小曲线中等跨度桥梁栈桥及钻孔桩平台设计

张国红

(中铁十二局集团第一工程有限公司 陕西西安 710038)

1 工程概况

温州市域铁路自温州动车南站并行引出，为实现线路向东折向、近似垂直上跨沿海铁路的目的，在温州南站至沿海铁路之间线路平面采用400 m小半径曲线，呈“S”形布置。同时，采用温州特大桥跨越站西河、既有道路及沿海铁路，其中温州特大桥4＃、5A＃、5B＃、6＃墩为跨站西河水中墩，对应的 3＃～7＃墩桥梁结构类型为3×22 m连续刚构＋2×35 m简支箱梁，采用钢管立柱＋贝雷梁支架现浇施工。桥梁基础为桩基＋承台，采用搭设水中栈桥＋钻孔平台＋钢板桩围堰方案进行施工[1]。

2 栈桥及钻孔平台设计难点

2.1 河道通航要求影响栈桥高程及结构

(1)通航净高

站西河实际水位高程为2.83 m，河岸陆地地面高程4.2 m，而河道在栈桥施工期间通航净空需满足3 m的要求，即栈桥下缘高程需为5.83 m。当采用贝雷梁时桥面高程需7.33 m，则需从河岸边修筑坡道与栈桥顺接[2]，此时存在填筑坡道工程量大、占用临时用地多等弊端。

(2)通航净跨

主体桥梁跨度为22 m、35 m两种类型，而栈桥受贝雷梁模数等因素影响，选用常规跨径12 m时，栈桥临时支墩容易与主体桥墩错位，减小了通航净跨。

2.2 曲线半径小影响栈桥平面布置

通常栈桥平面布置与线路平行，且按照直线进行布置，但由于该主体桥梁位于半径400 m的小曲线上，经计算长120 m的栈桥若按照直线布置，受小半径曲率的影响在一端会偏离主体桥梁约8.5 m，则栈桥与主体墩位有空档需额外搭设平台，浪费施工材料。

2.3 钻孔平台平面尺寸影响成本及施工

钻孔平台平面尺寸需满足钻机、挖掘机等机械作业及材料摆放需要[3]，设计尺寸过大方便机械作业及材料摆放，但材料成本较大；否则，则相反。

3 栈桥及钻孔平台设计关键技术方案

3.1 保证临时通航孔满足通航要求

(1)围绕桥梁最大跨度35 m布置

为保证通航净宽满足要求，选择跨度35 m为临时通航孔，并以该孔中心为准，栈桥采用12 m跨度分别向两侧岸边对称、依次进行布置。

(2)临时通航孔采用型钢降低栈桥结构高度

栈桥与陆地衔接的两端按照填高约1.5 m路基顺接栈桥进行设计，以满足便道坡度要求，达到减少填筑工程量和临时占地面积的目的。同时临时通航孔临时栈桥采用HM588型钢搭设，增加通航净空，其余栈桥采用单层贝雷梁结构[4]。

3.2 设置双排支墩降低小曲线影响

为降低曲线对栈桥平面布置的影响，栈桥按照分段偏转、相切便道中心线的原则布置[5]。同时按照计算偏距不超过1 m进行模拟布置，则约120 m长栈桥按照三段折线相切便道中心线进行布置。

(1)结合栈桥贝雷梁与型钢交界处临时支墩为双排钢管的结构，对栈桥在两个交界墩处设置转角。

(2)在栈桥长约1/3处设计双排临时支墩以设置转角。

(3)临时支墩两排钢管桩成扇形布置，以实现栈桥在该处偏转。同时，将两排钢管桩进行纵横向连结，并形成整个栈桥的固定墩以满足栈桥纵向稳定性要求。

3.3 相邻钻孔平台采用连体平台

为满足钻孔作业需要且达到经济目的，经模拟比选，以临时通航孔为中心，两端每相邻的两个钻孔平台组成整体连体平台。在施工时适当调整工序，错峰施工，满足对平台平面尺寸的要求，达到节约成本的目的。桥梁栈桥及钻孔平台布置见图1。

图1 桥梁栈桥及钻孔平台布置

4 总体设计方案

(1)栈桥承载力按照满足25 t汽车吊、10 m3混凝土罐车及平板车载重10 t行走要求进行设计。

(2)栈桥设计长度约120 m，桥面宽约6 m[6]。临时通航孔纵梁为长12 m、HM588×300H型钢，共10根，H型钢间距按照0.6 m布置。其余纵梁采用6片单层上承式贝雷梁[7]，跨径12 m，每两片贝雷梁通过90 cm连接片连接成一组，共三组。

(3)栈桥基础结构形式采用长度24 m、φ630×8 mm钢管，横向间距2.25m，钢管桩之间采用 20型钢连结[8]。桩顶分配横梁采用双榀40b工字钢，工字钢嵌入钢管25 mm，与钢管采用U型连接件连结[9]。

(4)纵梁顶面横桥向铺设 20b型钢，间距30 cm，20b横梁通过U型卡与贝雷梁连接牢固。

(5) 20b横梁上铺设Q235花纹钢板，厚度1 cm，桥面钢板与 20b型钢横梁焊接牢固。

5 模型及受力分析

5.1 荷载

(1)活载计算

栈桥荷载按以10 m3混凝土罐车为控制荷载进行检算，混凝土罐车共3轴，轴距为3.575 m＋1.35 m。

(2)恒载计算

栈桥恒载主要为桥面钢板、横梁、贝雷梁、H型钢纵梁及墩顶分配梁等结构自重[10]。

(3)荷载组合

根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)，按照承载能力极限状态进行检算，恒载分项系数取1.2，车辆荷载分项系数取1.4。考虑荷载分项系数后车辆荷载取值为G＝550 kN，前轴取值110 kN，中后轴取值22 kN[11]。

5.2 计算模型及检算

根据实际受力工况，建立MIDAS有限元计算模型，见图2。

图2 栈桥计算模型

桥面板采用10 mm厚花纹钢板，钢板下布置20b型钢横梁，中心间距30 cm，净距19.6 cm，小于混凝土罐车前、中、后轮压地长度(20 cm)，重量均由工字钢承受，钢板不参与计算。

将平均粒径18 μm碳酸钙粉末在一定温度下煅烧4 h后获得生石灰，将生石灰和石英粉按n(CaO):n(SiO2 )=11，添加剂氧氯化锆按n(ZrOCl2·8H2 O)n(CaO+SiO2)=0.05加入高压釜，并按水固比401加入水。以2 ℃/min的升温速率升温至220 ℃，搅拌转速分为三阶段：25～150 ℃采用450 r/min转速，150～220 ℃采用350 r/min转速，220 ℃保温阶段采用250 r/min转速，在220 ℃条件下保温7 h后自然冷却，将产物取出在110 ℃鼓风烘干至恒重，即可获得硬硅钙石纤维产品。

经过计算得到 20b横梁应力云图，见图3。由图3可知，σmax＝126.1 MPa＜f＝215 MPa。

图3 20b横梁应力检算

经过计算得到贝雷梁弦杆应力云图，见图4。由图4可知，σmax＝280.2 MPa＜f＝310 MPa。

图4 贝雷梁弦杆应力检算

经过计算得到贝雷梁腹杆应力云图，见图5。由图5可知，σmax＝278.3 MPa＜f＝310 MPa。

图5 贝雷梁腹杆应力检算

经计算得到2 40b大横梁应力云图，见图6。由图6可知，σmax＝34.4 MPa＜f＝215 MPa。

图6 2 40b大横梁应力检算

可见，贝雷梁栈桥强度满足施工要求。

5.3 变形计算

经过计算得到贝雷梁最大变形如图7所示。w＝20.9 mm＜[w]＝12 000/400＝30 mm。可见，贝雷梁栈桥刚度满足施工要求。

图7 贝雷梁挠度计算

5.4 钢管桩基础计算

(1)钢管桩基础轴力计算

当罐车行驶至如图8模型位置时，中间一排外侧钢管桩承受支反力最大。

图8 钢管桩计算模型

此时对应的钢管桩支反力如图9所示，则:

图9 钢管桩支反力计算

钢管桩承受竖向最大支反力P＝Fmax＝393.3 kN。

(2)钢管桩桩长计算

按照《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)5.3.7条计算钢管桩承载力[12]。单桩轴向受压承载力计算值见表1。

表1 单桩轴向受压承载力计算结果

贝雷梁栈桥段钢管桩总长:L＞4.6-(-1.32)＋7.78＋6.59＝20.3 m，施工选用24 m长钢管桩。

(3)钢管桩整体稳定性检算

钢管桩为一端固定、一端自由的压杆，则钢管桩截面回转半径i＝22 cm。

截面面积:A＝156.326 cm2

查表得轴心受压构件的稳定系数φ＝0.498，[N]＝0.498×15 632.6×215/1 000＝1 673.8 kN＞393.3 kN。

经验算，选用24 m长的φ630×8 mm钢管满足使用要求。

6 结束语

根据栈桥需适应主体桥梁小半径、河道通航的需要，通过设置临时通航孔、改变栈桥纵梁结构、设置临时双支墩及连体钻孔平台方便了现场操作应用，很好地解决了小曲线中等跨度栈桥及钻孔平台设计中的难题，实际应用效果良好，为类似工程提供了可借鉴经验。该栈桥使用周期为7个月，主体桩基、承台、墩身及现浇梁采用平行流水作业，作业强度高、机械投入量大。因栈桥及钻孔平台设计科学合理，很好地满足了现场施工需要。