跨江海水中栈桥设计及施工

冯刚 石雅清 韩荟

1 工程情况

七都大桥是跨越瓯江南汊连接温州和七都岛的主要通道。大桥全长2 069 m。集团公司承建第2合同段,起点K4+016(20号墩),终点K5+137,本合同段主桥长1.121 km,为(68+3×120+68)m五跨预应力变截面连续箱梁桥。

2 问题阐述,方案比选

本工程施工除受到每年多次的台风侵袭外,还受寒潮、雪、雷暴、大雾等不良自然环境的影响,严重影响有效作业时间,再加上业主规定的工期紧等因素,决定采用修筑栈桥之各墩位,变水上施工为陆地施工,则可大大提高施工的主动性,采用栈桥施工和水上船舶施工方案。经比较可看出,采用栈桥施工方案可以延长有效作业时间,更有利于保证工程质量,减少大型吊装设备的投入,有效降低施工安全风险。经比较采用栈桥施工方案,根据主桥跨瓯江的里程桩号,本栈桥设计里程桩号为K4+006～K4+597,设计总长为591 m。同时又考虑到本标段分离式承台较少,如栈桥从主桥中桩线走,则会影响基础承台吊箱施工,故采用栈桥主轴线与主桥平行(位于主桥上游),间距确定为24.1 m。

3 栈桥总体设计方案

3.1 设计通行能力

根据本栈桥的使用特点和设计意图,结合主桥施工需要,确定设计荷载为汽—超20,验算最大荷载为40 t的混凝土罐车,轴距2.5 m,其主要荷载形式为:三轴间距分别为 4 m,1 m,三轴重分别为50 kN,175 kN,175 kN。

3.2 基本桥型布置

栈桥全长591 m,设计每跨为15 m(5节贝雷),共计39跨,第39跨为21 m,桥面宽4 m,全桥分为 5联,分布情况为前4联8跨,尾联7跨。浅水位置栈桥基础采用φ 800mm×8mm钢管桩,24号～25号为深水位置(即栈桥墩4墩～16墩),基础采用φ 800 mm×10 mm钢管桩,桩距为3.7 m;钢管桩横担为双拼Ⅰ36b工字钢,长6.0 m;贝雷上桥面系采用正交异性板,尺寸为3.78 m×4 m,桥面钢板为8 mm。贝雷梁截面尺寸为3.0 m×1.5 m,其分布尺寸分别为45 cm+112.5 cm+112.5 cm+45 cm,共计 5排。贝雷内剪刀撑用[10槽钢,外剪刀撑采用[10槽钢,钢管桩连接系采用[20槽钢。护栏采用φ 50×5钢管。主墩位置处设置18 m×8 m加宽段作为会车平台。

4 设计资料

瓯江水中墩江底标高参见施工图设计中河床高程(见表1)。

表1 不同墩位的标高统计表

钢管桩桩顶标高设计为+5.38 m。

水流冲刷线参照国家海洋局温州海洋环境监测中心站所作的《温州七都岛南北汊流量观测分析报告》中建议的考虑水流冲刷线为3 m。

设计风荷载为40 m/s,设计流速为1.8 m/s。设计地基分层土τ分别为:中砂 τ=30 kPa;淤泥 τ=12 kPa;淤泥质黏土 τ=16 kPa。设计栈桥顶面高程+7 m,高于正常潮水位。

5 设计验算

5.1 贝雷梁稳定验算

本栈桥设计为五排单层,五排单层结构承受的最大弯矩为788.2×5=3 941 kN·m,最大剪力为 245.2×5=1 226 kN。

故贝雷梁满足强度要求。

5.2 桩基竖向承载力计算

由各钻孔资料均可算出单桩承载力满足设计要求。

5.3 钢管桩桩身稳定性计算

钢管桩按一端嵌固,一端自由方式计算,局部冲刷线以上均为自由端Pcr=π2EI/4L2。其中,E为钢材的弹性模量;I为桩截面的惯性矩,I=π(D4-d4)/64;L为桩长,本设计中最大自由长度L=19.982 m,取L=20 m。Pcr1=π2EI/4L2=[3.141 62×210×109×3.141 6×(0.84-0.784)]/(4×64×202)=2 508 kN。取安全系数nst=4。Pcr1=2 508 kN＞nstP0=1 568 kN,故结构是安全的。

5.4 土中钢管桩水平承载力计算

利用m法中无量纲计算法,列表计算出最大弯矩处各钢管桩入持力层1 m之间,最大弯矩在156 kN·m,亦可通过计算得出弯曲应力值和剪切应力值亦小于许用应力值。对于这两种钢管桩水平位移均很小,800桩为3.7 mm,符合要求(y＜10 mm)。

5.5 水中钢管桩桩头水平位移

建立如下的模型:汽车制动力和风力由18根钢管桩共同承受,故桩头集中力136/18=7.556 kN,流水压力为均布荷载13/21=0.6 kN/m。利用Midas软件分析得出钢管桩桩头的最大水平位移为14.7 cm,嵌固段的最大弯矩74.2 kN·m。换算成倾斜率亦满足规范的要求(＜1%)。

6 栈桥施工的质量控制

6.1 材料

1)对进场的钢管桩按质量体系文件相关程序进行检验。2)栈桥所用钢材均为A3钢(Q235),其规格型号和性能必须符合设计要求和GB 200-79国家标准,进场材料应提交产品合格证。3)焊接材料应选用符合GB 981-76要求的E4303-E4313型焊条。4)运输钢构件时,应根据钢构件的长度、重量选择车辆,在运输过程中应采取适当措施保证钢构件不变形,不损伤涂层。

6.2 栈桥构件加工及安装质量要求

沉桩停锤标准:拟采用DZ90型振动锤,栈桥钢管桩尖位于中密砂土层上,沉桩停锤以标高控制为主,贯入度控制为辅。沉桩达不到设计标高时,最后10击每击平均贯入度不大于1.0 cm可以停锤,并可认为其桩基承载力不小于 50 t。

螺栓连接:螺栓连接应与连接构件紧贴,牢固可靠,外观排列整齐,外露丝扣不应少于2扣,连接质量应符合现行国家相关规范标准,检验时可用锤击法检查。

焊缝连接:对接焊缝要求予以焊透;角焊缝必须完整、连接,有效厚度不得小于8 mm;焊缝表面不得有裂纹、纵梁与面板之间的焊缝等级应不低于三级,其他所有焊缝质量等级应不低于二级。

6.3 栈桥施工方法

1)栈桥起始墩施工。起始墩亦采用打入钢管桩基础,上设桩间分配梁,后回填块石,并作沙袋防护。2)钢管桩制作。钢管桩的钢板,必须符合设计及规范要求。管节拼装定位应在专门台架上进行,管节对口应保持在同一轴线上进行。管节管径差,椭圆度以及桩成品的外形尺寸必须满足规范要求。钢管桩焊缝质量应符合要求。栈桥钢管桩为φ 800 mm×8 mm,φ 800 mm×10 mm。3)锤击下沉钢管桩。水上栈桥采用浮吊上DZ90液压打桩锤直接锤击下沉到位。沉桩以标高控制。4)桩间连接。每排钢管桩下沉到位后,应进行桩之间的连接,增加桩的稳定性,连接材料采用20号槽钢,槽钢尺寸需根据现场尺寸下料。槽钢底口标高为0 m。5)桩头横梁Ⅰ36b安装。Ⅰ36b安装:经测量放线后,直接嵌入钢管桩内,钢管桩上焊接牛腿,保证其顶标高为+5 m。6)贝雷梁及横向分配梁拼装。贝雷梁预先在陆上或已搭设好的栈桥上按每组尺寸拼装好,然后运输到位,安装在Ⅰ36b上。贝雷梁的位置需放线后确定,恢复栈桥中线而后在Ⅰ36b上确定贝雷梁位置。贝雷梁安装到位后,横向、竖向均焊定位挡块及压板。

7 结语

七都大桥第二合同段采用栈桥方案,不仅保证了工程质量,而且极大的提高了施工的效率,为跨瓯江的又一条大动脉的早日贯通赢得了工期,也为深水和海上施工积累了宝贵的经验。

[1]GB 50205,钢结构工程施工质量验收规范[S].

[2]JTJ 041-2000,公路桥涵施工技术规范[S].