裸岩河床漫水栈桥施工工艺

裸岩河床漫水栈桥施工工艺

杨宇鹏

（中铁十六局集团第五工程有限公司，河北，唐山，064000）

【摘要】无覆盖层河床施工漫水钢栈桥的施工工艺，及栈桥受力计算

【关键词】无覆盖层；裸岩；漫水钢栈桥；施工工艺

一、工程概况

田家坊澧水特大桥位于湖南省张家界市永定区境内，桥梁全长5007.8米，其中连续梁(72+2*120+72)、（60+2*100+60）跨越澧水河和澧水河河滩及河滩砂场。本桥桥址区地表水主要为澧水河及两岸之流、水渠、水塘等，澧水河常年流水，流量大，雨季易暴发洪流。由于水流冲击明显，河床表面无覆盖层，基岩裸露。

二、水文气象

张家界市区属亚热带季风湿润气候，四季分明，雨量充沛，四季气候多变，日照充足。汛期洪水由暴雨形成，洪水陡涨陡落，峰高量小，一次洪水过程一般为1～3天，年最大洪水一般发生在5～9月，量级大的灾害性洪水往往出现在6～8月，年最大24小时暴雨亦主要发生在5～9月，历年实测最大24小时暴雨为273.6mm。

三、栈桥选型

经过现场勘察，两侧河岸高程为148m，河床高程为141.0m，结合张家界市水利局提拱的水文资料，常水位为142m，2年一遇洪水高程为147.27m,10年洪水过程为153.48m，50年一遇洪水高程为155.24m，据了解洪水一般1至3天即可恢复常水位。河岸两侧地势平坦，标高在148m至149m之间，洪水超过148m以后，将淹没两测稻田。栈桥修筑过高没有意义，两岸通道已经在洪水位以下，因此根据现场实际情况，考虑澧水河两侧及周围田地标高，结合水文资料，最终桥面标高为151.425m，作为漫水栈桥。

常规钢栈桥通常选择贝雷梁作为主梁，但贝雷梁结构较高，暴雨形成洪水时，洪水中的杂物会贝雷梁空隙堵塞，形成水坝，将栈桥推倒。因此选用高度相对较小的型钢作为栈桥主梁。

四、栈桥结构

栈桥上部结构采用型钢结构，下部结构为钢管桩加型钢承重梁结构。桥面结构为工字钢加花纹钢板组合结构，下部结构为钢管桩加型钢承重梁结构。具体布置为：每排设置3根钢管，主跨钢管桩间距4.35m，下游支墩桩间距4米，钢管为φ1020㎜，δ=10mm的钢管桩，主跨钢管桩间采用双拼25b槽钢做斜撑，三根钢管桩通双拼25b槽钢焊接连接成一个整体。加固位置在施工水位以上0.3m处，下游支墩与中间钢管桩采用双拼30b槽钢做斜撑焊接牢固。由于河床覆盖层浅，水流速快，为了保持栈桥的稳定性，钢管桩做为锚固桩，采用冲击钻钻孔，钻孔直径为0.8m，打入砂岩底面5m，浇筑C30早强钢筋混凝土后与岩层连接成一个整体。横梁采用双拼56工字钢，每组钢管立柱上布置2处，横梁长8.5m，横梁放置在φ100钢管上的牛腿上，横梁与钢管及牛腿焊接连接成为一个整体，在横梁顶部放置双拼H700*300*13*24型钢纵梁，间距1.45m。纵梁顶面放置14b工字钢，间距0.3m，工字钢上铺14mm厚花纹钢板做为桥面。

五、栈桥荷载计算

5.1水流冲击力计算

水流速度取V=5.0m/s，按照水流冲击力计算公式

FW=对于支墩，K=0.73，对于桥面，K=2.32支墩迎水面积A1=1.02x10=10.2m2，桥面迎水面积A2=12x0.85=10.2m2

FW1=0.73x10.2x=95kN

5.2桥面水流压力

依据《港口工程荷载规范》(JTS144-1-2010)计算，桥面整体遮流系数m=1.97

Pw==1.97x2.32x10.2x=594kN

5.3风荷载计算

按《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）W=k0k1k3Wd，设计风速重现期换算系数k0=0.75，支墩风阻力系数k1=0.7，桥面风阻力系数k1=1.3，地形、地理条件系数k3=1.2，设计基准风压，空气重力密度γ=0.012017e-0.0001Z=0.012kN/m3，高度Z处的设计基准风速Vd=k2k5V10，考虑地面粗糙度类别和梯度风的风速高度变化修正系数k2=1.17，阵风风速系数k5=1.38，设计基本风速V10=20m/s。则Vd=1.17x1.38x20=32.3m/s，重力加速度g=9.81m/s2，Wd=kN/m2

则风荷载强度

支墩：W=0.75x0.7x1.2x0.64=0.4kN/m2

桥面：W=0.75x1.3x1.2x0.64=0.74kN/m2

5.4施工荷载取2.5kN/m2

5.5漂流物撞击力

假定漂浮物重W=10kN，撞击时间T=1.0S，F=则F=kN

六、栈桥结构受力计算

6.1桥面板受力计算

桥面板采用14mm厚钢板。经计算，桥面板由55t汽车荷载控制设计。

桥面板按两边简支板计算，计算跨度取300mm。用midascivil建模，考虑1.1的冲击系数。桥面板最大弯曲应力σmax=183MPa<[σw]=145x1.3=188MPa

桥面横梁采用I14工字钢。经计算，桥面横梁由55t汽车荷载控制设计。

6.2桥面横梁受力计算

桥面横梁按5跨简支梁计算，计算跨度取1450mm。用midascivil建模，考虑1.1的冲击系数。桥面横梁最大弯曲应力σmax=133MPa<[σw]=145x1.3=188MPa，桥面横梁最大剪应力τmax=68MPa<[τ]=145x1.3=110MPa。

工况1：履带吊位于跨中，履带外边缘距栈桥中心线3.5m。侧吊20t，幅度10m。此工况纵梁弯曲应力最大。偏于安全，假定外侧履带荷载由一根纵梁承担。

经迈达斯建模计算纵梁最大弯曲应力σmax=176MPa<[σw]=145x1.3=188MPa，不计1.1的冲击系数，纵梁挠度f=25.8<[f]=L/400=10660/400=26.6mm。

工况2：履带吊位于跨端，履带外边缘距栈桥中心线3.5m。侧吊20t，幅度10m，此工况纵梁剪应力最大。偏于安全，假定外侧履带荷载由一根纵梁承担。

经迈达斯建模计算纵梁最大剪应力τmax=40.7MPa<[τ]=145x1.3=110MPa

6.3横梁计算

经计算，履带吊位于跨端，履带外边缘距栈桥中心线3.5m。侧吊20t，幅度10m，此工况控制横梁设计。

横梁弯曲应力

经迈达斯建模计算横梁最大弯曲应力σmax=122MPa<[σw]=145x1.3=188MPa

横梁最大剪应力τmax=92MPa<[τ]=145x1.3=110MPa

6.4支墩计算

经计算，履带吊、罐车和55t汽车荷载不控制支墩设计，支墩由栈桥漫水工况控制设计。此时，栈桥承受自重力、浮力和水流冲击力。

桥面水流压力

按照《港口工程荷载规范》(JTS144-1-2010)，第1片纵梁设分水弧后的遮流系数m1=0.47,考虑漂浮物阻塞的影响，第2片纵梁遮流系数取m1=1.0,则第1片纵梁流水压力

Pw1==1.0x2.32x10.2x=302kN

第2片纵梁的遮流系数m2=-0.2，则第2片纵梁流水压力

Pw2==-0.2x2.32x10.2x=-60.4kN

第3、5片纵梁的遮流系数m35=0.45，则第3、5片纵梁流水压力。

Pw35==0.45x2.32x10.2x=136kN

第4、6片纵梁的遮流系数m46=0.4，则第4、6片纵梁流水压力。

Pw46==0.40x2.32x10.2x=121kN

采用midascivil计算，考虑桩土共同作用。

假定桩基深入砂岩5.0m，由砂岩基本允许承载力[σ0]=500kPa推算，其单轴饱和抗压强度frk=1000kPa.按《公路桥涵地基与基础设计规范》，地基抗力系数C0=300000kN/m4

计算宽度b1=0.9(1.5d+0.5)=0.9x(1.5x0.8+0.5)=1.53m，桩基入岩部分划分成l=1.0m的单元，则水平弹簧刚度K1=1.0x1.53x300000=459000kN/m，桩底弹簧刚度K2=(0.82x3.14/4)x300000=150796kN/m

支墩钢管最大组合应力σmax=72.5MPa<[σ]=140x1.3=182MPa

连接系斜撑最大组合应力σmax=-113.5MPa<[σ]=140x1.3=182MPa

6.5支墩稳定

支墩一阶线弹性稳定系数为6.6，失稳模态为下游辅助支撑墩顺桥向失稳。稳定系数大于相关规范要求的4.0。

6.6锚固桩竖向承载力计算

单桩轴力最大值N=772kN,

单桩竖向承载力允许值

6.7锚固桩水平承载力计算

锚固桩最大侧向支承反力R=426kN,则桩对地基侧压力

σmax=kPa

栈桥为临时结构，地基安全系数可取1.5,则地基允许压应力[σ]=1000/1.5=667kPa

σmax<[σ]=667kPa

参考文献：

[1]《铁路工程施工组织设计指南》(铁建设[2009]226号)；

[2]《施工现场临时用电安全技术规范》（JBJ46）；

[3]《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004)

[4]《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025-86）

[5]《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63-2007）

[6]《港口工程荷载规范》（JTS144-1-2010)

[7]《钢结构设计规范》（GB50017-2003)