥总体设计见图2。该钢栈桥设计总长312.78 m，中间设一跨长24.38 m的提升栈桥，采用200型贝雷片，提升段无纵坡。对于钢栈桥的提升方式，可采用穿心千斤顶和精轧螺纹钢组合提升、电动葫芦提升或卷扬机提升[1-3]。经过提升高度、提升重量、操作性、安全性等方面综合考虑，本方案采用慢速卷扬机进行提升。栈桥外侧设置提升架，利用卷扬机将提升栈桥桥面提升至标高+87.3 m，保证设计通航水位以上18 m(宽)×8 m(高)的通航孔。两岸侧栈桥各一联，长144 m、跨径为12 m，每隔两个管桩设置一个板凳桩，采用321型贝雷片，设置向岸边2%坡度。栈桥结构(见下页图3)由下往上依次为：φ630 mm×10 mm钢管桩、桩顶2I45a横梁、贝雷梁(321型或200型)、I25a上横梁、I12上纵梁、10 mm厚桥面板。栈桥宽度均为8.0 m。

图2 钢栈桥总体设计立面图(m)

提升段钢栈桥提升架结构设计包括(见下页图4)：

(1)钢管桩支撑，利用型钢搭设平台，形成框架结构。

(2)平台上架设卷扬机提供动力。

(3)利用滑轮进行转向及增加提升力。

(4)钢栈桥下设置提升梁作为提升钢栈桥支撑。

(5)上下游设置三角辅助墩导向及防撞。

2.2 结构计算

文献[4]采用有限元软件Midas Civil对钢栈桥进行结构计算，对钢栈桥的结构建模、边界条件和荷载组合等进行了详细介绍，本文不再赘述。下文对提升系统进行结构计算，主要包括提升架、提升梁、吊点处焊缝的计算。

(a)标准段钢栈桥横断面

(b)提升段钢栈桥横断面图3 钢栈桥横断面图(cm)

(a)提升栈桥提升前立面

(b)提升栈桥提升后立面

(c)1-1截面

(d)1/2A-A和1/2B-B截面图4 提升栈桥结构示意图(m)

2.2.1 提升架

2.2.1.1 设计控制荷载

提升架在提升状态为最不利状态时的荷载组合：自重+动水荷载+提升栈桥荷载+卷扬机荷载。其中，动水荷载按2 m/s流速考虑。提升栈桥提升总重约64.3 t，按66 t计算，分布于4个吊点，每个吊点16.5 t。吊重按三线布置，每根钢丝绳承受5.5 t，由提升栈桥产生的受力示意图见图5，其中F=55 kN，卷扬机荷载为5.2 t。

图5 提升栈桥荷载分布示意图

2.2.1.2 计算模型

对钢栈桥单个提升架建立有限元模型，有限元模型见图6。

图6 钢栈桥提升架有限元模型图

2.2.1.3 计算结果

(1)应力

在最不利荷载工况下，最大正应力为52.9 MPa<[σ]=145 MPa，最大剪应力为31.0 MPa<[τ]=85 MPa，满足要求。

(2)位移

在最不利荷载组合下，最大位移为8.0 mm<位移限值L/400=12 800 mm/400=32 mm，满足要求。

(3)结构稳定性

运用Midas Civil屈曲分析计算程序，在最不利荷载组合作用下进行稳定验算，结构稳定性系数为65.8，>4.0，满足要求。

(4)桩基承载力

最大桩反力为212.2 kN，以此作为桩基计算控制力。河床覆盖层为细砂、中砂、圆砾、卵石层，下层为全风化砾岩、强风化砾岩、中风化砾岩。根据耒水特大桥工程地质纵断面图，桩侧土摩擦力标准值τ=35～160 kPa，承载力特征值160～600 kPa。施工工艺要求采用DZ90振动锤振动到位，激振力540 kN>最大桩反力为212.2 kN，满足要求。

有效嵌固深度值为2(d+1)=2×1.63=3.26 m，d为钢管桩桩径，施工要求桩的入土深度最少为5 m，满足受力要求。

(5)钢管桩稳定性验算

通过有限元分析结果，钢管桩最不利内力组合为：N=212.2 kN，M=86.5 kN·m。钢管桩φ630 mm×10 mm：A=19 468 mm2，Ix=0.756×109 mm4，Wx=2.97×106 mm3，i=220 mm。基于保守考虑，两端按铰接分析，计算长度按L0=36 000 mm，λ=L0/i=163.6。钢管截面属于b类截面，查表得φx=φy=0.265，根据《钢结构设计规范》(GB50017-2017)得：

弯矩作用平面内稳定计算：

其中：f=210 MPa，βmx=1，γx=1.15，E=206 GPa，N’EX=π2EA/(1.1λ2)=1344 kN。

弯矩作用平面外稳定计算：

其中：f=210 MPa，η=0.7，βtx=1，φb=1。

钢管桩稳定性验算满足要求。

2.2.2 提升梁

提升系统横梁采用双拼I56a工钢，提升栈桥提升总重约64.3 t，按66 t计算，一端受力33 t=330 kN。在横梁上共有9个受力点，每个受力点的受力为36.7 kN。建立有限元模型，见图7。

图7 提升系统横梁模型云图(kN)

经分析，其结果为：最大正应力为117.6 MPa<[σ]=145 MPa，最大剪应力为14.7 MPa<[τ]=85 MPa，最大位移22.7 mm<位移限值L/400=10 300/400=25.75 mm，均满足要求。

2.2.3 吊点焊缝

提升梁(双拼I56a)上设置两个吊点，吊点受力16.5 t=165 kN。吊点处设置吊耳，吊耳设计见图8。吊耳受力主要考虑吊耳与提升梁的连接，吊耳与提升梁通过焊接连接，焊脚尺寸hf=8 mm，计算时仅考虑N2与提升梁的焊缝连接作用，焊缝长度lf=(332-20) mm=312 mm。

图8 提升梁吊点设计计算图(cm)

根据《路桥施工计算手册》计算公式可得:

=47.2 MPa<[τ]=85 MPa，满足要求。

分配梁D(双拼I45a)上吊耳受力11 t=110 kN。吊耳与分配梁D通过焊接连接，焊脚尺寸hf=8 mm，计算时仅考虑N2与分配梁D的焊缝连接作用，焊缝长度lf=(300-20) mm=280 mm。

=31.5 MPa<[τ]=85 MPa，满足要求。

2.2.4 验算结果

通过以上验算，提升式钢栈桥提升系统的提升架、提升梁、吊点处焊缝均满足要求。

2.3 应用效果

耒水特大桥采用提升式钢栈桥，钢栈桥及钢平台共有钢管桩327根，每根降低5.3 m，共节约φ630 mm×10 mm钢管桩1 733.1 m、钢材约265 t、费用约163万元；提升架增加钢材(工字钢及钢管桩)用量约132 t及4台10 t卷扬机，费用约93万元，由此耒水特大桥采用提升式钢栈桥节约费用约70万元，具有良好的经济效益，且能有效降低栈桥桥头连接道路标高，减少西岸基本农田的征用。另外，降低钢管桩高度，也增加了钢管桩结构稳定性及安全性。

3 结语

提升式钢栈桥方案巧妙地解决了通航孔高度高和钢管桩过长且稳定性差之间的矛盾，保证了通航河流过往船舶顺利通航和工程建设期间钢栈桥正常使用，相对采用高栈桥方案，在经济、安全、环保等方面均具有优势。提升式钢栈桥在耒水特大桥的成功应用，可为同类工程提供良好的借鉴。