山区河流淹没式钢栈桥钢管桩受力性能分析

周 辉，韩 剑

(广东交通实业投资有限公司,广州 510623)

1 工程概况

韩江大桥主桥位于韩江河道中，雨季施工受山洪影响大，洪水陡涨陡落，洪水期漂浮物较多、流速大。栈桥设计时结合桥位前4年的每日水位标高及经济性原则，栈桥上部采用工字钢主梁，栈桥桥面标高取为38.89m。该标高不被洪水淹没的保证率为97.44%，扣除洪水前后两天转移设备及恢复生产的影响，有效施工保证率为95.84%，满足工期要求。韩江水位与栈桥设计标高关系见图1，栈桥淹没见图2。

图1 韩江水位与栈桥设计标高曲线图2 栈桥淹没

2 淹没式栈桥设计

2.1 横向稳定设计

为解决洪水期水流流速大、漂浮物多，对栈桥整体形成的较大水平冲击力，采取了以下措施：

(1)根据桥跨所处江面位置间隔性设置双排桩，形成格构板凳桩，以增强栈桥的横向及纵向整体稳定性。

(2)利用江中的各墩施工支栈桥和钻孔平台，在搭设时同步实施，形成总体结构，间隔性增强栈桥的横向稳定性。

(3)在靠近河中心位置每排桩设置4根桩，增强横向抵抗力。

2.2 栈桥结构设计

韩江大桥施工钢栈桥由主栈桥和支栈桥构成。主栈桥宽8m，标准跨径9m，间隔3～5跨设置纵向加强桩，两排桩纵向间距为3m。西侧跨径组合为(9×5m+3m+9×4m+3m+3×(9×3m+3m)+9×4m+3m)；东侧跨径组合为(9×2m+3m+2×(9×3m+3m)+9×4m+3m)，大埔侧钢管桩入土8m，潮州侧钢管桩入土11m。

栈桥桩基采用φ630×10mm钢管桩，标准断面每排3根钢管桩，横向设置1根加强桩柱，桩间距3m。在常水位以上50cm处采用φ430×6mm钢管进行横向连接。下横梁采用双肢Ι56型钢，纵梁边梁采用三肢Ι56型钢，中梁采用双肢Ι56型钢。纵向间距75cm设置一道上横梁，采用Ι20型钢。桥面板由横向间距30cm的Ι12a型钢和8mm厚钢板组成。钢栈桥加强断面如图3所示，标准横断面如图4所示。

图3 钢栈桥加强横断面

图4 钢栈桥标准横断面

2.3 边界条件

钢管桩采用m法模拟实际桩基的受力情况，设计参数按照有关规定取值，主横梁与钢管桩顶部固接，钢管桩与平联间为固接，建立模型，纵梁与钢管顶部为铰接。

2.4 钢管桩嵌固点验算

φ630×10mm 钢管桩的嵌固点计算公式：

土层为粗砂，式中m取15 000kN/m4，b0=2d，其中d为桩径，d=0.6m，b0=1.2m，E=2.06×108kN/m2。

嵌固点深度：

Zm=2.2T=2.2×1.56=3.4m

钢管桩入土深度满足嵌固点深度要求。

3 钢管桩抗拔承载力分析

3.1 建立模型

选取大埔侧栈桥最不利跨径(3m+4×9m+3m)作为标准联进行计算(图5)，采用空间结构计算程序Midas Civil 2015建立全桥模型(图6)，对结构进行整体计算分析。本计算根据实际地质资料采用m法模拟实际桩基受力情况，全桥共划分为654个节点和885个单元。

图5 标准联栈桥总体布置

图6 韩江大桥钢栈桥全桥模型

3.2 主要材料

栈桥均采用Q235B钢材，其力学性能见表1。

表1 材料力学性能参数

3.3 地质参数

根据地勘钻孔XQZK550、XQZK557、XQZK563、XQZK566，西侧钢管桩长度范围内地质主要以粗砂、卵石为主，东侧钢管桩长度范围内地质主要以粉质粘土、粗砂、卵石为主。根据《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63-2007)，各地层计算参数见表2。

表2 桩周土力学性能参数

3.4 设计荷载取值

计算采用的设计参数按照《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)及《港口工程荷载规范》(JTS 144-1-2010)的有关规定取值，其中：

(1)自重。桥面采用8mm厚钢板，每延米自重5.02kN/m；I12a横向间距30cm，8m桥宽共计26片工字梁，每延米自重3.64 kN/m；I20a纵向间距75m，每根梁长8.3m，每延米自重2.32kN/m；以上3项自重作用于模型I20横向上，均布荷载为1.3 kN/m。

表3 纵梁I12水流力参数

水流阻力系数与构件形状尺寸，片数及水深均有关系。

桥面板纵梁I12共有26片工字梁。26片纵梁I12水流力合计为14.1kN/m。假设I20上横梁之间杂物填塞，其水流力为：0.5×2.32×1×9×0.2=2.1kN/m。

纵主梁分为三肢I56和双肢I56主梁。

表4 纵主梁I56水流力参数

三肢边主梁水流力合计为8.8kN/m，双肢边主梁水流力合计为5.1kN/m。

墩柱水流力计算见表5。作用点在顶面以下1/3高度处。

表5 墩柱水流力参数

(3)漂浮物撞击力。根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)，假设漂浮物自重为10t，撞击力F=100×3/9.81=30.0kN，假设撞击力作用于跨中桥墩处。

3.5 计算工况

本次计算分别考虑主栈桥两种工况：工况1为每排4根桩基；工况2为每排3根桩基。

从表1中看出，第一道气环的闭口间隙较小，第二道及第三道密封环闭口间隙较大，其原理利用第二、三道密封环较大的闭口间隙将其上部的压力泄去，增大第一道环的上下压差，以便活塞顶上的高压气体可以轻易地将缸壁上的机油吹下，减少机油的消耗。所以第二、三道环是不会出现闭口间隙过小的问题，下面通过计算来确认第一道环的闭口间隙允许的最小值。

荷载组合考虑基本组合和偶然组合，主要考察栈桥桩基在水流作用下的承载能力。

(1)作用基本组合。即永久作用的设计值效应与可变作用设计值效应相组合，考虑结构重要性系数及各作用效应的分项系数。

(2)作用偶然组合。即永久作用的设计值效应与偶然左右设计值效应相组合，同时考虑与偶然作用同时出现的可变作用。

3.6 桩基轴力分析

基本组合下桩基轴力如图7～图8所示。

图7 工况1基本组合下桩基轴力图8 工况2基本组合下桩基轴力

偶然组合下桩基轴力如图9～图10所示。

图9 工况1偶然组合下桩基轴力

图10 工况2偶然组合下桩基轴力

计算结果汇总于表6。

表6 荷载组合下钢管桩轴力汇总 (单位：kN)

3.7 桩基抗拔承载力计算

根据《公路桥涵地基与基础设计规范》第5.3.8条规定，计算结果如表7。

表7 钢管桩抗拔承载力

由工况1计算结果可知，大埔侧桩基桩长应不小于12.5m，潮州侧桩基桩长不小于18.2m。

4 栈桥施工注意事项

4.1 设备选型

根据栈桥设计，最大起重量为8.45t，吊幅为9m，钢管桩最长为17m，考虑到施工安全，选用55t履带吊进行施工，选用DZ-90型振动锤，最大激振力579kN，能够满足施工要求。

4.2 施工测量控制

栈桥施工主要采用履带吊和振动锤施沉钢管桩，其钢管桩定位采用进场校核后的GPS卫星定位系统。钢管桩垂直度控制采用控制点上2台仪器对钢管桩两个方向的垂直度进行控制，在打入过程中及时进行纠偏。

4.3 钢管桩施工要点

(1)钢管桩桩顶高程控制：在钢管桩沉放过程中，由于振动锤在关闭后会有余振，致使钢管桩在关闭振动锤后还回继续下沉，如在钢管桩施打到设计标高时才关闭振动锤，就会使钢管桩桩顶高程比设计高程低。为了避免钢管桩施打过低而影响栈桥的整体高程，应提前关闭振动锤。

(2)钢管桩偏位控制：在钢管桩施沉过程中，设计要求钢管桩平面偏位为±10cm以内；同一排钢管桩偏位应向同一方向，并且尽量控制钢管桩偏位，以免下横梁无法安装。在主栈桥和支栈桥最后一跨钢管桩施沉时应比钢管桩设计位置缩小5cm，以免纵梁无法安装。

(3)钢管桩垂直度控制：采用控制点上2台仪器对钢管桩两个方向的垂直度进行控制，在打入过程及接桩过程中及时进行纠偏。

5 结语

(1)山区河流汛期水位暴涨暴落，淹没式栈桥在满足施工保证率的前提下降低桥面标高，减少钢管桩入土深度，具有显著的经济效益和社会效益。

(2)在靠近河中心位置栈桥所受水平力较大，在上游方向增设一排辅助桩，可明显增加钢栈桥的横向抵抗力，改善钢管桩轴向受力。

(3)考虑到冲刷效应，桩基应在满足承载力的基础上适当加长或做好相应措施，确保桩基处不发生冲刷。

(4)特大洪水来临时，洪水位高于淹没式栈桥桥面标高，大大减轻漂浮物对栈桥的水平冲击作用及阻水影响，避免了栈桥在特大洪水来临时需承受水流力与漂浮物的荷载组合作用，提高了钢栈桥的安全性能。