跨河水中桥施工临时钢栈桥设计方案介绍

跨河水中桥施工临时钢栈桥设计方案介绍
摘要：在工程建设当中，经常遇到跨河修建水上桥梁，为了车辆通行和水上作业需要，往往需要在水中搭设临时钢栈桥，以方便桥梁施工，本文结合在广明高速陈村至西樵第一合同段工程施工中的应用，简要介绍水中临时钢栈桥的施工设计方案。

关键词：跨河水中桥施工钢栈桥设计方案
1、工程概述
广明高速陈村至西樵第一合同段位于佛山市顺德区陈村镇，主要工程为吴家围互通立交，是实现广明高速与广珠西线高速交通转换的快捷通道，主线桥长1522m，8座匝道桥共长6180m，其中主线桥和匝道桥共8次跨越文海河主河道和支流，主河道宽80～100m，支流宽10～20m，主河道为Ⅶ级航道。

为了水中桥梁施工需要，本工程共搭设20～100m长跨河水上临时钢栈桥6座。

2、适用条件
跨河桥梁连续多排墩位于河道中，河道较宽，下部结构为桩基+承台（系梁）+墩柱结构型式，上部结构为预制梁或支架法现浇箱梁。

3、栈桥结构简介
栈桥采用型钢搭设，为保证安全，按单向行车设计，栈桥结构见下图：
(1)栈桥宽度：5.4m。

(2)栈桥高度：栈桥桥底距最高水位净高1.5m。

(3)栈桥跨径：根据现场调查，河道只有小船通行，栈桥纵向跨径按4.5m 设计。

(4)栈桥基础：栈桥基础采用φ529×10mm钢管桩，长16m，其中出土长度5.46m，入土深度大于10.54m。

横向每排设置3根，间距2.4m，纵向间距4.5m，为加强钢管桩基础的整体稳定性，在钢管桩每排横向和隔跨纵向间采用双[16槽钢做剪力撑连接。

(5)栈桥横、纵梁：钢管桩顶设置2根长5.4m的I32b工字钢做下横梁，下横梁上顺纵桥向布置7根I40c工字钢做纵梁，间距80cm，纵梁上横向布置I12.6工字钢做分配梁，间距20cm。

桩顶设16mm厚钢板，钢板与下横梁、下横梁与纵梁、纵梁与分配梁、
分配梁与桥面板连接均采用焊接。

(6)桥面：I12.6工字钢分配梁上铺设1cm厚钢板做桥面板。

(7)桥面附属：栈桥两侧设置栏杆，栏杆高1m，主架采用Φ48钢管焊接做竖向支撑杆，间距1.5m，纵向焊接Φ48钢管栏杆两层，底层高于桥面0.55m，顶层高于桥面1m，栏杆采用0.35m红白相间夜光漆涂刷。

4、栈桥结构受力计算
(1)荷载种类
根据本工程施工需要，栈桥主要承受以下几项荷载：
①满足水中桥施工过程中QUY履带-50吊通行和作业要求；
②满足浇筑混凝土时10m3混凝土搅拌车通行要求；
③满足其他小型设备通行要求；
④满足水流冲刷、潮差等其他荷载。

(2)荷载取值
荷载取值按施工过程中可能出现的最大荷载确定，栈桥结构受力按最大可能出现荷载作用于最不利位置时计算，具体取值如下：
①10m3混凝土搅拌车参数：驱动轴两排，共3轴，轴距4m+1.4m，横向胎距1.9m，后轴每侧轮胎与地面接触横向宽60cm，纵向长20cm，满载重量约50t，前轴分配约8t，两排后轴分配均为21t，考虑动载冲击系数1.4，前轴11.2t，后轴29.4t。

②QUY履带-50吊参数：履带长4690mm，宽760mm，两侧履带中心间距2640mm，自重50t，施工过程中最大吊重10t，考虑动载冲击系数1.4，总荷载84t。

③单跨栈桥上部结构自重荷载：19(桥面钢板)+17.7(I12.6)+25.3(I40c)＝62KN。

(3)栈桥I12.6分配梁受力计算
通过模拟各种工况，当搅拌车后轴轮胎位于I12.6跨中时，I12.6弯矩最大，轮压横向分布宽度为60cm，顺桥作用在2根I12.6上，每根I12.6分布的线荷载q=29400/2/2/60=122.5Kg/cm，简化成简支梁受力，受力简图如下：
最大弯矩Mmax=1/8×122.5×802-1/2×122.5×102=91875kg.cm
最大弯曲应力σ=Mmax/w=91875/77.5=1185kg/cm2 =118.5mpa<[σ]=215Mpa
最大扰度fmax
=1225*60*10*[(4*80-4*102/80-602/80)*40-4*402/80+(40-10)4/60/10]/24EI
=1mm<[f]=800/400=2mm
当搅拌车后轴轮胎位于I12.6跨边时，I12.6受剪力最大，其他工况同跨中，受力简图略。

最大剪力Vmax =1225*60*(2*80-60)/2/80＝45.9KN
最大剪应力τ=VmaxSx/Ixd=45900/10.8/5=85mpa<[τ]= 125mpa
(4)栈桥I40c纵梁受力计算
①以履带-50吊荷载计算
当履带吊行驶至跨中，一侧履带正好完全压在1根I40c纵梁上方时，对I40c受力最不利，按单侧履带荷载完全由下方1根I40c承担的最不利情况计算，单根I40c承受桥自重荷载q1=62/7/4.5=1.97 KN/m，履带荷载q2= 84/2/4.5=93.3KN/m，简化成简支梁受力，受力检图如下：
最大弯矩Mmax= 1/8×1.97×4.52+1/8×93.3×4.52= 241KN.m
最大弯曲应力σ＝Mmax / W＝241/1190=202mpa＜[σ]=215Mpa
最大剪力Vmax =(1.97+93.3)*4.5/2＝214KN
最大剪应力τ=VmaxSx/Ixd=214/33.2/14.5=45mpa<[τ]= 125mpa
最大挠度fmax=5(q1+q2)l4/384EI=10mm<[f]=4500/400=11.25mm
②以10m3混凝土搅拌车荷载计算
当搅拌车行驶至跨中，后轴一侧轮胎正好压在1根I40c跨中位置时，弯矩最大，按两排后轴一侧荷载完全由1根I40c纵梁承担的最不利情况计算，简化成简支梁受力，受力检图如下：
最大弯矩Mmax＝147×1.55+1/8×1.97×4.52=233KN.m
最大弯应力σ＝Mmax / Wx＝233*1000/1190=196mpa＜[σ]=215Mpa
扰度fmax=14.7*104*1.55(3*4.52-4*1.55)/24/2.06/105/23900+5*1.97*103*4.54/384/2.06 *105 /23900=9.6mm<[f]=4500/400=11.25mm
当混凝土搅拌车后轴行驶至I40c临近支点时，I40c剪力最大，其他工况同上，受力简图如下：
最大剪力Vmax=14.7+14.7*3.1/4.5+0.197*4.5/2=253KN
最大剪应力τ=VmaxSx/Ixd=253000/33.2/14.5=53mpa<[τ]=125mpa
由计算可知, I40C纵梁承载力满足施工过程中最大荷载通行和作业要求。

(5)栈桥I32b下横梁受力计算
①以履带吊荷载计算
由于履带间距大于2.4m，一跨下横梁最多只承担履带吊一侧履带作用，综合各种工况，当一侧履带位于横梁跨中时，按履带荷载由两根I40c纵梁平均承担，并全部传递给2根下横梁时最不利，单根横梁相当于受2个集中力P=84/2/2/2+6.2/7/2=11t作用，简化成简支梁受力，受力简图如下：
最大剪力Vmax=110KN
最大剪应力τ=VmaxSx/Ixd=110000/27.1/11.5=35.3mpa<[τ]= 125mpa
最大弯矩Mmax＝110×0.8=88KN.m
最大弯曲应力σ＝Mmax / Wx＝88*1000/726=122mpa＜[σ]=215Mpa
最大挠度
Fmax=11*104*0.8*(3*2.42-4*0.82)/24/206000/11600=2.3mm<[f]=2400/400=6mm 当一侧履带正好压在1根I40c纵梁上方时，按履带荷载全部由这根I40c
纵梁传递给2根下横梁时最不利，单根下横梁相当于受1个集中力P作用，P=84/2/2+6.2/7/2=21.5t，简化成简支梁计算，受力简图如下：
最大剪力Vmax=21.5*1.6/2.4=144KN
最大剪应力τ=VmaxSx/Ixd=144000/27.1/11.5=46.2mpa<[τ]= 125mpa
最大弯矩Mmax＝144×0.8=115.2KN.m
最大弯曲应力σ＝Mmax / Wx＝115.2*1000/726=158mpa＜[σ]=215Mp a
最大挠度Fmax=215000*1.6*√【(0.82+2*0.8*1.6)3/3】/(9EIL)=2.2mm<[f]=2400/400=6mm
②以搅拌车荷载计算
当搅拌车一侧车轮作用在跨中时，后轴一侧荷载29.4t小于履带吊一侧履带荷载42t，因此满足承载力要求，不再计算。

当整车作用在跨中时，简化受力模型如下：
由受力模型可知，I32b跨中只承受中间2根I40c纵梁产生的集中力P作用，所有结构均简化成简支梁受力，P=29.4*25/80/2+6.2/7/2=5t＜11t，承载力满足要求。

当搅拌车作用在跨边时，简化受力模型如下：
由受力模型可知，I32b跨中相当于只承受左侧1根I40c纵梁产生集中力P作用，所有结构均简化成简支梁受力，P=29.4*50/80/2+6.2/7/2=9.6t＜21.5t，承载力满足要求。

(6)栈桥钢管桩受力计算
当履带吊一侧履带正好压在1根钢管桩上方时，钢管桩承受压力最大，
按履带荷载全部由这根钢管桩承担的最不利情况计算，单根钢管桩承受上方的最大作用力为84/2+6.9/3=44.3t，钢管桩自重1670Kg，栈桥上部结构要求钢管桩最小承载力为46t。

根据河道地质钻探资料可知，钢管桩进入淤泥层 1.5m，极限摩阻力qsik=20KPa，淤泥质粉质粘土3.9m, 极限摩阻力qsik=25KPa，粉质粘土5.14m, 极限摩阻力qsik=50KPa，极限承载力250 KPa。

采用《桩基技术规范》(JGJ 94–2008)中钢管桩竖向承载力计算公式Quk=Qsk+Qpk=λs UΣqsik×+λpqpk×Ap计算得出, 钢管桩的标准承载力Quk=656KN＞460KN，钢管桩承载力满足要求。

5、栈桥施工方法
栈桥由岸边向河中延伸，吊车站岸上完成栈桥第1跨搭设，水中其余部分直接行驶至栈桥上，采用边打桩边架梁逐跨向前推进的方法施工，栈桥施工工艺流程如下：
测量放线钢管桩加工振动锤安装、定位吊车吊振动锤施打钢管桩钢管桩剪刀撑连接下横梁安装纵、横分配梁安装桥面板铺装防滑条、栏杆、照明等附属结构安装。

由于桥梁轴线与河岸有夹角，施工时，起始钢管桩必须与栈桥轴线对应，准确测量定位后再施工。

钢管桩管节拼装在专门台架上进行，管节对口必须保持在同一轴线上。

管节管径差，椭园度、成品的外形尺寸及焊缝质量必须满足要求。

施工中不考虑接桩，通过履带吊吊振动锤，由液压夹钳吊立后进行沉桩，一次性施打到位。

振动锤采用永安DZJ-90振动锤，最大激振力可达到62t，钢管桩下沉以振动锤无法沉桩为止，可确保钢管桩承载力。

下沉到位后，为增加桩的整体稳定性，采用双[16槽钢做成剪刀撑连接。

纵、横梁安装：纵、横梁按设计尺寸在现场加工好，在钢管桩顶沿圆周满焊一块60*60*1cm的钢板，在钢板上铺设2根I32b工字钢下横梁，工字钢两侧翼缘与钢板接触部位满焊连接。

然后依次搭设上面的纵梁和横向分配梁，型钢之间均要求采用满焊连接。

最后施工桥面板铺装及护栏结构。

6、结语
综上所述，该栈桥设计方案结构简单，搭设方便，安全可靠，满足施工过程中各种设备通行或施工作业时荷载作用要求，本工程先后3座水中栈桥均采用了该设计方案，未出现质量和安全问题，使用效果较好，为工程施工创造了有利条件。

参考文献
(1)《路桥施工计算手册》（ISBN 978-7-114-03855-6）2001年版人民交通出版社；
(2)《实用建筑五金手册》（ISBN 978-7-111-09425-8）2008年版机械工业出版社；
(3)《公路桥涵施工技术规范(JTG/TF50-2011)》（ISBN 978-7-114-09224-4）2011年版人民交通出版社；
(4)《钢结构设计规范(GB50017-2003）》（ISBN 9158005853600）2003年版中国计划出版社；
(5)《建筑桩基技术规范(JGJ94—2008）》（ISBN 1511214762）2008年版中国建筑工业出版社
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。