预留通航孔大跨度重载钢栈桥施工技术

周振涛

中铁十六局集团第三工程有限公司，浙江 湖州 313000

近年来我国全面推进交通强国，桥梁建设作为交通建设的重要组成部分［1-2］，已被广泛应用，且多数桥梁跨越河流，因此钢栈桥使用率极高［3］。钢栈桥施工中随着现场条件的不同，采用的施工方法也有所变化，大部分施工栈桥结构形式单一，采用标准跨逐跨推进的施工工艺［4-5］，但对于有空间限界要求及交通运载要求的栈桥施工不太适用，比如通航、跨径、径空要求，河流防洪排涝、施工场地受限等不良条件下的栈桥搭设［6-8］。为减轻对现场环境的影响，在栈桥设计和搭设过程中采取优化结构形式，加快成桥速度的工艺技术就显得尤为重要。

1 工程概况

东苕溪大桥为G25 德清至G60桐乡高速段联络线湖州段工程中的一座大型桥梁，位于湖沼积平原区，主桥中心桩号为LK1+961.5，路线与航迹线右交角85°。主桥跨越东苕溪Ⅳ级航道，通航净空尺度为55 m×7 m，设计最高通航水位2.66 m，主桥及东侧引桥位于整体式路段，桥梁配跨［16×25+（84+140+84）+14×25］m，桥长1065.44 m，桥梁上部结构采用预应力矮塔斜拉桥和预应力混凝土（后张）小箱梁，先简支后连续；下部结构桥台采用柱式台、高桩承台桥台、桩基础，桥墩采用实体墩、柱式墩、桩基础。为满足主桥施工要求，现场需要搭设临时栈桥跨越航道，从而保证材料运输，但由于河道部门要求施工期间保证航道正常通行，因此在栈桥搭设过程中，必须满足通航条件。于是常规栈桥在承重和跨径上难以满足现场需要。

2 栈桥设计

2.1 栈桥上部结构设计

栈桥上部结构设计为上承式与下承式结构交替运用。上承式钢栈桥桥面板为10 mm 厚花纹防滑钢板，面板宽6 m，面板下方为Ⅰ12a工字钢小分配梁，横桥向布置，间距300 mm 一道，横向分配梁下方为贝雷梁。下承式钢栈桥桥面板为10 mm厚花纹防滑钢板，面板宽6 m，面板下方为Ⅰ12a 工字钢小分配梁，纵桥向布置，间距300 mm 一道。Ⅰ12a工字钢小分配梁下方为Ⅰ32a 横向分配梁，横桥向布置，间距450 mm一道，横向分配梁穿插在贝雷梁中；下承式33 m 主跨的贝雷梁上下弦杆加设加强弦杆，贝雷梁横桥向左右两侧各5排布置，每排贝雷梁间距450 mm；桥台侧下承式贝雷梁横桥向左右两侧各5排布置，每排贝雷梁间距900 mm；主跨两侧为普通跨，贝雷梁横桥向6 排布置，相邻两排贝雷梁之间用特制连接片连接。面板上两侧设置防护栏杆，栏杆高度1.2 m。栏杆采用Ф48×3.5 mm钢管，2.5 m 设置一根竖杆，上横杆设置在竖杆顶端下方200 mm处，下横杆设置在竖杆顶端下方700 mm处，在防护栏杆底下设置180 mm高的挡脚板。

2.2 栈桥基础及下部结构设计

贝雷梁与钢管桩基础之间的分配梁采用双拼Ⅰ36a型钢，长度为6、10.5、8.6 m。 钢管桩基础采用DN500钢管，桩长24 m，外径529 mm或630 mm，壁厚10 mm。普通跨采用φ529 mm 钢管桩基础纵桥向一排，横桥向3根；如图1所示，33 m主跨采用φ630 mm钢管桩基础纵桥向两排，横桥向4 根，桩基础之间设置剪刀撑，剪刀撑采用［18a 槽钢，剪刀撑之间的连接、剪刀撑与钢管桩基础的连接采用电弧焊接。钢管桩基础嵌入土层为粉质黏土及强风化泥质灰岩，土的性状为灰色、灰黄色，硬可塑，干强度及韧性中等。强风化泥质灰岩基本承载力为400 kPa，内摩擦角为15.5°，黏聚力为56 kPa，压缩模量为7.29 MPa。钢管桩基础的承载力靠桩端阻力和桩侧摩阻力提供。

图1 栈桥主跨示意

3 栈桥受力验算

采用目前常用的Midas/Civil 有限元软件对设计栈桥受力情况进行模拟计算，首先建立了栈桥主跨整体有限元模型，再逐个单元进行受力计算。

3.1 荷载计算

1）自重荷载：自重系数为-1，软件自动计算构件自重；栏杆等附属结构自重荷载为1 kN/m2，采用压力荷载施加于桥面板上；人群荷载为1.5 kN/m2，采用压力荷载施加于桥面板上。流水压力：作用于桥墩上的流水压力标准值可按下式计算［9-11］：

式中：Fw为流水压力标准值，kN；

γ为水的重力密度，kN/m3；

v为设计流速，m/s；

A为桥墩阻水面积，计算至一般冲刷线处，m2；

g为重力加速度，取9.81 m/s2；

K为桥墩形状系数，见表1。

表1 桥墩形状系数

该项目为圆形桥墩，故桥墩形状系数取0.8；水的重力密度取10 kN/m3；设计流速取3.68 m/s；钢管桩直径为630 mm；阻 水 面 积A=（58.74-43.98）×0.63=9.3 m2。则：流水压力Fw=0.8×9.3×51.35 kN，即单桩承受最大流水压力为51.35 kN。

2）车辆制动力：车辆制动力按混凝土搅拌车重力的10%计算，则制动力为50×10×10%=50 kN。连续梁排架式柔性墩台应根据支座与墩台的抗推钢度的集成情况分配和传递制动力。出于安全计算，刚构按3跨考虑，则分配给每根钢管桩顶的制动力为50 kN÷9=5.6 kN。

3）车道面宽度8 m，车轮距离1.8 m，与车道基准线的偏心距离为1 m，车道基准线选择距离右侧车道边3.35 m处直线。车辆分别定义标准车辆荷载及履带吊荷载。移动荷载工况分别定义标准车辆荷载和履带吊荷载作用情况下的移动荷载工况。

3.2 受力分析

3.2.1 双层贝雷梁验算结果

双层贝雷梁组合应力（最大）验算结果见图2。

图2 双层贝雷梁组合应力(单位:MPa)

贝雷梁组合应力（最大）为64.0 MPa＜310 MPa（Q345B 钢材抗拉、抗压和抗压的强度设计值），符合要求。

3.2.2 钢管桩组合应力验算结果

钢管桩组合应力（最大）验算结果见图3。

图3 钢管桩组合应力(单位：MPa)

钢管桩组合应力（最大）为19.5 MPa＜310 MPa（Q345B 钢 材抗拉、抗压和抗压的强度设计值），符合要求。

3.2.3 钢管桩桩底反力验算结果

钢管桩桩底反力验算结果见图4。

图4 钢管桩桩底反力(单位：kN)

钢管桩最大反力为141.3 kN，钢管桩承载力计算时，根据栈桥位置土层的地质结构进行钢管桩长度计算，钢管桩单桩承载力大于141.3 kN，符合要求。

3.2.4 钢栈桥整体验算结果

通航孔栈桥竖向位移计算结果见图5。

经计算，通航孔栈桥最大竖向位移为13.2 mm＜27000/400=67.5 mm。计算结果表明，在最不利荷载工况作用下，通航孔栈桥强度、刚度均能满足要求。

4 栈桥施工

4.1 施工工艺流程

由两侧河堤向中间33 m 主跨对向推进，利用70 t 履带吊结合DZ90 振动锤进行作业，采用“单排桩”+“板凳桩”设计+“钓鱼法”施工。上承式下承式间结构转换采用“板凳桩”设计，预留100 mm 作为缓冲及伸缩缝，边跨采用“钓鱼法”施工，完成两侧引桥施工。最后在中间主跨完成全桥合龙，经结构转换后成桥，完成栈桥搭设。栈桥施工工艺流程见图6。

图6 栈桥及平台施工工艺流程

4.2 主跨贝雷梁施工

如图7 所示，通航跨33 m 为双层下承式贝雷梁结构，下层贝雷梁为双层加强弦杆，底层左右各设5排、间距450 mm 上下加强弦杆贝雷梁，上层贝雷梁左右各设3 排、间距450 mm 上弦杆双层加强弦杆。两层贝雷梁之间除采用原有2 根高强螺栓连接外，还在每片贝雷梁中心增加一根通长直径25 mm的拉杆连接上下层贝雷梁。增加了上下弦杆之间的约束边界条件，大幅度提高了双层弦杆的约束刚度，增加了弦杆抗变形能力，减小了贝雷梁的变形挠度。采用双层弦杆加强贝雷梁和双层下承式贝雷梁结构，能大幅度提高栈桥跨径和通行荷载，提高了1.7 m 通航净空高度。同时，下承式贝雷梁结构保证了贝雷栈桥主跨全桥纵坡率小于5%的要求。

图7 重载钢栈桥下承式双层贝雷梁面布置

4.3 栈桥防撞钢墩施工

东苕溪规划为Ⅳ级航道，选用1000 t级机动驳船作为通航的代表船型。如图8 所示，钢栈桥33 m 主跨钢管桩两侧上下游距离水中墩外围4 m 处共设置防撞墩4 组，防撞墩采用DN800 钢管，桩长26 m，外径800 mm，壁厚10 mm，间距4 m 布置，钢管桩桩顶标高与钢栈桥桥面标高一致。施工期间应设置助航标志，在防撞墩上粘贴反光贴、反光标志、助航标志、禁停标志，悬挂夜间红灯示警等通航导向标识，参照河道管理部门及交通部标准和要求布置，保证施工安全。防撞墩内侧悬挂防撞轮胎，作为防护缓冲。

图8 升降式施工栈桥河道水上漂浮物电动链锯切割装置

水上的漂浮物通常是由木头、木棍、竹子、芦苇和水草类物料交织组成，常常会被施工栈桥的墩柱阻挡，漂浮物大片聚集在施工栈桥的上游，将河道堵塞，影响河道的通航安全，也会增加施工栈桥墩柱侧向的水流冲击压力，导致施工栈桥失稳倾覆的安全事故。电动链锯切割机装置通过卷扬机可以实现自动升降，水面没有漂浮物聚集时，卷扬机可以将电动链锯切割机提升到水面以上加油保养维护，有效地延长了电动链锯切割机的使用寿命。水面有漂浮物聚集时，卷扬机可以将电动链锯切割机放入水面以下，电动机驱动齿轮，带动链条高速旋转，链条上的刀片将水上漂浮物切断，漂浮物被切断后随水流漂走，消除了施工栈桥发生失稳倾覆的安全隐患。切割机的升降是沿着安装在防撞墩上的滑道上下升降运动，在垂直的竖向型钢导向轨滑道槽内，设有下移切割卡槽限位装置，链锯齿下移至水面以下一定深度时，限位装置锁定，防止操作人员提升电动链锯上下升降时，因操作失误导致电动链锯入水而损坏电机。

5 结语

复杂条件下大跨径（通航孔33 m）重载钢栈桥施工技术，利用目前市场上普通321型贝雷及其组件，进行科学合理的模数化装配方式进行搭设施工，满足大跨径重载通行要求。主要结论如下：

1）采用双层弦杆加强贝雷和双层下承式贝雷结构，上下层之间除采用原有2根高强螺栓连接外，还在每片贝雷中心增加一根直径为25 mm的通长拉杆连接上下层贝雷梁，使之能大幅度提高栈桥跨径和通行荷载，提高了1.7 m 通航净空高度，满足贝雷栈桥主跨纵坡率小于5%的规定要求。

2）主跨钢管桩两侧上下游水中墩外围设置防撞墩，通过在防撞墩上安装可升降式电动链锯切割机，有效地解决施工栈桥漂浮物大片聚集的难题，保证了栈桥施工的安全，减少了水中作业时间，为水中漂浮物清理提供了新的方法。