柳州静兰大桥拆桥施工临时栈桥方案设计

刘金义

(柳州市城市投资建设发展有限公司,广西 柳州 545001)

临时栈桥通常具有特殊的服务功能,一般要求其承载能力大、施工快捷、拆除方便、临时性及可重复利用等特点。目前,它在我国的桥梁施工、大坝施工等工程中得到了大量应用。

栈桥的上部结构形式,理论上可以采用任何结构形式,但出于施工快捷及拆除方便的需要,一般采用便于工厂化拼装的结构形式,如桁架梁、钢箱梁等。在栈桥的下部结构形式中,也考虑施工与拆除的方便,普遍采用钢管桩基础或预应力混凝士管桩基础。

架设临时施工栈桥可作为材料设备的运输通道、下部结构的施工平台。能使水上施工变成路上施工,减小了恶劣环境对施工的影响、缩短及保证工期,同时它还具有节省减少工程建设对环境的污染和破坏等优点。因而,它在桥梁的施工中得到了大量地应用。

1 工程概况

原静兰大桥建于 1992年,其设计荷载标准为汽 -20、挂-100,人群荷载 3.5 kN/m2。桥面宽度为 16.5m(0.5m人行道栏杆 +2.75m人行道 +0.5m防撞栏杆 +净 9 m行车道 +0.5m防撞栏杆+2.75m人行道+0.5m人行道栏杆)。主桥结构为 5跨 90m等截面悬链线钢筋混凝土箱形双肋拱桥,矢跨比 f0/L0=1/8,拱轴系数 m=1.756。拱肋宽 2.14m,高 1.7m,肋中心距 8m,肋间设有 14道横系梁,每条拱肋由两片预制拱箱组成。预制拱箱每片宽 1.04m,高 1.6 m,每跨分三段预制安装。拱上由立柱、盖梁组成排架,纵置钢筋混凝土空心板、槽型板。下部构造为重力式桥墩、U型桥台,明挖扩大基础,主拱座及桥墩基底均置于基岩上[1]。

2 栈桥方案设计原则

由于栈桥为临时工程,主要遵循“安全”、“适用”和“经济”的设计原则。“安全”、“适用”的原则要求栈桥在设计设防灾害下具有足够的承载能力,不发生任何因栈桥承载力问题造成的人员伤亡,不能延误主体工程的工期,并且要求在正常使用状态下要求栈桥能够正常运营。因此设计标准不可偏小,必须留有足够的富余度。“经济”原则要求栈桥的设计应该通过各方面的优化尽量降低造价,而且要尽量利用可拆装构件,保证最大限度的回收利用[2]。

2.1 栈桥方案设计概述[3]

栈桥分别布置在待拆桥梁上下游两侧,下游为 19跨,上游 23跨。平面布置示意见图 1。

图1 栈桥跨径组合及平面布置示意(单位:m)

栈桥由单层五排加强型贝雷梁组成,采用I45a工字钢作为栈桥下横梁,其上搁置 321军用贝雷梁 6排,两侧排间距45 cm,中间排间距 54 cm。贝雷梁上设置分配梁和枕木,间距 70 cm。栈桥上龙门吊走行轨道为P43轨。栈桥贝雷梁的架设采用“悬臂推出法”。在各临时支墩上安置滚轴,施工时从西岸向东岸推出架设。其上除铺设龙门吊轨道外,还设置1.0m宽人行道。横断面布置形式见图 2。

栈桥临时支墩采用钢管桩,钢管桩基础固定方式有两种,通过受力验算得出。当覆盖层大于 6m时直接插打钢管桩至岩层;覆盖层小于 6m时,采用钻孔平台法在钢管桩内施工钻孔灌注桩,按嵌岩桩设计保证入岩不小于 5m。

临时支墩钢管桩采用单排两根桩和双排四根桩的组合型式。钢管临时支墩构造示意图见图3。

图2 栈桥横断面布置示意(单位:cm)

图3 钢管临时支墩构造示意(单位:cm)

高栈桥除承担龙门吊走行轨、人行道外,同时在上下游间设置横系梁,用来做拱下受力支撑。

3 栈桥方案设计检算

3.1 有限元模型建立

本计算中按照栈桥的实际结构建立模型,分为贝雷主梁、贝雷主梁横向联系、钢管群桩和钢管群桩横向联系。

贝雷主梁由加强型贝雷片和贝雷片之间的横向联系组成,计算时将贝雷片的连接销钉和其他附属结构的重量换算到贝雷主梁中;贝雷横向联系是约束贝雷横向稳定的主要因素,实际连接中使用螺钉连接或者焊接。本设计在有限元模型中考虑为刚性连接,可以充分表达其连接形式。贝雷主梁模型见图 4。

栈桥分为上游栈桥和下游栈桥两部分,贝雷主梁横向联系就是将上游栈桥和下游栈桥连接的结构。在拆除过程中,贝雷主梁横向联系有两种主要作用。其一,临时支撑拆除的拱肋片断。其二,在拆除过程中,克服拱桥桥墩的不平衡水平推力是拆除拱桥的难点。从一般意义上讲,在不承受活载的情况下,拱桥拱脚水平推力主要由拱肋自重产生。所以可以在拱上施以与重力相反的方向的力来消除拱脚水平推力。这里可以在贝雷主梁上给拱肋一定的预顶力,来缓解拱脚的水平推力。在建立模型过程中,主梁横向联系由加强型贝雷片组成,贝雷的建立方式与以前所述相同。实际施工过程中,贝雷主梁横向联系与贝雷主梁用自制接头连接,此接头的强度和刚度要大于贝雷片所用材料的强度和刚度,在模型建立过程考虑为刚性连接,耦合 6个方向自由度。

图4 模型整体图

图5 钢管群桩横向联系

钢管群桩从规模上分为,由 2根钢管桩组成群桩和由 4根钢管装组成群桩。从受力情况上来看,分为承受拱肋临时支撑力和不承受拱肋临时支撑力。钢管群桩之间由槽钢组成横向联系,从而保证钢管桩的稳定性。钢管桩和横向联系采用共节点连接,用来表达钢管桩和横向联系间的连接情况,在钢管桩顶有工字钢组成垫块,保证贝雷主梁通过。

钢管群桩横向联系用以临时支撑拱脚片断的拱肋,并可以借助此结构搭建拆除拱肋平台。此横向联系由 3片并排加强型贝雷片组成。钢管群桩横向联系模型见图5。栈桥在岸边采用简单支撑,模型中栈桥边界约束竖向自由度。

本设计中采用大型有限元软件ANSYS建立栈桥空间模型模拟栈桥各个工况荷载响应,全部模型共有节点 112160个,单元 135336个。

3.2 计算工况描述[3]

(1)栈桥跨中截面最不利荷载位置,即活载和恒载作用下栈桥最大跨度跨中产生最大弯矩工况;

(2)栈桥支撑截面最不利荷载位置,即活载和恒载作用下栈桥最大跨度支撑位置处产生最大弯矩工况;

(3)栈桥挠度最不利荷载位置,即活载和恒载作用下栈桥最大跨度跨中产生最大位移的工况;

(4)栈桥横向联系临时支撑拱顶拱肋片断,即在拱顶拱肋临时支撑在栈桥横向联系上时,栈桥横向联系的荷载响应;

(5)钢管群桩横向联系临时支撑拱脚拱肋片断,即在拱脚片断临时支撑在群桩横向联系上时,钢管群桩横向联系的荷载响应;

(6)计算拆除一跨时各种荷载对于栈桥的综合作用,即考虑拱肋割断后,龙门吊准备起吊拱肋片断工况,起吊跨中时为最不利工况。

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3.3 计算结果

表1所罗列的结果为该工况下模型中所有受力杆件(包括组成栈桥的各个组成部分)结果。从应力角度来看,所有杆件应力均在贝雷片所承受的容许应力 273 MPa以内,压应力略大于拉应力。从变形角度来看,工况④和工况⑥竖向位移最大,同时这两个工况下杆件在栈桥横截面方向的位移也最大。

4 结束语

现柳州静兰大桥拆桥已经顺利完成,经检验,栈桥完全满足施工要求,龙门吊行驶平稳。

目前我国已经修建了各种形式的临时施工栈桥,今后随着更多跨海跨江大型桥梁工程的修建,也将修建更多的临时施工栈桥。在复杂恶劣的环境下,临时栈桥的设计都将面临着栈桥环境作用设计标准的确定、环境荷载的确定、栈桥承载力的评价问题。而目前,国内外对临时施工栈桥设计还缺乏系统的研究,还没有编制临时栈桥的设计规范。由于没有规范可循,这不仅给临时栈桥带来设计上的不便,也给设计出来的临时栈桥存在一些问题——或是临时栈桥设计过于保守,不经济;或者是临时栈桥抵抗灾害的能力过低,不安全,即无法实现安全性与经济性矛盾的统一。

[1]四川省交通厅公路规划勘察设计研究院.静兰大桥改建工程施工图设计(第一册 原桥拆除工程)[R].2005

[2]覃勇刚.杭州湾跨海大桥南岸超长栈桥设计研究[D].东南大学,2006

[3]西南交通大学.柳州市静兰大桥改建工程——原桥拆除工程复核计算报告[R].2006

[4]刘金义.钢筋混凝土拱桥上部结构拆除方案设计[J].四川建筑,2009,29(6)