一、工程概况
1、概述:
杭州市钱江四桥位于钱江大桥下游4.3公里,南星桥1#码头上游约200米处;北端跨越滨江公路通过复兴立交桥与杭州市已建的中河高架路相连,构成了一条连接杭州市中心与滨江新区的便捷通道。桥位处江面规划宽度为1160米,桥梁设计全长1376米,主桥设计采用钢管砼双主拱方案,其计算跨径组合为2×85 190 4×85 190 2×85,其中85米跨为下承式系杆拱桥和上承式拱桥的组合,190米跨为下承式系杆拱桥和中承式拱桥的组合。两侧引桥均为双层3×45米跨高强预应力砼箱梁结构;全桥的跨径组合为3×45 90 89 196 4×89 196 89 90 3×45。主桥上、下层均不设纵坡,上层桥面的中心标高32.315米,为6车道的快车道,下层桥面的中心标高18.60米,为过江轻轨和人行通道,通航标准按国家四级航道设计,最高通航水位为6.123米,通航净高10米,航道宽度80米。190米跨部分桥梁的横断面宽度为30.6米,引桥及85米跨部分桥梁的横断面宽度为25.0米,引桥上层设4.0%的纵坡,下层设2.0%的纵坡。桥梁上、下层等宽,外形结构美观,整体性好。
2、水文气象:
钱江流域位于南风活动地区,雨量充沛,四季分明,每年3~6月份为梅雨季节,7~10月份为台风期,常伴有暴风雨,若与大潮汛相遇,将会出现特高潮位,钱江涌潮举世闻名,近几年来由于河道进一步整治,下游河道主槽趋向顺直,主流偏北,涌潮较以前更大,本河段七月份前后低潮位最低,八、九、十月份高潮位最高。闸口站历年最高潮位 7.56米,历年最低潮位 1.19米,最大涨潮差2.98米,最小涨潮差0.01米,平均涨潮历时1小时33分,平均落潮历时10小时52分。潮流为往复流。潮流流速按百年一遇设计为4.1m/s。桥位处百年一遇高水位为8.52米,低水位为1.23米,三百年一遇洪水位为9.08米,施工期间洪水与涌潮按10年一遇的频率设计。
3、工程地质:
桥址区上覆第四系覆盖层厚度变化较大,近山前的杭州岸较薄,在2#墩处最薄为28.1米,向萧山方向渐厚,在15#墩处最厚达59.40米,按其时代、成因和物理力学性质可分为三大层。第一层为素填土及最新河流冲积相沉积的流塑~软塑的亚砂土、亚粘土及松散~中密状的粉、细、中砂,层厚11.4~35.1米,第三层为晚更新世冲相沉积的圆砾土及砾砂层,层厚1.25~19.85米。下伏基岩为侏罗系上统(J3a)的火山岩层及白垩系下统朝川组(K1C1)的陆相碎屑沉积岩,两者呈断层不整合接触,以钱塘江断裂为界,东南侧岩质软弱,工程性能差。西北侧6#、7#墩基岩受构造影响较重,发育有断层破碎带,差异风化显著。
4、施工特点:
本工程水文及地质情况复杂,桥位处受涌潮影响严重,若采用水上船舶施工,对施工船舶的适应性能要求很高,泊锚困难,作业时间有限,其基施工段由于墩位多,工作量大,且受上部结构安装时机的限制,组织流水作业困难,要求投入大量的船机及起重设备,且该河段交通运输船舶繁忙,因此,施工期间,航道管理困难。工程质量、进度及船舶机设备的安全均难以保证。从该河段已建及在建的桥梁的施工情况看,采用栈桥彻底摆脱涌潮影响的施工方案已十分成熟,有大量的成功经验可供借鉴。其上部结构均为安装构件,工作量十分巨大,安装精度极高,而桥位处地势平坦,受台风影响严重,故要求上部结构安装工艺简便快捷,安装精确。针对上述具体情况,经多方面比较,我局提出了如下施工方案:一、基础阶段采用单栈桥陆上施工,不仅可省掉大量的船机设备,且对工程的质量进度和安全有充分的保障。二、上部结构施工阶段采用双栈桥、龙门吊及少支架施工方案,其施工工艺简单,方便快捷,且安装精度高。
三、栈桥设计:
1、纵向轨道梁:
龙门吊大车行车系统设计间距为24.0m,考虑到栈桥在使用过程中对称均匀受力,初步将栈桥的设计跨度定为12.0m,轨道拟采用单层三排贝雷桁梁,设计最大单轮压力为26t,每组滑车的前后轮距为1.8m,结合轨枕的布置,取如下计算图求。
△ ① △ ② △ ③ △
12.0m 12.0m 12.0m
当荷载作用在①③跨时为弯距最不利位置:
查弯距影响线图表得:
Mmax=2×l×f
=0.289×12×52t
=194.208t.m<[M0] =224.64t.m
最大挠度查表得:
Fmax=K×(pl3/100EI)
式中:
K——挠度系数取为2.716
P——为集中荷载为52t
L——为计算跨度12m
E——弹性模量为2.1×107t/m2
I——惯矩为7.515×105cm4
Fmax=2.716×(52/123)/(100×2.1×107×0.007515)
=1.55×10-2m
=15.5mm<l/600=20mm
剪力计算:
Vmax=K×P
=1.34×52
=69.68t<V0 =69.89t
故均符合要求
2、钢管桩设计
1)桩长计算:
桥位处河床较为平缓,河床顶标高从 00.34m至-2.09m,河床平均标高按-1.0m计算,栈桥的顶标高为 10.0m,桩顶标高为 7.85m,采用Φ800×8钢管桩,单桩承载能力按50t计算,使用过程考虑河床有2.0m的冲刷,河床上部覆盖层一般为淤泥质亚粘土、亚砂土,土层的极限摩阻力τ1=20Kpa,每墩采用4根管桩支承轨道梁,设计时不考虑闭塞效应和群桩效应。由于在桩入土范围内有多层砂层分布,综合考虑2米粉砂层作为持力层,取L=25Kpa,则:
P=K. λs.U∑τili
式中:K——安全系数取为0.65
λs——挤土效应为0.87
U——桩周长2.513m
P=K.λs.u.(τ1×l1 τ2×l2)
则:l1=(P-Kλs.u. τ2.l2)/(kλJ.u. τ1)
=(5×105-0.65×0.87×2.513×25×103×2)/
(0.65×0.87×2.513×20×103)
=15.1m
桩长∑l=l0 l1=7.85 1 15.1 2 2
=27.95m
2)沉降计算:
栈桥墩支承桩的沉降按单桩简化计算如下:
S=△c △k=Nl0/EA 2Nh/3EA N/COA0
式中:N——桩顶竖向压力为N=50t
E——材料弹模 E=2.1×105N/mm2
L0——冲刷线以上桩长L0=10.85m
H——冲刷线以下桩长h=17.1m
A——桩的横断面积 A=20106mm2
CO——桩底平面的地基竖向地基系数CO=moh
MO为桩比例系数,亚砂土层取MO=3000KN/m4
则CO=3000×103/10.2×1.71×104
=5.13×10-2N/mm3
A0——桩底平面的作用面积
A0=Л(d/2 h.tgψ/4)2
或A0=1/4Лl12
取两者中的小值。
ψ为土的内磨擦角取ψ=15。
L1为两排桩间距取2.0m。
A01=Л(d/2 htg4/4)2
=Л×(800/2 1.71×104×tg15/4)2
=7.3×106mm2
A02=1/4Лl12
=1/4×Л×20002
=3.14×106mm2取AO=3.14×106mm2则:
S=Nl0/EA 2Nh/3EA N/COAO
=1.285 1.35 3.1
=5.735mm
但在实际使用过程中,作用在单桩顶上的压力均小于50t,且为群桩,故单桩的沉降均在5mm以内,能够满足使用要求。
3、栈桥的结构形式:
1)上游侧:
根据上述计算,结合钱江六桥的实际经验,栈桥采取如图3-1、3-2所示结构图,上游侧桥桥宽6.0m,设龙门吊轨道和运输车辆通道,桥面板采用δ10mm钢板,龙门吊轨道采用P43钢轨,纵向分配梁采用I12.6工字钢,沿宽度方向通长按50cm布置,在桥墩处考虑到如50T履带吊车等起重设备作业需要,局部将纵梁按25cm布置,横向分配梁采用I25a 工字钢,全断面范围内按1.50m的间距布置,在龙门吊作用范围内按75cm布置,龙门吊纵向轨道梁采取单层三排贝雷桁架,在四分之一节点处,需作加强处理,行车道部分纵梁采用单层双排贝雷桁架,桩顶帽梁采用I25a工字钢,每墩5根Φ800×8钢管桩,离桥墩附近采用6根,如图3-3、3-4、3-5所示。
为方便计算,取如下计算图式验算P43钢轨强度
Mmax=KFL
=0.289×26×0.75
=5.6355 m
拉应力:f=M/W W——为截在抵抗矩W=217.3cm3
=(5.6355×104N×103mm)/217.3×103mm3
=259.3N/mm2<[f]
满足强度要求
2)下游侧
下游侧栈桥,只考虑龙门吊的行走轨道和人行走道,宽度按照3.0m考虑,在两轨道之间铺装走道网板,沿宽度方向按50cm间距通长布置[10槽钢作为纵向分配梁,横梁采用I25工字钢,沿纵向按75cm布置,龙门吊轨道采用单层三排贝雷桁架,每跨跨度12.0m,每个栈桥墩采用4根Ф800钢管桩,壁厚δ=8mm,桩长工27.95m,考虑到下游侧栈桥宽度较小,为保证让其有足够的侧向钢度,设计时应将4根桩连成整体,其结构形成与上游侧的栈桥的龙门吊部分相同。
3)由于受龙门吊设计跨度及主墩承台施工时围堰尺寸的限制,栈桥的行车部分,在主墩处要从内侧过渡到外侧,然后又从外侧过渡到内侧,其结构形式如图3-6所示,单幅栈桥渐按564米设计,其所需材料如下表示。
名称 | Φ800(t ) | 贝雷片(m) | I25(t) | I12.6(t) | τ18(t) | δ10mm mm(t) | 走道网(m 2) | τ10(t) |
数量 | 1959 | 7896 | 245 | 129 | 17.24 | 265.65 | 1128 | 28.2 |
考虑其整体稳定性及会车需要,栈桥在桥墩处加宽并与钻孔平台连成整体。
四、支架系统:
结合龙门吊吊装拱肋,安装过程中各分节节段采用少支架系统支承,小拱分三节吊装,大拱分七节吊装,吊装时单节最大重量控制在80t以内,则小拱拱肋吊装时,一跨共需4个支架,大拱吊装时需要12个支架,支架系统拟采用打入桩作基础,上部拼装万能杆件桁架、桩基仍采用Φ800mm壁厚δ8mm的钢管桩。单桩承载能力仍然为50t,桩顶标高 6.0m,每墩采用4根钢管桩,桩中心间距为4.0m,桩顶用δ20mm钢板作桩帽,如图4-1示。主拱支架系统如图4-2、4-3、4-4示。用万能杆件拼装成格构形状,共同承受水平荷截,每个支承立柱为4.0×4.0m,则一个主拱支撑所需的材料如下表示以部分异型杆件:
名称 | Φ800 | Ι18 | δ20 | N1 | N3 | N4 | N5 | N8 | N11 | N26 | N22A |
数量(t) | 182 | 7.2 | 7.54 | 135 | 81 | 24 | 100 | 9.2 | 18.4 | 11 | 10.7 |
一个小拱支架系统所需材料如下表:
名称 | Φ800 | Ι18 | δ20 | N1 | N3 | N4 | N5 | N8 | N11 | N18 | N22A | N26 |
数量(t) | 61 | 2.4 | 2.52 | 24.1 | 13.5 | 5.9 | 19 | 1.51 | 2.87 | 1.04 | 2.31 | 2.4 |
支架系统在拱肋安装荷载作用下的内力及变形,在这里不作详细计算,但在实际过程中,应根据其荷载的分配情况对支架的水平偏位和压缩变形作详细计算,便于控制拱肋的安装精度。
五、施工工艺
1、工艺流程
在这里将④~⑤跨设为1#拱,⑤~⑥跨为2#拱。⑥~⑦跨为3#拱,⑦~⑧跨为4#拱,⑧~⑨跨为5#拱,现假设大桥施工以⑨墩为界,垂直划分为两个标段,则一个标段共需龙门吊2~4台,其施工工工艺流程如图5-1所示。
搭设上游栈桥 → 搭设钻孔平台 ← 搭设拌和站 ← 场面平整
↓ ↓
下钢护筒 预制场建设
↓
预制构件 |
钻孔桩施工
↓
↓ ↓ ↓ ↓ ↓
拱加工制作 |
①~④墩承台施工 ⑤⑥⑨承台施工 搭设下游栈桥 ⑥⑦承台施工
↓ ↓ ↓
⑤⑧⑨墩身施工 搭龙门吊 ⑥⑦墩身施工
①~④墩身施工 1#、5#小拱施工
搭设支架 → 1#、5#下层结构施工 → 2#、4#小拱施工 ← 搭设支架
箱梁施工 | |||||
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