鋼管樁+貝雷桁架便橋設計研究

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進行跨江河水中墩施工時，常需修建施工便橋，以便及時、順利的將材料、機具運達河中橋墩位置。因橋梁施工需運輸重型的起重機、挖掘機、樁機及混凝土運輸車等，故對便橋運輸承載能力要求極高，需確保在通行重載汽車時保持安全穩固。故對施工便橋的方案設計提出了較高要求，即在確保重載通行能力的同時，還要做到經濟可行，降低工程造價，減少施工期間的維護費用。所以，要對施工便橋進行設計方案的研究和評估、調整及優化，確保做到技術可行、施工簡便、經濟合理。

1工程簡介

巴中至萬源高速公路第Ⅶ標段K187+940袁家灣大橋右幅采用（2-30m+21-40m）預應力砼簡支T梁，左幅采用（1-30m+22-40m）預應力砼簡支T梁，下構采用樁柱式橋墩及空心墩挖（鉆）孔樁基礎，大橋跨越回龍安河，回龍安河為非通航河道。回龍安河河床處成呈階狀臺地，表層上覆第四系全新統崩坡積層（含角礫）粘土及砂、泥巖塊石覆蓋，厚度分布不均勻，河床兩側地帶多見基巖出露，主河床底部多上覆坡洪積漂卵石土層。為了進行河中墩的施工，需修建施工便橋通達水中墩。

2便橋施工方案的研究及選定

2.1鋼便橋總體設計方案。為了確保水中墩施工時機具及材料能夠直接運達橋位處，本橋施工時沿橋梁左側在回龍安河上修建一座施工便橋，根據施工需要，便橋需通行的最大汽車荷載為9m3混凝土運輸車，橋面凈寬不得小于5m。便橋采用在技術及經濟上均具有優勢的鋼管樁+貝雷桁架組合的便橋形式。在進行便橋的設計時，對方案進行了多次反復承載檢算、評估及優化，最終確定的便橋施工方案如下。①便橋長153m，橋面寬6m，便橋按通行最重汽車荷載為某廠商生產的9m3混凝土運輸車，其總荷載為80kN，根據本項目最大汽車荷載、所需橋面寬度要求及承載檢算結果，便橋縱梁采用三組單層非加強型貝雷桁架（共6片貝雷桁架）。②鋼便標準橋跨跨徑設計為9m；下部結構橋墩設計為單排柱式鋼管樁，標準跨為12m，按6跨作一聯，每聯設制動墩，制動墩采用雙排鋼管樁，排間距為2m，其余為單排非制動墩。③綜合考慮河道排洪通暢，便橋使用時間及其他各種影響因素，將鋼便橋頂面標高定為231.9m。④在鋼便橋右側布置3個施工平臺以進行袁家灣大橋3處水中墩的施工，平臺長分別為27m、36m、36m，平臺寬度為6m，跨徑為9m。便橋結構設計方案如圖1、圖2所示。2.2便橋下部結構設計。便橋下構鋼管樁按摩擦樁設計。單墩設置單排3根鋼管（樁徑準630mm，壁厚8mm），鋼管樁采用A3鋼板制作，底部及接樁處環焊10mm×100mm鋼條，以加強連接處的強度。樁身中心距2.5m，排間鋼管樁設置[20槽鋼花架焊連，以加強承載整體性。管樁頂焊接800mm×800mm×15mm鋼端帽，端帽上焊接2I36b工字鋼作擺放貝雷梁的墊梁。河床平均標高為225.7m，河床以上部分鋼管樁長度為6m。鋼管樁長度為嵌入玄武巖的植入4m深，單根按10m計；未嵌入玄武巖的入土12m深，單根按18m計。2.3承載縱梁結構設計。單孔跨徑為9m，橋寬6.0m。根據行車荷載及橋面寬度要求，采用單層三組6片貝雷桁架，貝雷桁架分成3組擺放，組間凈距2.2m；同組間桁架中心距30cm，同組間桁架設置型鋼框架聯結。桁架與墊梁、橫梁工字鋼間采用“U”形螺栓聯接。2.4橋面結構設計。貝雷桁架上按間距60cm擺放I36b工字鋼橫梁，橫梁上再鋪設間距為20cm的[20槽鋼分配梁，分配梁上的橋面板為厚度10mm的鋼花紋板。2.5防護結構設計。因便橋為上承式結構，為確保通行安全，在橋面兩側設型鋼護欄，外側再掛設安全網，防止人員翻越。護欄立柱采用長1.3m的[14槽鋼制作，沿橋縱向按1.5m間距布設。沿便橋縱向通長設置護欄水平桿，水平桿采用準48×3.5mm鋼管，豎向均勻布置3道。

3鋼便橋施工關鍵技術

3.1薄覆蓋層及基巖裸露處。鋼管樁施工本項目部分河床為薄覆蓋層，甚至為基巖裸露，持力層為完整灰巖，鋼管樁無法直接插打。針對此類地質情況，國內通常采用栽樁法，即先采用沖擊鉆成孔，隨后導管法澆筑樁體水下混凝土，在樁體混凝土尚未初凝前插打入鋼管樁，并將鋼管樁按設計中心線臨時固定，直至混凝土凝固后方進行一下工序的施工。此施工工法具有施工周期長，費用高，施工時泥漿易對環境造成污染，鋼管樁易偏位，鋼管樁使用后難拔出等諸多缺點。為了確保工期及降低工程造價，本項目通過技術創新，采用“大小套管”法（施工示意如圖3所示），工藝說明如下：①先在樁位處采用潛孔鉆機鉆設準300mm孔眼，深入完整基巖內5m，然后打入壁厚6mm的準300mm的小鋼管樁。特別注意的是：小管樁直徑不能出現正誤差，允許5mm內的負誤差，以確保小鋼管能夠順利打入孔眼內，且避免樁徑過小時，打入的鋼管樁有松動，而導致便橋橋墩在外力作用下傾斜。②然后采用振動錘打入大管（即臨時便橋的準630mm鋼管樁），大管套住原打入的小管，施工時需確保大、小管中心線重合。要確保大管下沉至設計標高以達到設計承載力。③大管插打至設計位置后，用氣割槍割除超過設計標高的多余部分，然后在小管樁內和大小管樁間的采用導管法澆筑C30水下混凝土，增強小鋼管樁的抗彎折性能和使大小鋼管樁之間聯結成可靠的工作整體。④清理干凈鋼管樁頂部，焊接鋼管樁頂端的800mm×800mm×15mm鋼頂帽，以擺放雙拼I36b工字鋼墊梁。3.2普通地質地段插打鋼管樁。①采用全站儀引導進行樁位定位，使用90kW振動錘的夾具夾緊、吊起鋼管樁，放入導向架內，開啟振動錘將鋼管樁錘入地層。鋼管樁施工需保證樁軸線準確，單樁樁位控制在5cm以內，特別要保證同排樁要在一條直線上。故在沉樁時測量人員做好放樣復核并隨時控制樁位，本項目使用特制懸臂導向框架以使樁體保持豎直。框架導樁孔徑樁徑大2～3cm。②沉樁深度除了以設計所給的數值作為參考外，還要以動力公式反算的最終貫入度來確認沉樁深度，控制標準為5cm/min。③接樁時，先在底節樁端均勻上焊接6個220×80×12mm的連接限位片，以加快接樁接樁速度及增強對中質量。接樁質量要求：相鄰管節的管徑偏差≤2mm，相鄰管節對口板邊高差＜1.0mm。接樁處還環焊10mm×100mm鋼條，以加強連接處的強度。因接樁為豎向焊接，工藝及質量控制難度大，故接樁時嚴控焊接質量，焊接后檢查焊接質量，不合格時重新焊接。3.3樁頂處理。每完成一根鋼管沉樁后，按設計要求確定樁頂標高，對高出部分氧焊割除，將鋼管樁找平，低于標高的樁按實際長度進行接長至樁頂標高。清理干凈鋼管樁頂部，焊接鋼管樁頂帽。3.4焊接斜撐及平撐。按鋼便橋及鋼平臺設計圖所示在鋼管樁身間焊接[20槽鋼花架的斜撐及平撐，使得同排樁身間形成剪刀撐形式，互相增加穩定性。3.5安裝工字鋼橫梁。樁頂處理完后，用吊車吊放工字鋼墊梁，墊梁根據設計放置在鋼管樁中心位置并調整水平，檢查合格后焊接。3.6安裝貝雷桁架縱梁。首先將貝雷桁架用裝載機轉運至河岸上，然后采用汽車吊進行預拼裝。當第一跨鋼管樁打設完畢安裝花架及墊梁后，采用吊車架設貝雷桁架縱梁。采用[10槽鋼制成U型鐵件將貝雷桁架縱梁固定在墊梁上，鐵件與墊梁焊接固定。3.7鋪設橋面板及設置欄桿。縱梁安裝完成后，按照設計間距布設橫梁、分配梁及橋面鋼板，橫梁與貝雷桁架縱梁間設置“U”形螺栓聯接，橫梁與分配梁間焊接固定，面板與分配梁間用U型鐵件聯結以防滑動，并在面板底焊接限位角鋼。最后按設計圖紙安裝欄桿。

4鋼便橋結構受力檢算

4.1汽車荷載取值。本項目通行便橋的最大車輛荷載為某廠商生產的9m3混凝土運輸車，汽車荷載分布于每組輪對的數值如圖4所示。4.2分配梁承載。計算支墊橋面板的分配梁為[22a槽鋼，間距設為20cm，材料特性如表1所示。將槽鋼分配梁的簡化成簡支梁，梁跨為0.6m，當9m3混凝土運輸車后軸單軸單側兩個車輪作用于槽鋼中間時，為槽鋼最不利荷載工況。此時，后軸單軸單側兩個車輪的荷載為220.8/2=110.4kN。輪寬為50cm，按由4根分配梁槽鋼共同承載，則單根槽鋼承受的汽車集中荷載為110.4/4=27.6kN。同時，槽鋼還承受自重及橋面自重的均布線性荷載（計算得0.41kN/m）。則有：Mmax=ql2/8+Pl/4=0.41×0.62/8+27.6×0.6/4=4.16kN•m故σmax=Mmax/W=（4.16×103）/（191×10-6）=21.7MPa＜[σ]=181MPaQmax=P/2+ql/2=27.6/2+0.41×0.6/2=13.9kN故τmax=Qmax/A=（13.9×103）/（32.837×10-4）=4.2MPa＜[τ]=85MPafmax=5qL3/384EI+PL3/48EI=（5×0.41×103×0.63）/（384×2.1×105×106×1910×10-8）+（27.6×103×0.63）/（48×2.1×105×106×1910×10-8）=0.31mm＜600/400=1.5mm4.3橫梁計算便橋橫梁采用I32b工字鋼，設置間距為0.6m，材料特性如表2所示。將橫梁的簡化成簡支梁，凈跨2.2m，當混凝土運輸車后兩軸單側四個車輪行駛在橫梁跨中時，為橫梁最不利荷載工況。此時，車輪荷載為220.8kN。按由3根橫梁工字鋼共同承載，則單根工字鋼承受的汽車集中荷載為220.8/3=73.6kN。同時，工字鋼橫梁承受的自重及橋面自重按均布線性荷載計算得1.8kN/m）。則有：Mmax=ql2/8+Pl/4=1.8×2.22/8+73.6×2.2/4=41.6kN•m故σmax=Mmax/W=（41.6×103）/（726×10-6）=57.3MPa＜[σ]=180MPaQmax=P/2+ql/2=73.6/2+1.8×2.2/2=38.8kN故τmax=Qmax/A=（38.8×103）/（73.556×10-4）=52.7MPa＜[τ]=85MPafmax=5×qL3/384EI+PL3/48EI=（5×1.8×103×2.23）/（384×2.1×105×106×11600×10-8）+（73.6×103×2.23）/（48×2.1×105×106×11600×10-8）=1.7mm＜2200/400=5.5mm4.4貝雷桁架縱梁受力檢算便橋貝雷桁架縱梁采用三排單層的形式，查《裝配式公路鋼橋多用途使用手冊》得桁架容許內力：[M]=2246.4kN•m，[Q]=698.9kN。將12m橋跨的便橋縱梁按簡支梁進行檢算，且將全部汽車荷載（220.8+220.8+110.4=552kN）簡化成作用于簡支梁上的集中荷載，此計算方式偏于保守，利于確保結構安全。貝雷梁自重及作用其上的恒載按均布線性荷載，計算得q=11.5kN/m。當荷載作用于簡支梁跨中時，產生最大彎矩：Mmax=ql2/8+Pl/4=11.5×122/8+552×12/4=2168.1kN•m＜[M]=4809.4kN•m當汽車荷載作用于便橋橋墩附近時，產生最大剪力：Qmax=P+ql/2=552+11.5×12/2=621kN＜[Q]=698.9kN4.5鋼管樁承載檢算便橋鋼管樁外徑為630mm，管壁厚度8mm，汽車荷載作用于便橋橋墩上時，鋼管樁承受最大荷載，在考慮1.2的偏載系數下，單根鋼管樁承受的上部荷載為1.2×（552+11.5×12）/2=345kN，鋼管樁自重（最高自由長度為9.3m）及頂端封板、雙拼I32b工字鋼梁的重量荷載總計為17.5kN。4.5.1樁的強度驗算。能夠承受荷載所需的最小鋼管樁截面大小：Amin=N/[σ]=（345.0+17.5）×103/181=2.00×103mm2。厚8mm的準630鋼管樁承載斷面大小為A=π（6302-6142）/4=15.6×103mm2＞Amin，鋼管樁斷面面積足夠承載。4.5.2鋼管壓桿穩定計算A=15.6×103mm2Iz=π（6304-6144）/64=240.7×106mm4iz=（Iz/A）1/2=124.2mm鋼管樁最大自由長度L=9.3m，μ取1，則鋼管樁長細比：λ=1×9300/124.2=74.9穩定折減系數查表得：φ=0.721N/φA=（345.0+17.5）/（0.721×15.6×103）=32.2MPa＜[σ]=180MPa由計算可得，便橋各結構受力檢算滿足要求。

5結束語

本項目便橋修建工期較計劃工期提前了16d，工程造價降低298.6萬元。可見本項目通過結構承載檢算，對便橋結構進行了調整及優化，在技術可行的基礎上達到經濟可行。在基巖薄覆蓋或基巖裸露處采用新型工法———“大小套管”法打設鋼管樁，達到了縮短工期及降低造價的目的，為便橋方案設計及施工方面提供了良好的借鑒作用。

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作者:汪林 單位:中鐵二十五局集團有限公司