北江特大桥钢栈桥和施工平台的设计、施工与使用

张福群

（广东交通实业投资有限公司，广东 广州 510100）

0 引言

加快珠三角地区重大交通基础设施建设步伐，是广东省贯彻落实习近平总书记重要批示精神的重大举措，对于建设粤港澳大湾区，打造珠三角世界级城市群具有十分重要的意义。粤港澳地区正在兴建的要素流动通道，有望勾连出一个世界级城市群。清远清新至广州花都高速公路项目（下称清花项目）作为综合交通枢纽的重要组成部分，被纳入广东省“十四五”规划重大交通基础设施的重点建设项目。项目拟建北江特大桥位于清远水利枢纽库区内，下距枢纽大坝约1.5km，同时跨越北江一、二线航道，故在综合交通枢纽下的北江特大桥钢栈桥设计与施工技术成为一个难题。本文对清远清新至广州花都高速公路中北江特大桥钢栈桥和施工平台的设计、施工与使用进行总结。

1 工程概况

北江航道为规划Ⅱ级航道，代表船型为2000t级货船，代表船型尺度（总长×型宽×设计吃水）为90m×14.8m×2.6m。清花项目北江特大桥跨越该航道，设计最高通航水位13.13m，设计最低通航水位7.98m。

北江特大桥跨径总体布置为33+147+3×360+147+33=1440m，为四塔双索面半漂浮体系混凝土梁斜拉桥，主梁采用PK箱混凝土梁，全宽37.6m，基础采用C35混凝土钻孔灌注桩形式，桩径3m，桥型布置图如图1。

图1 北江特大桥桥型布置图

主桥3#墩位于北江西岸，地势起伏较大。河堤标高+17.6m，3#主墩中心河床标高+8.257m，桩号K14+226.162，3#主墩承台底面标高-4.4m，承台顶面标高+2.1m，承台厚6.5m。主墩承台设直径300cm桩基，共设24根，桩间距6.0m，全部为嵌岩桩，桩长50m。主墩基础结构图见图2。

图2 主墩基础结构图（单位：cm）

2 钢栈桥及施工平台设计

2.1 钢栈桥

北江特大桥3#主墩（索塔）为水中墩，3#墩水中施工平台通过钢栈桥与北江西岸河堤路顺接，栈桥长 23.6m（含钢筋混凝土桥台），宽9m，钢栈桥跨径13.8m。栈桥及施工平台与河堤路面顺接，顶标高为+17.6m。

2.2 施工平台

施工平台由钻孔平台、码头平台、支栈桥组成，钻孔平台主要用于主墩桩基施工，满足钻机钻孔、钢护筒振设、桩基钢筋笼及桩基混凝土施工条件需求；支栈桥及码头主要用于辅助主墩承台、索塔及主梁施工，满足承台围堰、索塔钢筋节段吊装、主梁挂篮拼装、材料运输、临时仓库、施工通道及部分临时材料存放等施工条件需求[1-2]。

栈桥及施工平台三维模型图和立面图分别见图3、图4所示。栈桥断面图见图5所示。

图3 栈桥及施工平台三维模型图

图4 栈桥及施工平台立面图（单位：cm）

图5 栈桥断面图（单位：cm）

2.3 结构型式

（1）栈桥下部结构：桥台位于大堤，采用钢筋混凝土（C30）基础，栈桥1#墩采用打入钢管桩基础，桩径820mm，壁厚12mm，单排3根钢管桩，横向间距为3m；平联采用Ф 426mm×6mm钢管，剪刀撑采用I20a型钢。

（2）栈桥上部结构：从下到上依次是桩顶2I56a型钢承重梁、贝雷梁、I22a横向分配梁、装配式桥面板（I12.6纵向分配梁、1cm厚花纹钢板）。贝雷梁横向共设11排，贝雷布置图见图6；I22a横向分配梁纵向间距0.75m。

图6 贝雷布置图

（3）施工平台下部结构：采用打入钢管桩基础，桩径820mm，壁厚12mm；平联采用Ф426mm×6mm钢管，剪刀撑采用I20a型钢。

（4）施工平台上部结构：从下到上依次是桩顶2I56a型钢承重梁、贝雷梁、I25a纵向分配梁、桥面板（I14分配梁、1cm厚花纹钢板）。

施工平台结构图见图7，栈桥及施工平台平面图见图8。

图8 栈桥及施工平台平面图（单位：cm）

3 钢栈桥及施工平台结构验算

3.1 荷载控制

（1）栈桥设计控制荷载：80t履带吊吊重15t、120t履带吊、12m³混凝土罐车通行、XR550D旋挖钻机运输通行。

（2）平台设计控制荷载：XR550D旋挖钻施工、钢护筒振设[3]。

3.2 工程材料

钢栈桥及施工平台使用的主要材料如表1所示。

表1 工程材料用表

3.3 计算控制参数

（1）钢材强度设计值：Q235钢（厚度＜16mm）抗拉、抗压和抗弯强度f=215MPa，抗剪强度fv=125MPa；Q345钢（厚度＜16mm）抗拉、抗压和抗弯强度f=305MPa，抗剪强度fv=175MPa。

（2）允许挠度：简支结构L/400，悬臂结构L/200。

3.4 荷载计算

（1）结构自重；

（2）80T履带吊荷载：80T履带吊（履带吊自重按78t，吊重15t）按总重93t，单根履带宽80cm，履带与地面接触长度为554cm。

（3）120T 履带吊荷载：120T 履带吊（履带吊自重按110t），单根履带宽101.5cm，履带与地面接触长度为689cm。

（4）钻机荷载

XR550D旋挖钻机：自重185t，包括钻杆27t，不计钻杆重158t，加载时按1.3×185=240.5t计，旋挖钻机履带长按6.8m计算，履带宽1.0m，横向净距4m。

（5）12 方混凝土罐车荷载：满载按50t总重，空载按20t。

满载时：P1=10t，P2=P3=20t，总重50t。

（6）流水压力：施工区域流水设计流速取1.85m/s。根据《公路桥涵设计通用规范》计算公式FW=

对圆柱墩K=0.8，流水压力：Fw=0.8×10×0.82h×1.852/(2×9.81)=1.1443h(kN)；即钢管桩在水中的自由段上端承受2.2886kN/m的水流压力，流速随河水深度增加而递减，呈倒三角形分布。计算时按13.13m高水位加载，加载至钢管桩上的荷载为：1.1443kN/m。

（7）风荷载：基本风速按28.4m/s。

正面风荷载标准值：

式中：

WK—风荷载标准值，kPa；

βgz—高度Z处的阵风系数；

μS1—风荷载体型系数；

μZ—风压高度变化系数；

wO—基本风压，kPa。

（8）人群荷载：按3kPa计。

3.5 荷载组合及工况分析

3.5.1 钢栈桥

通过对比分析，80T履带吊、120T履带吊重量较旋挖钻机轻，计算时按旋挖钻机通行计算[4]。

（1）工况一：旋挖钻机通行。

刚度组合：栈桥自重⑴+钻机重⑷+人群荷载⑻+风荷载⑺+水流力⑹；

强度组合：1.2栈桥自重+1.4（钻机+人群荷载+风荷载）+1.5水流力

（2）工况二：2辆混凝土罐车满载从栈桥右侧经过、左侧为空罐车（按汽20加载）

刚度组合：栈桥自重⑴+混凝土罐车⑸+人群荷载⑻+风荷载⑺+水流力⑹；

强度组合：1.2栈桥自重+1.4（混凝土罐车+人群荷载+风荷载）+1.5水流力。

（3）工况三：前后两辆混凝土罐车在栈桥中间通行。

刚度组合：栈桥自重⑴+混凝土罐车⑸+人群荷载⑻+风荷载⑺+水流力⑹；

强度组合：1.2栈桥自重+1.4（混凝土罐车+人群荷载+风荷载）+1.5水流力。

3.5.2 施工平台

（1）工况一：平台搭设工况，平台搭设及钻孔时80t履带吊在材料堆放平台及支栈桥上进行平台搭设施工。

刚度荷载组合：施工平台自重⑴+履带吊荷载⑵+流水压力⑹+风荷载⑺+人群荷载⑻；

强度荷载组合：1.2施工平台自重+履带吊荷载⑵+1.5流水压力+1.4风荷载+1.4人群荷载

（2）工况二：钢护筒振设工况，120t履带吊振钢护筒

刚度荷载组合：施工平台自重⑴+履带吊荷载⑶+流水压力⑹+风荷载⑺+人群荷载⑻；

强度荷载组合：1.2 施工平台自重+1.4 履带吊荷载+1.5流水压力+1.4风荷载+1.4人群荷载。

（3）工况三：钻孔及混凝土浇筑工况。混凝土罐车及履带吊在材料堆放平台及支栈桥上通行、钻机在钻孔。冲击钻较轻，只计算旋挖钻施工。

刚度荷载组合：施工平台自重⑴+履带吊荷载⑵+钻机荷载⑷+罐车荷载⑸+流水压力⑹+风荷载⑺+人群荷载⑻；

强度荷载组合：1.2 施工平台自重+1.4 履带吊荷载+1.5 钻机 荷 载+1.4 罐 车荷载+1.4 流水压 力+1.4 风 荷载+1.4人群荷载。

3.6 计算模型及验算

3.6.1 计算模型

钢栈桥及施工平台计算采用整体建模计算，主要验算栈桥的强度、刚度及结构稳定性，栈桥和施工平台计算模型示意分别如图9、图10所示。

图9 钢栈桥计算模型

图10 施工平台计算模型

3.6.2 各工况验算结果及稳定性分析

（1）对钢栈桥及施工平台各工况进行验算，结果如表2。

表2 验算结果汇总表

（2）整体稳定性分析。

对钢栈桥整体结构进行屈曲分析，在旋挖钻机通过时，结构稳定性临界荷载系数为8.53，满足要求，如图11。

图11 钢栈桥屈曲分析

施工平台整体稳定性分析的二阶模态结果如图12所示：临界荷载系数为16.3，钻孔平台的整体稳定性满足要求。

图12 施工平台屈曲分析

（3）钢管桩稳定性分析。

根据计算，钢管桩最大轴力为1716.08kN，钢管桩Ф 820 回转半径i＝287mm，按自由长度为l＝16000mm，钢管桩按8mm壁厚计算，截面面积Am=20407mm2，长细比：λ=l0/i=16000/287＝55.75，查受压构件稳定系数表，稳定系数Φ=0.829。

钢管允许压力:[N]=Φ×Am×[σ]=0.829×20407mm2×215MPa=3637.2kN＞1716.08kN，单桩稳定性满足要求。

3.6.3 结论

根据计算，钢栈桥及施工平台结构整体强度、刚度、稳定性均满足规范要求，能够满足现场施工。

4 钢栈桥及施工平台施工

根据钢栈桥及施工平台的结构布置，综合考虑其所处位置的地质情况，下部结构施工采用履带吊+“钓鱼法”振设施工。由于此工程位于繁忙水利枢纽，为减少水上拼装作业时间，依托本项目研发出一套“装配式栈桥拼装模块”，将贝雷及平联成榀加工后，直接吊装，具体施工工艺流程见表3。

表3 钢栈桥及施工平台的施工流程

5 钢栈桥及施工平台的使用

5.1 使用过程养护

由于钢栈桥需使用较长时间，必要的维护是维持其使用寿命的有力保障，需成立钢栈桥管理小组，定期分别对钢栈桥进行全方位的检查和保养，以确保其结构的稳定性和使用安全，使用过程中加强栈桥贝雷片的检查，如发现变形及时加固或更换，具体的维护项目包括以下几点：

（1）做好施工监控，经常测量钢管桩标高，监测相邻钢管桩基之间的相对沉降；

（2）定期观测钢管桩的冲刷情况，对于冲刷过大的位置采用抛填砂袋或插打钢管桩分水墙的方法进行维护；

（3）定期检查贝雷桁架纵梁连接处的销子、定位销的松动脱落情况；

（4）检查螺栓松动情况，对螺栓、螺帽脱落的部位及时安装紧固；

（5）检查警示灯、照明线路的完好情况，发现损坏的及时修复；

（6）对桥面板发生翘曲或损坏的部位，及时修复或更换；

（7）遇到台风、龙卷风、汛情、大潮、大雾等灾害性天气时，在保证设备、人员安全撤退后及时关闭钢栈桥，禁止一切人员、车辆上桥，待解除警报后再使用。

5.2 竣工拆除

（1）北江特大桥桥梁索塔、主跨、边跨施工完成后，拆除钢栈桥及平台。

（2）自栈桥终点至起点依次拆除桥面附属设施、桥面板、型钢分配梁、贝雷、承重型钢、钢管桩平联与斜撑、钢管桩。

6 结束语

本文以清远清新至广州花都高速公路中北江特大桥为例，对钢栈桥和施工平台进行设计，并对钢栈桥及施工平台结构进行验算，根据计算，钢栈桥及施工平台结构整体强度、刚度、稳定性均满足规范要求，能够满足现场施工。由于该工程位于繁忙水利枢纽，为减少水上拼装作业时间，采用“装配式栈桥拼装模块”，将贝雷及平联成榀加工后，直接吊装。从钢管桩振设、平联模块安装、贝雷模块安装、桥面板及防护栏杆模块安装等方面分析施工工艺流程。由于钢栈桥需使用较长时间，应定期分别对钢栈桥进行全方位的检查和保养，以确保其结构的稳定性和使用安全。