張國(guó)紅

(中鐵十二局集團(tuán)第一工程有限公司 陜西西安 710038)

1 工程概況

溫州市域鐵路自溫州動(dòng)車南站并行引出，為實(shí)現(xiàn)線路向東折向、近似垂直上跨沿海鐵路的目的，在溫州南站至沿海鐵路之間線路平面采用400 m小半徑曲線，呈“S”形布置。同時(shí)，采用溫州特大橋跨越站西河、既有道路及沿海鐵路，其中溫州特大橋4＃、5A＃、5B＃、6＃墩為跨站西河水中墩，對(duì)應(yīng)的 3＃～7＃墩橋梁結(jié)構(gòu)類型為3×22 m連續(xù)剛構(gòu)＋2×35 m簡(jiǎn)支箱梁，采用鋼管立柱＋貝雷梁支架現(xiàn)澆施工。橋梁基礎(chǔ)為樁基＋承臺(tái)，采用搭設(shè)水中棧橋＋鉆孔平臺(tái)＋鋼板樁圍堰方案進(jìn)行施工[1]。

2 棧橋及鉆孔平臺(tái)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

2.1 河道通航要求影響棧橋高程及結(jié)構(gòu)

(1)通航凈高

站西河實(shí)際水位高程為2.83 m，河岸陸地地面高程4.2 m，而河道在棧橋施工期間通航凈空需滿足3 m的要求，即棧橋下緣高程需為5.83 m。當(dāng)采用貝雷梁時(shí)橋面高程需7.33 m，則需從河岸邊修筑坡道與棧橋順接[2]，此時(shí)存在填筑坡道工程量大、占用臨時(shí)用地多等弊端。

(2)通航凈跨

主體橋梁跨度為22 m、35 m兩種類型，而棧橋受貝雷梁模數(shù)等因素影響，選用常規(guī)跨徑12 m時(shí)，棧橋臨時(shí)支墩容易與主體橋墩錯(cuò)位，減小了通航凈跨。

2.2 曲線半徑小影響棧橋平面布置

通常棧橋平面布置與線路平行，且按照直線進(jìn)行布置，但由于該主體橋梁位于半徑400 m的小曲線上，經(jīng)計(jì)算長(zhǎng)120 m的棧橋若按照直線布置，受小半徑曲率的影響在一端會(huì)偏離主體橋梁約8.5 m，則棧橋與主體墩位有空檔需額外搭設(shè)平臺(tái)，浪費(fèi)施工材料。

2.3 鉆孔平臺(tái)平面尺寸影響成本及施工

鉆孔平臺(tái)平面尺寸需滿足鉆機(jī)、挖掘機(jī)等機(jī)械作業(yè)及材料擺放需要[3]，設(shè)計(jì)尺寸過(guò)大方便機(jī)械作業(yè)及材料擺放，但材料成本較大；否則，則相反。

3 棧橋及鉆孔平臺(tái)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)方案

3.1 保證臨時(shí)通航孔滿足通航要求

(1)圍繞橋梁最大跨度35 m布置

為保證通航凈寬滿足要求，選擇跨度35 m為臨時(shí)通航孔，并以該孔中心為準(zhǔn)，棧橋采用12 m跨度分別向兩側(cè)岸邊對(duì)稱、依次進(jìn)行布置。

(2)臨時(shí)通航孔采用型鋼降低棧橋結(jié)構(gòu)高度

棧橋與陸地銜接的兩端按照填高約1.5 m路基順接棧橋進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足便道坡度要求，達(dá)到減少填筑工程量和臨時(shí)占地面積的目的。同時(shí)臨時(shí)通航孔臨時(shí)棧橋采用HM588型鋼搭設(shè)，增加通航凈空，其余棧橋采用單層貝雷梁結(jié)構(gòu)[4]。

3.2 設(shè)置雙排支墩降低小曲線影響

為降低曲線對(duì)棧橋平面布置的影響，棧橋按照分段偏轉(zhuǎn)、相切便道中心線的原則布置[5]。同時(shí)按照計(jì)算偏距不超過(guò)1 m進(jìn)行模擬布置，則約120 m長(zhǎng)棧橋按照三段折線相切便道中心線進(jìn)行布置。

(1)結(jié)合棧橋貝雷梁與型鋼交界處臨時(shí)支墩為雙排鋼管的結(jié)構(gòu)，對(duì)棧橋在兩個(gè)交界墩處設(shè)置轉(zhuǎn)角。

(2)在棧橋長(zhǎng)約1/3處設(shè)計(jì)雙排臨時(shí)支墩以設(shè)置轉(zhuǎn)角。

(3)臨時(shí)支墩兩排鋼管樁成扇形布置，以實(shí)現(xiàn)棧橋在該處偏轉(zhuǎn)。同時(shí)，將兩排鋼管樁進(jìn)行縱橫向連結(jié)，并形成整個(gè)棧橋的固定墩以滿足棧橋縱向穩(wěn)定性要求。

3.3 相鄰鉆孔平臺(tái)采用連體平臺(tái)

為滿足鉆孔作業(yè)需要且達(dá)到經(jīng)濟(jì)目的，經(jīng)模擬比選，以臨時(shí)通航孔為中心，兩端每相鄰的兩個(gè)鉆孔平臺(tái)組成整體連體平臺(tái)。在施工時(shí)適當(dāng)調(diào)整工序，錯(cuò)峰施工，滿足對(duì)平臺(tái)平面尺寸的要求，達(dá)到節(jié)約成本的目的。橋梁棧橋及鉆孔平臺(tái)布置見圖1。

圖1 橋梁棧橋及鉆孔平臺(tái)布置

4 總體設(shè)計(jì)方案

(1)棧橋承載力按照滿足25 t汽車吊、10 m3混凝土罐車及平板車載重10 t行走要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(2)棧橋設(shè)計(jì)長(zhǎng)度約120 m，橋面寬約6 m[6]。臨時(shí)通航孔縱梁為長(zhǎng)12 m、HM588×300H型鋼，共10根，H型鋼間距按照0.6 m布置。其余縱梁采用6片單層上承式貝雷梁[7]，跨徑12 m，每?jī)善惱琢和ㄟ^(guò)90 cm連接片連接成一組，共三組。

(3)棧橋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式采用長(zhǎng)度24 m、φ630×8 mm鋼管，橫向間距2.25m，鋼管樁之間采用 20型鋼連結(jié)[8]。樁頂分配橫梁采用雙榀40b工字鋼，工字鋼嵌入鋼管25 mm，與鋼管采用U型連接件連結(jié)[9]。

(4)縱梁頂面橫橋向鋪設(shè) 20b型鋼，間距30 cm，20b橫梁通過(guò)U型卡與貝雷梁連接牢固。

(5) 20b橫梁上鋪設(shè)Q235花紋鋼板，厚度1 cm，橋面鋼板與 20b型鋼橫梁焊接牢固。

5 模型及受力分析

5.1 荷載

(1)活載計(jì)算

棧橋荷載按以10 m3混凝土罐車為控制荷載進(jìn)行檢算，混凝土罐車共3軸，軸距為3.575 m＋1.35 m。

(2)恒載計(jì)算

棧橋恒載主要為橋面鋼板、橫梁、貝雷梁、H型鋼縱梁及墩頂分配梁等結(jié)構(gòu)自重[10]。

(3)荷載組合

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)，按照承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行檢算，恒載分項(xiàng)系數(shù)取1.2，車輛荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.4?？紤]荷載分項(xiàng)系數(shù)后車輛荷載取值為G＝550 kN，前軸取值110 kN，中后軸取值22 kN[11]。

5.2 計(jì)算模型及檢算

根據(jù)實(shí)際受力工況，建立MIDAS有限元計(jì)算模型，見圖2。

圖2 棧橋計(jì)算模型

橋面板采用10 mm厚花紋鋼板，鋼板下布置20b型鋼橫梁，中心間距30 cm，凈距19.6 cm，小于混凝土罐車前、中、后輪壓地長(zhǎng)度(20 cm)，重量均由工字鋼承受，鋼板不參與計(jì)算。

將平均粒徑18 μm碳酸鈣粉末在一定溫度下煅燒4 h后獲得生石灰，將生石灰和石英粉按n(CaO):n(SiO2 )=11，添加劑氧氯化鋯按n(ZrOCl2·8H2 O)n(CaO+SiO2)=0.05加入高壓釜，并按水固比401加入水。以2 ℃/min的升溫速率升溫至220 ℃，攪拌轉(zhuǎn)速分為三階段：25～150 ℃采用450 r/min轉(zhuǎn)速，150～220 ℃采用350 r/min轉(zhuǎn)速，220 ℃保溫階段采用250 r/min轉(zhuǎn)速，在220 ℃條件下保溫7 h后自然冷卻，將產(chǎn)物取出在110 ℃鼓風(fēng)烘干至恒重，即可獲得硬硅鈣石纖維產(chǎn)品。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到 20b橫梁應(yīng)力云圖，見圖3。由圖3可知，σmax＝126.1 MPa＜f＝215 MPa。

圖3 20b橫梁應(yīng)力檢算

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到貝雷梁弦桿應(yīng)力云圖，見圖4。由圖4可知，σmax＝280.2 MPa＜f＝310 MPa。

圖4 貝雷梁弦桿應(yīng)力檢算

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到貝雷梁腹桿應(yīng)力云圖，見圖5。由圖5可知，σmax＝278.3 MPa＜f＝310 MPa。

圖5 貝雷梁腹桿應(yīng)力檢算

經(jīng)計(jì)算得到2 40b大橫梁應(yīng)力云圖，見圖6。由圖6可知，σmax＝34.4 MPa＜f＝215 MPa。

圖6 2 40b大橫梁應(yīng)力檢算

可見，貝雷梁棧橋強(qiáng)度滿足施工要求。

5.3 變形計(jì)算

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到貝雷梁最大變形如圖7所示。w＝20.9 mm＜[w]＝12 000/400＝30 mm。可見，貝雷梁棧橋剛度滿足施工要求。

圖7 貝雷梁撓度計(jì)算

5.4 鋼管樁基礎(chǔ)計(jì)算

(1)鋼管樁基礎(chǔ)軸力計(jì)算

當(dāng)罐車行駛至如圖8模型位置時(shí)，中間一排外側(cè)鋼管樁承受支反力最大。

圖8 鋼管樁計(jì)算模型

此時(shí)對(duì)應(yīng)的鋼管樁支反力如圖9所示，則:

圖9 鋼管樁支反力計(jì)算

鋼管樁承受豎向最大支反力P＝Fmax＝393.3 kN。

(2)鋼管樁樁長(zhǎng)計(jì)算

按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94-2008)5.3.7條計(jì)算鋼管樁承載力[12]。單樁軸向受壓承載力計(jì)算值見表1。

表1 單樁軸向受壓承載力計(jì)算結(jié)果

貝雷梁棧橋段鋼管樁總長(zhǎng):L＞4.6-(-1.32)＋7.78＋6.59＝20.3 m，施工選用24 m長(zhǎng)鋼管樁。

(3)鋼管樁整體穩(wěn)定性檢算

鋼管樁為一端固定、一端自由的壓桿，則鋼管樁截面回轉(zhuǎn)半徑i＝22 cm。

截面面積:A＝156.326 cm2

查表得軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)φ＝0.498，[N]＝0.498×15 632.6×215/1 000＝1 673.8 kN＞393.3 kN。

經(jīng)驗(yàn)算，選用24 m長(zhǎng)的φ630×8 mm鋼管滿足使用要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)棧橋需適應(yīng)主體橋梁小半徑、河道通航的需要，通過(guò)設(shè)置臨時(shí)通航孔、改變棧橋縱梁結(jié)構(gòu)、設(shè)置臨時(shí)雙支墩及連體鉆孔平臺(tái)方便了現(xiàn)場(chǎng)操作應(yīng)用，很好地解決了小曲線中等跨度棧橋及鉆孔平臺(tái)設(shè)計(jì)中的難題，實(shí)際應(yīng)用效果良好，為類似工程提供了可借鑒經(jīng)驗(yàn)。該棧橋使用周期為7個(gè)月，主體樁基、承臺(tái)、墩身及現(xiàn)澆梁采用平行流水作業(yè)，作業(yè)強(qiáng)度高、機(jī)械投入量大。因棧橋及鉆孔平臺(tái)設(shè)計(jì)科學(xué)合理，很好地滿足了現(xiàn)場(chǎng)施工需要。