洪水期高栈桥抗倾覆研究

凌飞鹏

(广西路桥工程集团有限公司，广西 南宁 530000)

近年来随着我国交通事业的飞速发展，各类跨越大江大河甚至跨海的桥梁工程不断兴建。当项目工期较长，水中墩较多时，为了保证工程的顺利进行，搭建稳定可靠的栈桥作为施工通道成为大多数工程的首选。但由于部分大江大河长期受水流一般冲刷作用或者过度采砂影响，桥位处往往会出现水深较大的现象，即在较大水深的情况下，如何保证洪水作用下的高栈桥抗倾覆稳定就成为了深水桥梁施工首先要面对的问题。本文以扶典口特大桥工程为例，通过综合计算分析，采取有效技术措施，使栈桥在工程建设期间达到安全稳定的使用效果，确保水上施工人员、材料及设备运输通畅，对以后类似工程具有可借鉴性。

1 工程概况

扶典口特大桥由北到南分为：1#主桥[(145+270+145)m矮塔斜拉桥]+2#主桥[(131+198+131)m连续刚构桥]+引桥[11×40 m先简支后连续T梁桥]，桥梁全长1 474 m。该桥地属梧州市城东，自北向南跨越西江，桥址河段处于西江亿吨黄金水道，规划通航等级为Ⅰ(3)级，正常水位水面宽度约1 000 m，水深10～25 m。

主桥的1#～5#墩为水中墩。根据桥位处西江河床及两岸地貌的实际情况，南北岸两段施工主栈桥，为主桥水中墩基础及下构、上构施工提供材料、设备、人员运输便道。其中南岸主栈桥长度为622.2 m，北岸主栈桥长度为72.1 m。

2 技术难点

工程项目施工栈桥桥面标高+13 m，正常施工水位+7 m左右，河床底标高起伏较大，主墩位河床底标高基本为-1 m左右，局部位置，如靠近主航道位置，河水较深较急，施工难度大：

(1)跨深水大江，工程量大。扶典口特大桥横跨西江，西江为珠江水系主流，珠江为我国第三大水系，常年雨量充沛，台风及洪涝频繁，给施工造成影响。根据施工需求，主栈桥搭设长度达到700 m左右，几乎横贯西江，施工受过往船只影响较大。主、支栈桥用钢量超过2 000 t，工程量巨大。

(2)高栈桥施工，水深流速大。项目工程临时栈桥为高栈桥施工，部分位置栈桥钢管桩达到30 m以上(包含入土深度)，而西江水流长期流速在1.5 m/s左右，20年一遇洪水流速在2.5 m/s以上，在如此不利状况下，施工过程中超长管桩插打的准确定位、过程垂直度控制以及管桩多次接长施工控制非常困难，同时钢管桩处于一种长细承载状态，对结构受力不利，容易产生侧向失稳。

(3)汛期长，水位高，洪峰多。经初步统计，在2015年5月至11月汛期期间，栈桥共承受涨幅超过13 m高水位洪峰7次，其中在2015年11月遭遇自梧州1900年建站以来同期最大洪水，涨幅高达20 m，洪水频繁冲击给栈桥结构使用产生较大影响。

(4)河床位标高及岩层分布变化较大。河床位标高变化较大，覆盖层顶面标高从-5～+6 m左右不等，砾砂层厚度从0～30 m不等，应根据不同位置河床土层情况，采取合理措施，控制管桩插打及入土埋置深度。对于河床部分区域覆盖层偏薄，还应进行特殊处理。

(5)冲刷效应明显。由于西江汛期较长，流量较大，河流冲刷严重，尤其是栈桥管桩密集及围堰处局部冲刷相对严重。为保证该部位栈桥的安全，需要进行特殊的处理。

3 洪水期高栈桥失稳倾覆原因分析

高栈桥相对于常规低栈桥的不利主要表现为栈桥结构过高以致整体刚度不足，尤其是在遭遇横向作用或可变作用情况下，栈桥整体稳定受到较大影响。

当水位上涨至钢栈桥上部结构贝雷片或漫过桥面时，由于贝雷梁及桥面系阻水面积相对较大，且常常伴随着许多垃圾漂浮物等，导致水流阻力加大，所以在栈桥上侧产生较大的横向推力，使钢栈桥处于一种不利的受力状态，从而导致钢栈桥发生倾覆垮塌。

一般常规钢栈桥设计通常只考虑竖向荷载以及纵向车辆的制动荷载，故往往只注重竖向承载稳定性以及纵向稳定性，忽视了钢栈桥横向尤其是遭遇洪水冲击下钢栈桥的横向承载及整体抗倾覆稳定性分析，导致钢栈桥在此不利的承载条件下发生结构失稳破坏。

3.1 常规钢栈桥洪水期受力分析

3.1.1 建立计算模型

栈桥单跨12 m，每联布置6跨共72 m。主栈桥双排桩距纵向3.2 m，其余采用单排桩。墩中心距离(横向跨径)为4.2 m。横向桩之间用φ320×6 mm钢管水平横联，横向用φ320×6 mm钢管斜撑连接，纵向用[20a作为斜撑连接。钢管桩顶纵向设2×Ⅰ36a工字钢帽梁。钢横梁上架设贝雷梁栈桥，采用六排单层结构，排间距为(115+90+115+90+115)cm形成空间主纵梁，贝雷梁上设Ⅰ25a工字钢分配横梁，间距为35 cm；其顶面设8 mm钢板为桥面板。见图1。

图1 按常规钢栈桥设计计算模型示意图

3.1.2 边界处理

由于河床覆盖层主要为砾砂，层厚变化较大，但除了3#、4#墩位置覆盖层过厚，部分位置达到20 m以上，钢管桩底部无法支承到岩层之上外，其余管桩基本能够穿透覆盖层支承于岩层之上。故综合考虑管桩底部土层情况，以管桩在砾砂中埋置深度5 m作为计算参考，在模型建立过程中，对于管桩底部采用一般支承边界条件，约束Dz、SDx、SDy、SDz四个方向自由度，同时在管桩底部5 m范围内，模拟覆盖层横向抵抗作用，采用弹性支承边界条件。

弹性刚度结合设计勘探地质条件参数，根据《公路桥涵地基与基础设计规范》关于“m法”理论计算桩基的横向弹性刚度，计算公式：

K=abmZ

式中：a——各土层厚度，本次计算按0.5 m层厚进行取值；

b——基础计算宽度，对于钢管桩，直径≤1 m时，b=0.9×(1.5d+0.5)=1.3 m，其中d为钢管桩直径0.63 m；

m——土层水平抗力系数，桥位覆盖层主要为砾砂，根据设计图纸地勘数据得m值为7 000 kN/m4；

Z——各土层计算点距河床顶面的距离。

则根据上述计算可得以下各土层点弹性刚度值(见表1)。

表1 管桩节点弹性支承计算表

3.1.3 荷载加载

洪水水位最高时漫过桥面板，栈桥禁止通行，栈桥主要受自重及流水荷载，由于汛期上游携带的大量垃圾被贝雷片阻挡，在计算水平荷载时需予以考虑。

水流作用处主要为钢管桩柱、组合贝雷片梁以及固定墩位置钢管水平联接。桥面分配梁、桩顶梁以及垂直栈桥轴线的水平连接因为是处于顺水流方向，且阻水面积相对很小，计算中不予考虑，在计算结果处理中，对于水流荷载取1.4倍荷载系数。

根据《港口工程荷载规范》，对于水流力作用计算如下：

水流力标准值Fw：

式中：Fw——水流力标准值(kN)；

V——水流设计流速(m/s)；

Cw——水流阻力系数；

ρ——水的密度(t/m3)；

A——计算构件在流向垂直平面上的投影面积(m2)。

当计算作用于沿水流方向排列的梁、桁架、墩、柱等构件上的水流力Cw时，应将各构件的水流阻力系数乘以相应的遮流影响系数m1。

3.1.4 应力统计

表2 应力计算表

表3 位移计算表

表4 稳定性计算表

由表2～4计算结果可知：

(1)按常规栈桥设计布置条件，在洪水冲击作用下，栈桥结构受力已经超过容许值。

(2)栈桥整体结构将发生较大横向变形，最大弹性位移变形76 mm，无法满足正常施工需求。

(3)从结构屈曲稳定分析可知，栈桥失稳临界荷载值刚刚达到设计标准值，存在较大失稳风险。

3.2 冲刷数据统计

通过对钢管桩桩位实际冲刷数据的统计，对了解栈桥下部受力现状及后期的防护措施有指导性的作用。由于钢管桩数量已经超过150根，现列出2015年6月底，在栈桥经历约2个月洪水冲击冲刷后，2#、4#、5#围堰附件钢管桩及部分非围堰处桩位的冲刷数据(如图2所示)。

冲刷情况较为严重，尤其是2#、4#、5#主墩位置，其中在2#、5#墩位置，基本快冲刷至风化岩层顶面，4#墩位置附近冲刷底面标高接近-11 m左右。

图2 冲刷数据统计图

由图2统计可知，在主墩位置，由于围堰及支栈桥管桩密集等原因，局部冲刷相对严重，在非主墩位置，冲刷作用相对较缓。在主墩围堰位置应采取处理措施。

3.3 分析结论

根据以上计算分析及施工过程中实际存在的部分因素的综合考虑，再结合以往栈桥冲垮案例，得出洪水期导致常规钢栈桥失稳破坏的主要因素如下：

(1)高栈桥在洪水期水流冲击作用以及垃圾漂浮物堆积阻流情况下，高栈桥钢管桩桩身应力过大，容易产生横向屈曲失稳，甚至发生折断，导致栈桥倾覆。

(2)由于受冲刷影响，上右侧管桩埋置深度不够，导致覆盖层对钢管摩擦力不够，使得上游钢管桩先于下游桩被洪水拔出，造成旋转倾覆失稳破坏。

(3)由于受冲刷影响，尤其是靠近主墩围堰位置，上下游钢管桩底部均被掏空，无覆盖，管桩底部无法起到各项支承作用，在横向水流冲击作用下，单幅栈桥整体被冲垮。

(4)上部结构贝雷片与钢管桩顶连接不牢固，贝雷片在横向水流作用下直接发生横向侧移，脱落垮塌。

(5)在水流作用及有垃圾、漂浮物阻挡情况下，桥面系分配梁及桥面钢板等发生局部破坏。

针对上述原因分析情况，需进行相应的处理措施，以防止栈桥主体结构破坏。

4 高栈桥抗倾覆设计

根据水文资料和现场调查，因洪水期跨度时间较长，冲刷严重，上游漂浮物多，对栈桥施工安全、稳定造成威胁。为确保钢栈桥在洪水期结构的安全稳定，针对栈桥破坏原因分析，对栈桥进行抗倾覆设计。

4.1 栈桥抗倾覆方案

针对栈桥倾覆原因，主要从以下三方面采取措施：

(1)针对栈桥倾覆趋势机理，优化栈桥结构设计，增加栈桥结构局部连接作用及整体抗倾覆稳定性。

(2)针对冲刷因素影响，合理控制管桩埋深，同时加强过程监控，对冲刷严重部分采取防冲刷处理。

(3)注意洪水期栈桥遮挡垃圾及漂浮物的及时清理。

4.2 栈桥抗倾覆加强设计

4.2.1 栈桥抗倾覆栈桥结构加强设计

4.2.1.1 “斜撑加固”设计

从栈桥结构受力情况分析，采取在下游面插打斜撑钢管，加强横向稳定性。主要通过在下游侧设置φ630 mm×10 mm斜撑管，采用Ⅰ25a工字钢等型钢与主栈桥钢管立柱及桥面系进行焊接形成整体，间距根据钢栈桥排距相同布置。斜撑钢管插打深度不低于5 m。

4.2.1.2 “局部加强、限位”设计

针对钢栈桥可能存在的上部结构贝雷片在横向力作用下发生侧移、脱落情况，在施工过程中，加强上部结构连接(见图3)。

图3 栈桥局部加强及限位设计示意图

(1)加强支撑钢管与桩顶横梁连接：采取在两侧加焊三角加强钢板焊接；

(2)加强贝雷梁与桩顶横梁限位连接，采用焊接闭合[10槽钢对贝雷梁进行限位，防止贝雷梁上部结构发生侧移脱落。

4.2.2 加固后栈桥验算分析

加固后的栈桥应力计算情况见表5～7。

表5 加固设计栈桥应力计算表

表6 加固设计栈桥位移计算表

表7 加固设计栈桥稳定性计算表

通过对比表2～4的常规栈桥受力计算结果可知，在对栈桥进行加固设计后，栈桥在洪水作用下受力明显改善，尤其表现在栈桥横向位移变形及栈桥整体结构屈曲稳定方面，对栈桥结构在汛期抗洪抗倾覆有显著作用。

4.3 栈桥管桩冲刷稳定设计

从栈桥失稳倾覆分析可知，栈桥钢管桩埋置深度的控制也是整个栈桥在洪水冲击及水流冲刷作用下保持稳定的一个关键因素，故对于管桩冲刷稳定主要从以下几点进行设计控制：

4.3.1 “埋置深度控制”设计

由栈桥倾覆原因分析可知，管桩的埋置深度尤其是在河床上遭受水流冲刷影响的管桩，其底部埋置深度L也是整个栈桥在洪水冲击下保持稳定的关键因素。见图4。

根据设计和地质勘探资料对河床位预打管桩位置河床覆盖层及岩层标高进行统计，结果如图5所示。

图4 管桩设计埋置深度示意图

图5 河床面及土层标高统计图

4.3.2 “管桩灌砂加固”设计

从管桩受力进行分析可知，对于高栈桥管桩，由于钢管长细，且管壁相对较薄，在洪水冲击力作用下，可能发生管桩折断现象(如图6所示)。

图6 管桩被折断示意图

针对上述破坏情况，在施工过程中，对于长细管桩，采取在管桩内进行灌砂处理的措施，以增强管桩抗剪能力，防止折断情况发生。

图7 管桩灌砂现场图

4.3.3 “管桩底部灌混凝土”设计

针对部分位置，由于河床砂砾覆盖层覆盖较浅，尤其是北岸1#墩位置附近，河床面基本为中风化砂岩，钢管桩底部直接坐落在岩层上面，受插打振动锤以及管桩本身结构限制，管桩入岩深度基本只达到20～30 cm左右，为加强管桩底部受力，在管桩底部采取灌注水下混凝土的形式，对管桩底部进行包裹处理，增强底部固结受力。

图8 浅覆盖层灌注混凝土处理示意图

4.3.4 汛期冲刷过程“处理”设计

对于西江洪水冲刷影响，虽事先有冲刷计算及预控准备，但根据现场实测信息，洪水冲刷尤其是主墩承台围堰位置以及主支栈桥交接位置冲刷尤为严重。

在2015年6月底，经历西江19.6 m高水位冲刷影响后，现场对管桩位置河床顶面进行量测，发现冲刷情况严重，尤其是2#、5#主墩位置，其中2#、5#墩位置，基本快冲刷至风化岩层顶面，4#墩位置附近冲刷底面标高接近-11 m左右，针对这一情况，及时采取冲刷处理设计措施。

4.3.4.1 回填处理措施

在冲刷严重位置如主墩围堰位置附近采用先抛沙袋然后回填风化石的方式，以减缓河床冲刷影响，确保主体栈桥结构安全。因汛期较长，前后针对冲刷较为严重部位进行了3次大规模回填处理施工，回填方量达到66 000 m3，回填基本以达到冲刷前标高为准。回填高度可满足管桩承载需求。见图9。

图9 沙袋回填现场图

4.3.4.2 上游插打管桩阻流设计措施

根据现场观测，对于主墩位尤其是覆盖层较厚的4#墩位置，由于主支栈桥管桩相对密集，同时因围堰阻流形成回旋涡流影响，虽然经过初期回填处理，但冲刷情况依旧很强烈，严重影响了栈桥结构及主墩围堰结构安全。结合现场实际情况条件，采取在主栈桥上右侧插打挡水管桩的形式，对水流形成遮挡，减缓对主墩位置冲刷影响。管桩插打深度与栈桥管桩一致。见图10。

5 设计使用效果

自2017年5月起，水位就保持在一个比较高的状态，根据项目部每日水位统计数据，水位涨幅超过13 m，天数达到55 d，占到整个汛期的26 %。经初步统计，在2015年5月至11月汛期期间，栈桥共受到涨幅超过13 m高水位洪峰7次，大小洪峰16次，同时在2015年11月遭遇自1900年以来同期最大洪水，水位涨幅高达20 m左右。经过洪水长时间的洗礼，主栈桥除部分栏杆及桥面板受损外，栈桥主体结构完好，沉降及轴线偏离均在可控范围内。

6 结语

本文结合扶典口特大桥钢栈桥施工的实践经验，研究了高栈桥方案设计、计算分析、主要技术措施等，总结出一套合理的、可操作性强的洪水期高栈桥抗倾覆施工技术，保证施工的安全和进度，为同类工程提供有价值的参考。

[1]周水兴，何兆益，邹毅松.路桥施工计算手册[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]JTG/T F50-20011，公路桥涵施工技术规范[S].

[3]GB 50017-2016，钢结构设计规范[S].