山区河流过水钢栈桥设计与施工技术

谢怀智

摘要：本项目成功研究了一种适应山区河流瞬时水位高涨幅及巨大冲击力情况下的过水钢栈桥，打破了搭设不漫水高位栈桥的传统思路。在确保合理使用和安全稳定性情况下降低了栈桥高度，从而节约了栈桥及钻孔平台搭设成本，弥补了高位栈桥的材料浪费及安全稳定性差的不足，高度契合了短时高水位差河流的水文条件。本项目过水栈桥设计思路为典型山区季节性河流、高涨幅水域栈桥设计提供更丰富的实践经验。

Abstract： This project successfully studies a kind of steel trestle which can adapt to the situation of high rise of instantaneous water level and huge impact force in mountainous rivers， breaking the traditional idea of setting up high-level trestle without overtopping water. Under the condition of ensuring reasonable use and safety and stability， the trestle height is reduced， so as to save the construction cost of trestle and drilling platform， make up for the shortage of high trestle material waste and poor safety and stability， and it is highly suitable for the hydrological conditions of rivers with short time high water level difference. The design idea of this project provides more practical experience for the trestle design of seasonal rivers in typical mountainous areas and high rise water areas.

關键词：施工栈桥;过水;抗倾覆能力设计;承载验算

Key words： construction trestle;overflow;anti overturning capacity design;bearing checking calculation

中图分类号：U448.18                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）31-0149-04

0  引言

施工钢栈桥形式多样，需综合施工水位深度、地质情况等施工环境以及工程造价、施工工期及场地条件等各个方面的因素才能决定栈桥形式、高度、跨度等。国内传统施工的多是设计高位不漫水栈桥，搭设材料浪费多，施工成本高，较长枯水期墩身钢管外露量大，安全隐患较大。因本项目河流汛期洪水历时天数短，且汛期具有高水位差（最高超施工常水位16m），为了降低成本及提高安全可靠性，本项目拟采用过水栈桥方案。但国内外极少见在水位瞬时涨幅达16m的河道中搭设可供水淹没和冲击的过水栈桥，故本项目进行了过水栈桥施工技术的研究，以解决当下栈桥设计问题。

1  工程概况

漫坝河大桥（ZAK0+329.993～ZAK0+490.489）系临渭高速公路跨越渭源县漫坝河而设;是一座受水文和地形控制的大桥。该桥桥梁形式为（5×30m）预应力钢筋混凝土小箱梁，全长160.596m，2号、3号、4号墩为水中墩。桥位属丘陵地貌，地形起伏大。下部基础设计采用双排或多排独立的4根1.25m或5根1.25m钢筋混凝土钻孔灌注桩。

漫坝河属洮河水系，由上游河流及雨水补给，桥位两岸附近无既有通道可供施工运输。位于河流中的水中基础必须搭设栈桥才能进行施工。本项目的栈桥作为施工物资、机械、混凝土运输及人员通行的唯一通道，且需要经历两个汛期的考验，栈桥安全可靠性对主桥施工进度起关键作用。

主桥跨越的漫坝河流经地域长，汛期洪水不可预测因素多。加上其属于典型山区河流，季节性强，枯水期时间长，常水位时水深较浅，主汛期洪水高且猛但历时时间短，桥位处短时洪水最大涨幅高差达16m，并且洪水回落很快。

国内外在高流速大涨幅的山区河道中搭设栈桥，普遍存在着栈桥桥面需要高于计算最高水位、长度较长、安全隐患较大、费用高昂的情况。故本项目决定修筑可供水淹没和能承受激流冲击而不破坏的过水栈桥，但国内外在类桥梁栈桥施工研究尚不成熟，可供借鉴的经验较少，故需对此类栈桥的技术方案进行科学创新，以满足施工的要求。

2  山区河流过水钢栈桥设计

经本项目对栈桥方案进行了多次的设计、优化、修改及创新，并最终经专家评估、论证和经严格的承载验，最后采用的栈桥方案如下：

2.1 总体设计

为满足漫坝河大桥2号、3号、4号水中墩基础施工及两岸施工运输车辆的通行需要，需在漫坝河上架设钢栈桥，钢栈桥按过水栈桥设计，栈桥建于桥梁下游侧，距主线线路中心间距为23.2m，钢栈桥荷载按50t单车通行考虑。栈桥为上承式型钢结构，桥面宽度6m，基本跨度9m，栈桥顶面高程设计为1993.0m。

钢栈桥下部结构采用Φ820×10mm钢管桩基础，每排2根，桩横向间距4.5m，钢管桩横向剪刀撑采用[16a槽钢交叉焊接，平联采用Φ325×8mm钢管，钢管桩顶设置厚2cm桩顶钢板，用于安放承重梁，承重横梁采用三拼I40a工字钢，钢栈桥纵向设置9根I50b工字钢，工字钢中心间距为60cm+6×74cm+60cm，桥面系为钢桥面，桥面横向分配梁采用I22a型工字钢，间距25cm布置，桥面板10mm厚花纹钢板。型钢材质主要为Q235。

桥台在两岸压实填筑的便道上浇筑钢筋混凝土桥台，便道为纵坡3%的填土石路基便道，并与红线纵向便道相接。

栈桥结构形式如图1、图2所示。

2.2 过水栈桥抗倾覆能力设计

①采用I50b工字钢作纵梁。相对于通常采用贝雷梁作纵梁的栈桥结构而言，采用型钢结构可以减少阻水面积，且减少漂浮物的堆积，从而加强过水栈桥遭遇洪水时的抗倾覆能力;

②迎水面侧两根工字钢上下用1.6cm厚钢板封住，焊缝6mm高满焊，其余纵梁工字钢之间均用[10槽钢撑在两纵梁之间并焊接，顺桥向每跨布置三道，增加过水栈桥抗弯扭能力;

③栈桥护栏采用高1.2m成品可拆卸式护栏，在桥面上焊接临时立柱，将护栏安装在立柱上，如接到上游河水涨水通知时，可以提前进行拆除;

④在栈桥上游设置漂浮物拦截绳，采用钢管桩进行固定，起到缓冲消能作用;

⑤在已打设好的钢管桩内灌沙，增加钢管桩自身稳定性。

3  过水钢栈桥承载计算

3.1 技术标准

①栈桥桥面宽度6m，基本跨度9m，顶面高程设计为2993.0m。

②按50t履带吊、10m3砼罐车满载50t单车通行

考虑。

③顺桥向制动力取车重的10%，即5t。

④横桥向风荷载：基本风压取0.45kN/m2。

⑤最大水流速度4.02m/s。

⑥设计行车速度15km/h，冲击系数1.3。

3.2 计算工况

①工况一：正常施工工况（水流速2.74m/s）;

②工况二：洪水漫过便桥顶面时（流速4.02m/s，此时不施工）。

3.3 荷载组合

①组合一：自重荷载+罐车荷载+横向风荷载+罐车制动力+流水冲击（2.74m/s）;

②组合二：自重荷载+履带吊荷载+横向风荷载+履带吊制动力+流水冲击（2.74m/s）;

③组合三：自重荷载+流水冲击（水位漫过便桥顶面时，水流速按4.02m/s验算抗倾覆）。

3.4 荷载取值

①风压力计算。

根据《建筑结构荷载规范》，风压力为：

Wk=βzμSμτW0

其中，Wk—为结构风压力，kPa。

βz—阵风放大系数。考虑等效静阵风荷载，风荷载作用与主纵梁长度9m，a类场地条件，βz取1.28。

μS—为风载体型系数，型钢取1.30，圆管取0.70。

μτ—为风压高度变化系数，离地高度15m，a类场地条件，取1.52。

W0—为基本风压，kPa，取该地区规范值0.45kPa。

计算荷载如表1所示。

②水压力计算。

根据《公路桥涵设计通用规范》，流水压力：

K—形状系数，（钢管）圆形取0.8，桥面系取1.33;

？酌—水的容重10kN/m3;

g—重力加速度9.8m/s2;

v—平均水流速度：施工期取2.74m/s;漫桥时钢管取换算流速4.02m/s;

A—阻水面积m2。

①正常使用状态。

由钢管和钢管上横梁阻水，每根钢管0.82×11=9.02m2，流水压力为27.1kN;钢管桩上横梁阻水面积0.46×0.45=0.207m2，流水压力为1.01kN。

②洪水状态。

每根钢管阻水面积0.82×11=9.02m2，流水压力为58.3kN;钢管桩上横梁阻水面积0.46×0.45=0.207m2，流水压力为2.2kN;桥面系高度0.7m，此时桥面系阻水面积9×0.7=6.3m2，流水压力为69.0kN。

③车辆荷载取值。

栈桥按50t履带吊、10m3砼罐车满载50t单车通行考虑。荷载布置分别如图3、图4所示。

3.5 结构计算——正常使用状态

水流速度按2.74m/s进行计算。

①I22a工字钢分配梁计算。

I22a分配横梁支承在纵梁Ⅰ50b工字钢上，横梁最大间距0.74m，即I22a工字钢分配梁的跨度为0.74m，间距0.25cm。

砼罐车汽车轮压：车轮接地尺寸为0.6m×0.25m，每组车轮压在2根I22a上，则单根I22a承受的荷载按照集中力计算为250kN/2/2=62.5kN。

50吨履带吊单根履带长度4.69m。压在18根工字钢上，则单根工字钢承受的荷载按照集中力计算为：650kN/2/18=18.1kN。

取最大荷载62.5kN荷载进行验算，当车轮压在工字钢跨中时彎矩最大。计算结果为最大弯曲组合应力40.5MPa，发生在两纵梁之间;最大剪切应力45.9MPa，发生在靠近纵梁处;强度满足要求。计算最大变形0.13mm，小于740/400=1.85mm，刚度满足要求。

②I50b工字钢纵梁计算。

考虑荷载：自重、罐车荷载50t、履带吊荷载50t、横向风荷载0.513kN/m。按9根I50b工字钢平均承担荷载进行计算，偏载时考虑3根I50b工字钢承担履带吊荷载，考虑70%履带吊（50t）作用于3根I50b纵梁上。

建立有限元计算模型，根据两种工况计算结果，I50b工字钢纵梁最大组合应力为173.1MPa<1.3×145MPa=188.5MPa，最大剪应力为19.9MPa<1.3×85=110.5MPa，变形最大为22.0mm<9000/400=22.5mm，强度及刚度满足要求。

③横梁验算。

横梁采用3I40a工字钢，荷载按I50b工字钢纵梁支反力计算得143.4kN，共计9个集中荷载。

計算得横梁最大组合应力为125.7MPa<145MPa，剪应力最大为46.8MPa<85MPa，变形最大为6.5mm<4500/400=11.25mm，故横梁的强度及刚度满足要求。

④钢管桩长计算。

考虑冲刷的影响，河床冲刷线考虑为河床顶面以下50cm处，假定钢管桩悬臂固结点位于局部冲刷线以下1/3埋深处。钢管桩单桩容许承载力为：

Ra=（u∑qsikli+？姿pqpkAp）

桥址的地层情况详见表2。

当钢管桩入局部冲刷线以下深度4.5m时，计算得钢管桩容许承载力为800kN>654.0kN，承载力满足要求。

⑤钢管桩强度及稳定性——正常使用状态。

1）轴向力作用下。

钢管桩顶荷载最大为654kN，钢管桩自重32kN，则钢管桩最大受力为686kN。钢管桩长度11+0.5+4.5/3=13m，长度因数取1，则计算长度为13m。钢管回转半径286mm，长细比为13000/286=45.5，查得稳定系数为0.876，钢管桩截面积为25446mm2。

N=686kN/（0.876×25446mm2）=30.8MPa<140MPa，故钢管桩的强度及刚度满足要求。

2）组合力作用下。

本工况考虑荷载为：自重、车辆荷载、流水压力、风荷载、制动力。

钢管桩受流水压力为27.1kN;墩顶横梁受流水压力为1.01kN，风荷载为1.14×9×0.7=7.182kN，制动力取500kN×10%=50kN。

由计算结果可知，钢管桩最大组合应力为61.6MPa<0.876×140MPa=122.64MPa，最大剪应力为4.5MPa<85MPa，变形最大为11.0mm<13000/40032.5mm，满足要求。

⑥抗倾覆——洪水状态。

本工况考虑荷载为：自重、流水压力。

设计最大洪水流速4.02m/s，最高水位高于桥面标高。

每根钢管阻水面积0.82×11=9.02m2，流水压力为58.3kN，力臂8.46m;钢管桩上横梁阻水面积0.46×0.45=0.207m2，流水压力为2.2kN，力臂12.93m;桥面系高度取0.7m，此时桥面系阻水面积9×0.7=6.3m2，流水压力为69.0kN，力臂13.4m。

倾覆力矩为M倾=58.3×8.46+2.2×12.93+69.0×13.4=1446.3kN·m。

抗倾覆力有：钢材自重157.8kN，2根钢管内混凝土重（按2m高计算）50.2kN，2根钢管所受浮力169kN，则浮重为39kN，力臂2.25m;钢管桩抗拔力485.8kN，力臂4.5m。

钢管桩抗拔力计算如下：

桩侧抗拔力，根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）第5.3.8条规定，[Rt]=0.3u∑■■ailiqik，qik为竖向压力作用下桩土间的侧阻力;li为桩的入土长度;u为桩的周长;ai为振动沉桩对各土层桩侧摩阻力的影响系数，根据地质情况，桩侧摩阻力取值：入土深度前3.18m取160kPa，其下取110kPa，ai取1.0。则单根钢管桩桩的抗拔力为485.8kN，力臂为4.5m。

则抗倾覆力矩为

M抗=39×2.25+485.8×4.5=2273.8kN·m。

抗倾覆稳定系数K=2273.8/1446.3=1.5>1.3，满足要求。

4  结束语

本项目的过水钢栈桥设计方案成功解决了山区河流过水钢栈桥抗洪水能力弱的难题，改变了此类水文地质条件下搭设不漫水高位栈桥的传统做法。不仅大幅降低了栈桥及钻孔平台搭设成本，也提高了使用的钢栈桥安全稳定性，具有较强的推广应用价值。

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