镇罗黄河特大桥钢栈桥与钻孔平台设计分析

王金国，叶 锋，李英瑞，汤 宇，凌 涛

（1.宁夏交投工程建设管理有限公司，银川 750000；2.中铁五局集团第一工程有限责任公司，长沙 410117）

钢栈桥主要应用于我国的桥梁施工、大坝施工、港口及渡船码头等工程中，作为连接水上施工平台与陆地车辆通行及材料运输的通道，尤其是桥梁在水上施工常常采用钢栈桥进行材料的运输，其具有承载能力大、快速施工、循环利用的特点[1]。现阶段，常采用搭建贝雷梁钢栈桥的方法来解决河、海跨段桥梁来辅助施工建设，其极具短期施工、构件轻便、便于拆装的特点，对于目前缩短桥梁施工周期具有较大的工程意义[2]。

1 工程概况

1.1 工程简介

镇罗黄河特大桥位于宁夏回族自治区中卫市沙坡头区境内，北岸为镇罗镇河沟村，南岸为永康镇沙滩村，是衔接乌玛高速公路和定武高速公路联络线的主要通道，同时也是乌玛高速公路的控制性工程[3]。工程起讫里程桩号为LK5+679.5—LK6+968.5，全长1289 m。

镇罗黄河特大桥由北岸滩地引桥、北岸跨堤桥、主桥、南岸跨堤桥和南岸滩地引桥组成，孔跨布置为（3×40）m钢混组合梁+（40+40+75+40）m钢混组合梁+（55+6×90+55）m钢混组合梁+（40+40+75+40）m钢混组合梁+（3×40）m钢混组合梁，其中主桥桥长650 m[4]。

1.2 地质水文条件

1.2.1 地形地貌

桥址区场地地貌单元为黄河河床及漫滩，地势开阔，地形稍有起伏，桥轴线地面高程为1201.3～1208.9 m，相对高差约7.6 m。跨越段河面宽约540 m，河床中主要为砂卵石层。

1.2.2 水文条件

桥址区河面宽约540 m，最大水深4.5 m，变化幅度为1.0～1.5 m。百年平均洪水水位1206.66 m。施工控制水位取10年一遇洪水位1206.66 m。

1.3 工程特点和施工难点

1）大部分基础位于砾石、卵石中，软弱覆盖层浅，临时钢管桩成桩较为困难。

2）洪水期流速大，要考虑漂浮物的撞击，对钢栈桥横向稳定性要求高。

2 栈桥与钻孔平台设计

2.1 设计标准及荷载要求

栈桥及平台按10年一遇的洪水位及施工荷载控制设计[5]。栈桥设计控制荷载为结构自重，100 t履带吊（考虑后期主桥上部结构钢箱梁散拼吊装），450型旋挖钻自重（含钻具）160 t，混凝土罐车。钻孔平台设计控制荷载为结构自重，50 t履带吊+30 t吊重（桩基混凝土灌注），450型旋挖钻自重（含钻具）160 t，混凝土罐车。

2.2 栈桥与钻孔平台设计特点

1）钻孔平台平联设计时考虑桩基施工过程中钢护筒跟进的可操作性。

2）锚固桩与钢护筒之间的第一层平联设计考虑围堰下放平台。为减少后期围堰下放平台搭设工作量，在进行主墩平台设计时，考虑到后期围堰下放需要，待桩基施工完成后，拆除钻孔平台，无须进行围堰下放托架焊接，即可立即开始围堰内拼装。

3）栈桥设计时考虑作为路基填料运输通道，按2车道设计，单跨12 m，每5跨1联，设置制动墩[1]。

2.3 总体布置

栈桥分8联布置，桥面宽7 m，总长540 m，布置于主桥上游。每跨12m，第一联至第六联为5跨1联，第七联为8跨，第八联为7跨，按钢材线膨胀系数1.2×10-5℃及最大温差50℃进行计算，每联之间设置3 cm伸缩缝；暂定12#墩采用钢套箱施工，钻孔平台桩位布置为顺桥向15 m，横桥向33 m；其余墩位采用钢围堰施工，钻孔平台桩位布置为顺桥向12 m，横桥向33 m，平台大小以满足施工需要为原则；支栈桥布置于钻孔平台大里程或小里程侧，顺桥向6 m，横桥向33 m，支栈桥位置以满足施工需要、便于后期临时支墩施工为原则，图1为桥位现场图。

图1 桥位现场图

3 栈桥与钻孔平台受力计算

3.1 栈桥模型及边界条件设置

栈桥模型：钢栈桥模型按4×12 m一联连续梁模型建立，制动墩设置在每联连续梁中墩位置（Midas中采用刚性连接），其他位置采用活动支座（Midas中采用一般连接），栈桥模型三维图如图2所示。

图2 栈桥模型三维图

边界条件：贝雷片之间的销接状态采用释放梁单元方式模拟。贝雷桁架与桩顶横梁、桩顶横梁与钢管桩、贝雷桁架与分配梁及分配梁与桥面纵梁采用弹性连接中的一般连接。钢管桩桩底按固结模拟，根据最不利荷载分析，以下面7种工况（第一至第六种工况均考虑制动力影响）对本栈桥进行结构受力分析：①结构自重+450型旋挖钻位于栈桥跨中处；②结构自重+450型旋挖钻位于栈桥支座处；③结构自重+2辆10 m3混凝土罐车（满载）并排位于栈桥跨中处；④结构自重+2辆10 m3混凝土罐车（满载）并排位于栈桥支座处；⑤结构自重+1联4跨，每跨均有1辆满载32 m3砂石自卸车与1辆空载自卸车并排位于栈桥跨中处；⑥结构自重+50 t汽车吊位于支栈桥处，吊装桩基钢筋笼时按最大钢筋笼重30 t计算；⑦最大东西方向迎面风和河流冲刷作用下（最不利作用），贝雷梁和钢管桩作抗倾覆检算。

3.2 以栈桥在450型旋挖钻位于栈桥支座处（工况二）状态下计算分析

3.2.1 施加荷载

旋挖钻履带着地宽0.9 m，着地长6 m，钢栈桥桥面板由I36b槽钢倒扣满铺组成，因此履带吊荷载可以模拟为纵向线荷载施加于I36b槽钢上，单侧履带作用于3根I36b槽钢上。故单根线荷载P=履带吊总重1600 kN÷2（2条履带）÷3（单侧履带作用于3根槽钢上）÷6 m（履带 着地长度）=44.5 kN/m。工况二履带吊荷载如图3所示。

图3 工况二旋挖钻荷载图

3.2.2 桥面板（I36b槽钢）计算结果

由于Midas计算结果中，桥面系构件总体变形与贝雷桁梁变形一致，导致桥面系构件变形输出结果远大于实际变形，另外再考虑到桥面系构件跨度均较小，故结果分析中桥面系构件仅以强度满足要求进行控制，桥面板（I36b槽钢）组合应力（弯曲正应力+轴向正应力）为

式中：σmax为最大组合应力，Mmax为最大允许弯矩，Wx为断面率，N为轴向力，A为横截面积。σmax=62.3 MPa＜f=215 MPa，同理桥面板（I36b槽钢）剪切应力为

式中：τmax为最大应力，S为静矩，Ix为惯性矩，tw为面积矩，Vmax为最大剪切应力。τmax=13.6 MPa＜fv=125 MPa。

3.2.3 I25a工字钢分配梁计算结果

I25a工字钢分配梁组合应力σmax=111.6 MPa＜f=215 MPa。I25a工字钢分配梁剪切应力τmax=46.4 MPa＜fv=125 MPa。

3.2.4 贝雷梁计算结果

贝雷梁组合应力σmax=293.2 MPa＜f=305 MPa（贝雷梁弦杆及腹杆为16Mn钢，相当于Q345钢）。同理贝雷梁剪切应力τmax=58.6 MPa＜fv=175 MPa，贝雷梁位移最大挠度ωmax=15 mm＜[ω]=12000/400=30 mm。

3.2.5 双拼I40b工字钢横梁计算结果

双拼I40b工字钢横梁组合应力σmax=93.3 MPa＜f=215MPa。同理双拼I40b工字钢横梁剪切应力τmax=43.7MPa＜fv=125MPa。双拼I40b工字钢横梁最大挠度ωmax=3.7mm＜[ω]=3150/400=7.875 mm。

3.2.6 Φ630×10 mm钢管桩计算结果

由于Φ630×10 mm钢管桩为受压构件，在此只需计算钢管桩的轴向抗压强度与轴心受压稳定性。Φ630×10 mm钢管桩轴向抗压应力σmax=38.1 MPa＜f=215 MPa。

3.3 计算结果

根据检算结果，钢管最大轴向力为925 kN，按规范安全系数K=2.0，设计钢管入土深度，则每根钢管的承载力为925×2=1850 kN，钢管桩周长U=πD=1.98 m。根据地质报告，河床下20 m范围内均为卵石层，摩阻力标准值为220 kPa。则N=220×1.98×H=1850 kN，得出H=4.25 m，证明钢管桩深入卵石层4.25 m即可满足承载力要求。

由表1—3可知，在工况一、二、三、四、五、六状态下，栈桥各构件强度及刚度均满足规范要求。在工况七状态下，栈桥受最大迎面风荷载、水流冲刷荷载及偶然漂流物撞击荷载作用，栈桥抗倾覆稳定性满足要求。但是在工况二（450型旋挖钻位于栈桥支座处）状态下，321贝雷梁的最大组合应力值达到293.2 MPa，距16Mn钢（Q345钢）的抗拉、抗压和抗弯强度设计值305 MPa已经很接近，且竖杆轴力最大值达到209.4 kN，距321贝雷片最大容许竖杆内力值210 kN也很接近。建议对支点处贝雷片腹杆进行补强处理，补强措施如下（补强结构由上下弦杆及腹杆组成，构建均采用工16a焊接或栓接连接，注意上下弦杆与贝雷片固有弦杆刨平顶紧，尽量减少构建间间隙）：考虑到此计算采用的是极限状态法设计，荷载组合采用的是1.2倍恒载+1.4倍活载，因此贝雷片强度仍能得到保证，但是在450型旋挖钻经过栈桥时，附近数跨栈桥范围内不允许任何车辆或者机械通过，且建议450型旋挖钻通过栈桥时，卸下钻杆及钻具，以减小整体荷载。32 m3砂石料车应限速限距通过栈桥。

表1 构件强度计算结果

表2 构件位移计算结果

表3 栈桥抗倾覆稳定性结果

4 结论

1）分析了工程特点和施工难点，主要因为大部分基础位于砾石、卵石中，软弱覆盖层浅，临时钢管桩成桩较为困难，洪水期流速大，要考虑漂浮物的撞击，对钢栈桥横向稳定性要求高。

2）分析栈桥与钻孔平台设计特点，地形地貌和水文条件直接影响主栈桥与钻孔平台设计（设计标准及荷载要求、总体布置）。

3）通过Midas计算栈桥与钻孔平台受力，结果表明：在450型旋挖钻处于栈桥支座处状态下，321贝雷梁的最大组合应力值为293.2 MPa，距16Mn钢（Q345钢）的抗拉、抗压和抗弯强度设计值305 MPa非常接近，且竖杆轴力最大值为209.4 kN，与321贝雷片最大容许竖杆内力值210 kN也非常接近，因此建议对支点处贝雷片腹杆采用补强处理技术。