乌干达沼泽区钢栈桥受力分析与施工技术研究

李钦浦 熊排良 林 伟 汪 威 王凯鹏

(1.中交第一公路工程局集团有限公司 北京 100024; 2.武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

沼泽化湿地在东非地区分布广泛，由于长时间淤积，易形成沼泽性湿地软土或软黏土。该土质摩阻力小，承载能力差，且通常带有腐蚀性[]。钢栈桥作为水上施工平台，为陆地车辆通行及桥梁施工过程中的材料运输提供便利，具有承载力大、施工便捷、拆除方便、可重复利用等优点，目前已广泛应用于桥梁、大坝及港口码头等实际工程中[2-5]。近年来，国内不少专家学者对钢栈桥在强震作用、风浪耦合作用，以及复杂地质等环境下的结构响应和施工技术进行了报道[6-8]，但对钢栈桥在沼泽地质环境下的受力分析与施工工艺方面的研究较为少见。本文以乌干达共和国坎帕拉市(Kampala)至恩德培(Entebble)机场高速公路项目中某贝雷梁钢栈桥工程为背景，采用midas Civil软件对该钢栈桥进行受力分析，并对其施工方案进行阐述，以期为今后东非地区沼泽湿地地质下的类似工程建设提供参考。

1 工程情况

1.1 工程概况

乌干达共和国坎帕拉市至恩德培机场高速公路项目，简称“KE”项目，全长51 km，其中主线长37.2 km，支线长14.1 km。由于主线桥在施工过程中需要跨越Nambigiwa沼泽区，而邻近桥位部分无桥梁跨越，因此项目采用架设1座钢栈桥作为桩基施工提供平台、材料运输的通道。

1.2 工程地质条件

Nambigirwa沼泽表面被乔木和灌木覆盖，地表大部分地方常年积水，表层为流塑-软塑状黏土，含植物根系及腐殖质。现场勘察和钻探结果表明，沼泽积水较深，水深约为1.4～6.5 m，水体表层漂浮大量植物，其下为根系。水体底部土层自上而下主要分为3层：①流塑状黑色泥沼，厚度约为2.5～4.4 m，腐殖质含量高达80%～100%；②软塑状土，厚度约为2～2.5 m，以粉质黏土为主；③硬塑的粉质黏土，含粗砂，多以透镜体的形式出现，密实度较高，属中密-密实级。桥梁范围内钻孔主要成份为水，腐殖质土，黏土，粉砂，中砂等摩阻力和承载力较差的土质，部分桩端为中风化或强风化片麻岩，黑白相杂，可见风化后的基岩颜色变浅，岩芯呈碎石状，局部段落呈短柱状。

2 钢栈桥计算

2.1 栈桥结构形式

栈桥两侧用红土粒料填筑便道，全长435 m。桩基施工平台分布在栈桥两侧，左、右两幅各搭设8个平台。栈桥桥墩基础采用外径600 mm、壁厚6 mm的钢管桩，每墩设置2根钢管桩，横向钢管桩中心间距4.235 m，纵向设置1排钢管桩，中心间距分别为4.5 m和8 m。每一桥墩钢管桩顶部放置10 mm×600 mm×600 mm桩帽，桩帽顶面采用双拼I28b工字钢作盖梁，纵横梁均焊接牢固。盖梁定面两侧分别布置3片间距0.45 m贝雷梁，两贝雷梁间每3 m设置1道支撑片，贝雷梁上设置I28b工字钢，间距1.5 m。桥面板采用U形标准桥面钢板，采用2×1.05和4×0.93形式拼接，每段纵向长度为3 m。钢栈桥具体设计参数见表1。

表1 钢栈桥设计参数及基本数据

2.2 计算过程与结果分析

采用midas Civil 2012软件对钢栈桥进行三维空间有限元计算分析，选取一联75 m作为计算模型，计算模型和计算工况分别见图1和表2。

图1 钢栈桥计算模型

表2 钢栈桥计算工况

各工况计算应力和支点反力结果见图2～图5，钢栈桥在工况3、4下的计算结果见表3。有限元计算结果表明：①钢栈桥处于偏载(工况3、4)下为不利情况；②计算贝雷弦杆最大应力均位于贝雷节点(321.6 MPa)和I28b型钢节点(256.6 MPa)，但考虑到实际接触为面接触，且该处为贝雷销接加强处，实际应力小于计算值，除去该点外，贝雷上下弦杆最大应力在-180.4～138.2 MPa范围内(工况3)，小于16 Mn钢许用应力(273 MPa)；③工况4中I28b型钢最大应力达256.6 MPa，在实际运营使用过程中，应在护栏底往中心线方向布置一定的防偏结构，例如焊接一定的倒钩槽钢，使运营车辆不过分偏向一侧。

图2 工况1计算结果

图3 工况2计算结果

图4 工况3计算结果

图5 工况4计算结果

表3 钢栈桥计算结果

3 钢栈桥受力验算

3.1 计算说明

该栈桥上部构造为装配式公路钢桥，每墩柱下部分别设置2根A600 mm(外径)钢管桩基础，钢管壁厚为6 mm，钢管桩纵横向均有水平构件连接，主要对以下2点进行验算：①钢管桩基础的自身强度、稳定性及承载能力；②主桥加强贝雷梁的强度。

3.2 荷载确定及计算

根据实际使用情况，桥面荷载主要为钢栈桥使用中汽-20荷载和架设时履带吊荷载。其中，汽-20荷载根据JTJ 021-89《公路桥涵设计通用规范》确定，履带吊自重500 kN，吊带重100 kN，计算取值600 kN。钢材弹性模量Es=2.1×105MPa，16 Mn钢材许用应力[σ]=273 MPa，[τ]=208 MPa。主要构件荷载计算见表4，当履带吊居中行驶时，横向分配系数取0.5。

表4 主要构件荷载计算 kN

3.3 钢管承载力、稳定性验算

3.3.1承载力验算

本联共26根桩，每个桩所承受的荷载为：P=(496.2+342.5+140.0+71.3+600)×1.5/26=95.2 kN，取P作为钢管的承载力。立杆外径600 mm，壁厚6 mm钢管横截面面积A=(d1/2)2×3.14-(d2/2)2×3.14=11 197 mm2，工作状态下最大的正应力(安全系数取1.4)：σ=1.4×N/A=1.4×95 200/11 197=11.9 MPa，σ<[σ]=160 MPa。表明钢管桩具备足够的内部强度。

3.3.2稳定性验算

根据钢管桩的承载力以及当地地质情况，确定钢管桩入土深度为4.0 m，桥下净空按2.0 m，水深按2.0 m考虑，淤泥层和软土层按5.0 m厚考虑，钢管桩总长度为16 m。通过计算可知：钢管换算截面回转半径i=210.1 mm，长细比为22.3，立杆稳定系数φ为1.0，则钢管稳定承载力容许最大值Nmax=φ×A×f=1 791.5 kN。其中：f=160 MPa。钢管桩稳定性满足要求。

3.4 栈桥纵横向工字钢验算

桩顶以上贝雷梁以下盖梁双拼I28b型工字钢考虑受力方向基本为轴心受压，可不作验算。

横向I28b型工字钢验算。考虑车辆荷载非集中荷载，后轮轴重如达到6 500 kN时为双桥或三桥，按桥梁设计规范中，双桥车辆两轴间距为1.4 m，按照后轮轴重500 kN汽车考虑纵梁上单个轮承载力为125.0 kN，车轮横向间距按2.3 m计算。通过计算可得，最大弯矩M为221.88 kN·m，最大剪力Q为125 kN，则最大正应力、剪应力以及挠度分别为

σ=M/W=221.8×106/(2×4.8778×105)=227.4 MPa<[σ]=273 MPa；

τ=Q/A=125.0×106/6 050=20.7 MPa<[τ]=208 MPa；

f=FL3/(48EI)=(125×103×5.853)/(48×2.1×109×7.481×10-5)=3.32 mm

各项指标均满足要求。

3.5 主跨贝雷梁强度验算

根据《装配式公路钢桥手册》中荷载与跨径组合表查得，4.5 m和8 m跨径小于9.0 m跨径，从表中可知3排单层贝雷梁满足荷载履带-50(汽-20)的受力要求。

4 钢栈桥施工

4.1 施工方法

首先采用震动锤依次对钢管桩进行打设，然后采用吊车对现场拼装完成的贝雷梁进行架设，最后安装桥面梁系。

4.2 施工工艺流程

栈桥施工工艺流程：栈桥设计→方案制定→设备材料进场→施工放样→钢桩插打→焊接剪刀撑→盖梁安装→栈桥组拼成型→汽车吊车安装就位→栈桥精确就位。

1) 测量放线。根据图纸在主桥旁边放出栈桥中轴线，并根据岸基情况，定出栈桥的起始桩位。

2) 桩体质量检查。施工前检查桩体本身是否有裂痕，是否已弯曲变形，表面有无严重的锈蚀和割焊受伤现象，其壁厚应当满足设计要求，对于存在缺陷的桩体禁止使用。

3) 场地。场地平整，便道应具有一定的承载力与水平度，以保证机械的垂直稳定和移动，以及钢管桩、盖梁的顺利焊接。

4) 下部结构施工流程主要分为打桩、钢管桩纵横向加固连接以及盖梁施工3个部分。

打桩。钢管桩采用DZ35震动打桩锤依次打入。用浮吊将其竖直吊起，对准桩位放下。对准好桩位后，用履带吊吊起液压锤，液压夹头夹住钢管桩，初步检验桩体纵横方向垂直度，并在钢栈桥上设置导向装置，确保桩体在锤击过程中始终保持垂直。符合要求后，开动锤将桩打入沼泽土中。当桩底遇到硬物时，桩位易打偏或不垂直，应及时清理调整后再施打。

钢管桩纵横向加固连接。每一桥墩处的钢管桩插打完成后，纵横向采用150 mm×150 mm(δ=6 mm)的槽钢交叉焊接，将各桩连接成整体，保证纵横向稳定并防止出现不均匀下沉。各支撑型钢与钢管桩连接处采用满焊，确保焊缝质量。

盖梁施工。打设好钢管桩后，在每一桥墩处的钢管桩顶部放置10 mm×600 mm×600 mm桩帽，其上放置盖梁。钢管桩的盖梁采用2根I28b工字钢并焊而成。最后将钢管桩、桩帽及盖梁焊牢成为整体。

5) 栈桥桥体安装。贝雷主梁在营地空旷场地内拼装，下面垫枕木，用桁架销子相互连接接长。该桥共有6排2组贝雷，2组贝雷梁端头用米支撑架连接。布置6排贝雷梁布置间距为2×0.45 m+3.365 m+2×0.45 m。连接桁架的所有螺栓螺帽必须拧紧，桁架销子穿到位后必须插好保险销。每跨桥体组装完成，采用履带吊逐孔安装。

4.3 栈桥施工注意事项

1) 钢管桩打入时需按照设计要求达到入土深度，锤桩终止控制应严格遵守相关规范规程；若不能打入设计深度，应及时通知工程部，分析原因后采取相应措施，可临时增加1排钢管作为加强和止推墩。

2) 钢管桩施打完成后，应立即进行钢管桩横向连接、焊接剪刀撑及钢管平联，夜间作业时应提前安装照明设施。

3) 所有钢结构的焊接，包括钢管桩节段焊接、型钢焊接，以及各个连接件的焊接都必须在监理及相关质检人员的监督下进行合格检验。

4) 若受到大风等自然灾害袭击，应尽早撤离所有施工机械和作业人员到安全区域，已经施工完成的区域应采取相应措施保证安全过渡。

5) 贝雷梁支点处必须采用一定措施加强，未加强前履带吊不能前行作业。

4.4 质量保证措施

严格要求管理、技术和现场施工人员执行各级技术检验复核制度；加强施工现场技术管理并落实各项技术管理制度，保证工程质量；现场派专人巡查，严格控制施工质量，确保施工按照设计意图进行；钢管桩、型钢、贝雷片使用前，必须经检查验收，如有质量不符合要求的不得使用；严格按照规范施工，实行全面质量管理；所用仪器必须检测合格，并定期检查。

4.5 安全管理措施

构件吊装和安装须遵守相关安全操作技术规程，水上作业人员须配备安全帽、救生衣、防滑胶鞋、安全带等安全防护用品；遇大风天气时停止一切水上作业，所有栈桥上的设施应采取有效措施保护和固定；便道路口设置限载牌(限载500 kN)和限速牌(限速5 km/h)，并安排专人看护以保证限载限速严格执行；加强对全桥沉降、偏位进行记录，观测的同时对全桥拼装点、焊点焊缝及各型材检查一次，如发现关键焊点焊缝生锈老化、关键型材明显形变，需临时封闭交通，采取补强措施。

4.6 环境保护措施

施工区域始终保持良好排水状态，保护原有植被，尽量减少对周围绿化产生影响和破坏，防止雨季洪水冲刷耕地、植被造成水土流失；开挖或填筑的土质路基边坡应及时采取防护措施，及时对弃方进行压实，并在其表面进行植被覆盖，种植草皮、灌木或树木；施工时应结合地形，做好临时排水及植树种草等绿化工作；油料等避免堆放在沼泽附近，并采取措施，防止雨水冲刷进入水体；出入现场的机械和车辆做到不鸣笛、不急刹车，并对施工无关人员和车辆加以控制，避免或减少噪音。

5 结语

东非沼泽湿地区，地质情况差，桥梁工程施工难度大。本文以乌干达共和国坎帕拉市(Kampala)至恩德培(Entebble)机场高速公路项目中某贝雷梁钢栈桥工程为背景，根据当地地质条件及栈桥实际使用情况确定栈桥荷载组合，并采用midas Civil有限元软件对该钢栈桥进行受力分析。在此基础上制定了钢栈桥的施工方案，并对栈桥施工注意事项及施工过程中的质量保证、安全管理和环境保护等措施进行了阐述，可为今后在乌干达等东非沼泽地区进行类似重要临时工程的建设提供参考。