建设大桥水中施工平台钢结构设计及施工

建设大桥水中施工平台钢结构设计及施工

作者：沈强

来源：《城市建设理论研究》2013年第27期

摘 要：本文介绍了在覆盖层很厚的河床上，充分利用钢管桩、钢护筒，搭设钻孔桩操作平台的设计和施工。操作平台主要承载为钻机、钻机配套机具、脚手板、人、钢筋笼。需要进行平台整体地基承载力验算，平台钢梁强度验算。 关键词：建设大桥；平台钢结构；设计；施工

Abstract: This article describes the covering layer is very thick riverbed, full use of steel pipe piles, steel casing, erection bored piles operating platform design and construction. Main bearing for the operating platform rig, drilling rig equipment, scaffold boards, man, steel cage. Need for Ground Bearing Capacity overall platform, platform girder strength checking. Keywords: building bridges; platform steel; design; construction 中图分类号：TU74文献标识码：A 一、工程概述

建设大桥地处江宁区方山村，是跨越外秦淮河连接江宁经济技术开发区与江宁区民营科技园的黄金大桥。设计为双幅桥，每幅桥单向四车道，外侧设人行道。桥梁为三跨，两个边跨为54m中跨为82m。下承式系杆拱结构。全桥水中承台8个，水中砼灌注摩擦桩每个承台6根共48根。桩长48.7～56m，桩径φ120cm。常水位7.50m，最深处水深达5m以上。由于河床底为淤泥质软塑土且覆盖层较厚，如果采用围堰筑岛方法钻孔施工，不仅填土工程量大、不经济，而且耗费时间长，难以满足工期要求。此桥位于江宁区外秦淮河上，由于外秦淮河为南京地区水路交通及泄洪的主要河流，桥梁施工中还必须保证通航和泄洪要求。本文就桥梁基础施工所用施工平台进行讨论。 二、钢结构设计及施工 钻孔桩施工平台方案选择

建设大桥河床覆盖层厚，水文地质复杂，考虑通航泄洪要求，桩基钻孔施工必须搭设施工平台。搭设钻孔平台的方法因地制宜，多种多样。经过比较，本工程选择钢管桩支撑与钢护筒相结合这种平台的施工方案。打设钢管桩，初步定位平台外框架，精确定位桩位打设钢护筒，搭设平台上部结构。此方案优点：①利用钢管桩打设完成平台初步定位，使得钢护筒能够准确定位，保证桩基的平面施工误差在规范允许范围内；②充分利用钢护筒入土的摩擦力，钢护筒

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与钢管桩共同承担平台自重、施工机具等施工荷载。保证整个平台的安全稳定。同时做到节约成本降低造价。 操作平台外形设计

根据每个承台的桩的分布情况以及钻孔桩的施工要求操作面，将操作平台设计如图示。 工况一

距离桥位中轴线较远一侧的桥墩每个桥墩桩基6根，平台下部φ600mm钢管桩8根（2排每排4根），φ1600mm钢护筒6根。上部顺桥向主梁N2长12m，2根；横桥向主梁N1长12m，8根，平台外形尺寸12m×12m。 工况二

由于两幅桥靠近中轴线一侧的桥墩距离较近，将这两个桥墩的施工平台结合在一起搭设，这样进一步节约一部分材料。平台下部φ600mm钢管桩12根（3排，每排4根），φ1600mm钢护筒12根。上部顺桥向主梁N2长12m，3根；横桥向主梁N1长17.6m，8根，平台外形尺寸17.6m×12m。 钢平台结构设计

钢平台设计验算有关参数：

GPS-20回旋钻机，走管长度5.0m，前后走管距离4.8m，钻架中心（钻孔中心）至前走管距离1.5m，钻机及配套机具自重200KN，钻机前后两个走管，走管长度5m范围内四根N1梁参与承载，单个受力点集中荷载为200KN/8=25KN。

脚手板、人群荷载根据有关规范取3.5KN/m2,四根梁所在面荷载7.7m*（1.4+1.8+1.5）m*3.5KN/m2=126.665KN, 换算成单根梁线荷载，126.665KN/7.7m/4=4.11KN/m

根据钻机施工及移动来确定平台上各梁受力的最不利情况，建立受力分析模型。通过对施工平台I与施工平台II进行比较，平台I钢梁受力较不利，采用工况I进行钢梁的应力验算设计。施工过程中平台II上要求有两台钻机施工，工况II整体荷载较大因此平台整体承载力验算采用工况II。 3.2.1 N1梁

N1梁：（不考虑悬臂段人群、脚手板荷载，以单跨简支梁计算） ⑴工况a内力计算图示

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①计算人群引起的支座反力 ②计算集中荷载引起的支座反力 ， ，

③计算剪力绘制剪力图：

（将人群荷载与集中荷载产生的剪力图进行叠加得到） （max）

④计算各要点弯矩绘制弯矩图求最大弯矩： N1梁工况a时各截面弯矩： （max）

⑵工况b内力计算图示 ①计算人群引起的支座反力 ②计算集中荷载引起的支座反力 ， ，

③计算各要点剪力绘制剪力图：

（将人群荷载与集中荷载产生的剪力图进行叠加得到） ④计算各要点弯矩绘制弯矩图求最大弯矩： N1梁工况b时各截面弯矩： 钢梁N1由荷载产生内力取值： 3.2.2 N2梁：

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N2梁为三跨不等跨连续梁，根据FT3-01图示作用力分别分配在第一跨与第二跨。不考虑作用在第二跨的力对整个结构偏安全，将整个结构简化为以第一跨简支梁计算。 ①计算人群引起的支座反力 ②计算集中荷载引起的支座反力 ，

③计算剪力绘制剪力图：

（将人群荷载与集中荷载产生的剪力图进行叠加得到） ④计算各要点弯矩绘制弯矩图求最大弯矩： N2梁各截面弯矩： （max）

钢梁N2荷载产生内力取值： 内力计算图示 钢梁N1的设计

确定钢梁采用Q235钢，查《钢结构设计规范》（GB50017-2003）Q235钢抗弯强度，抗剪强度

(其中为安全系数)

查《钢结构设计手册》附表（钢材的规格、尺寸及截面特性） 选用2[24a 验算抗弯强度 梁抵抗弯矩： 钢梁自重引起弯矩 验算抗剪强度 梁自重引起梁端剪力

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N1梁确定采用2[24a(轻型槽钢) 整体稳定性验算

计算，取用，N3梁可以看做为N1梁的侧向支承，分配梁N3最大间距，取用； 整体稳定系数： 查表得 局部稳定性计算 受压翼缘宽厚比： 受弯构件腹板局部稳定性 腹板横向加劲肋间距计算

考虑区段内最大弯矩处腹板计算高度边缘的弯曲压应力 考虑区段内最大剪力产生的腹板平均剪应力 考虑弯曲应力影响的增大系数 按构造配置横向加劲肋

外伸宽度：，据《钢结构设计手册》附录查表取 厚度：，取用 0.5h0

支座端加劲肋局部稳定性验算

计算受压截面：两侧加劲肋，2[24a槽钢腹板参与受压长度为 计算稳定系数 Y-Y轴 ①惯性矩计算：

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②回转半径计算： ③长细比及稳定系数计算： X-X轴 ①求算X轴位置 ②惯性矩计算 ③回转半径计算： ④长细比及稳定系数计算 稳定性验算 主梁拼接焊缝验算

购置型钢定尺长12ｍ，在平台II施工时需制作17.6ｍ长钢梁N1，因此需进行拼接，采用拼接板直角角焊缝，手工焊，采用E43××型焊条。焊接时不用引弧板，绕角处连续施焊。荷载内力取值弯矩：，剪力：，以单片[24a计算，荷载以1/2值代入计算。 ①梁截面几何特性

查《钢结构设计手册》附录（钢材的规格、尺寸及截面特性表）得： ②连接计算 翼缘拼接计算

翼缘拼接板及其连接焊缝按其与翼缘板等强度计算。考虑到焊缝的焊脚尺寸，拼接板采用90×20mm其截面积1800mm2，大于翼缘板的截面积，故拼接板本身强度不必计算 翼缘的最大承载力设计值为：

拼接板采用三面围焊，焊缝的焊脚尺寸采用，则拼接板在侧面一边传力所需的焊缝长度为： 其中 ；

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拼接板的总长度l应大于取用100mm 腹板拼接计算 焊缝的截面几何特性

假设焊缝的焊脚尺寸采用，拼接板长度为宽度，厚度为为其重心位置为 ；

焊缝的极惯矩计算

焊缝重心至最大应力点的距离为 ；

焊缝的有效面积为： 焊缝重心处的内力

腹板承受的剪力值，槽型钢剪力主要由腹板承担，故设腹板承受全部剪力，亦即焊缝承受的剪力值为：

腹板承受的弯矩，按公式 最大应力点（“1”）的强度验算 其中

腹板拼接板截面积为大于梁腹板的截面面积故其强度可以不必验算 同上步骤设计钢梁N2，为了材料采购及加工方便仍采用2[24a。 平台整体承载力（以平台II计算）

计算图示依照FT2-01，基础为12根600钢管桩，12根1600钢护筒。根据钢梁应力验算确定各钢梁截面结构尺寸，计算出钢平台上部结构自重。钢平台对地基的整体荷载＝平台上部结构自重+钻机及配套机具+人群脚手板+钢管桩+钢护筒。其中钢管桩、钢护筒的自重与自身的长度有关。钢管桩、钢护筒长度＝打入河床深度+水深+安全高度（高出常水位2m绝对标高在9.5m）（长约10m）。钢管桩、钢护筒打入河床深度依单桩承载力确定。 平台整体承载力验算确定钢管桩、钢护筒入土深度

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平台II上部结构自重 河床以上钢管桩、钢护筒自重 钻孔机具及人群、脚手板荷载 钻机三台：， 人群脚手板： 以上荷载合计

护筒及钢管桩入土深度计算 单桩承载力公式（按摩擦桩计算）： 其中：[P]――单桩轴向受压承载力； u1――桩（护筒）的周长（m）， u2――护筒的周长（m）,

Li――桩（护筒）在河床下各土层厚度（m） fi――与Li的各土层与桩壁极限摩阻力 将各土层参数代入试算，如下表

通过以上计算表明，当钢管桩、钢护筒打入河床中2.2m左右，即能满足钻孔承载力要求。

钢护筒入土深度

另外，钢护筒埋入深度还应满足钻孔的要求。钻孔过程中护筒内必须有一定的压力水头保证孔壁不至坍塌，又要求护筒入土有一定深度保证泥浆不至于从钢护筒刃脚位置漏水，一般为4.0m以上。考虑河床不平整，钢管桩、钢护筒加工定尺等因素，确定钢管桩、钢护筒均加工为10m长。安全系数已经超过原设计要求。在此不再进行承载力验算。 平台施工

钢护筒、钢管桩、钢梁制作

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钢护筒长10m考虑闭水等要求，采用6mm钢板卷制而成工厂加工，整节制作。整体打入河床。钢管桩采用6mm钢板卷制而成，分节制作设法兰盘，分段打入河床。钢管桩内径600mm，钢护筒内径1600mm。钢梁采用2[24a拼接。钢结构各部位施工验收工作严格按照《钢结构工程施工质量验收规范（GB50205-2001）》执行。 钢管桩（钢护筒）施工

①施工设备：300KN浮吊船一艘，带DZ90型震动锤头，一台200KW发电机组。 ② 施工顺序：先打设平台四个角的钢管桩，然后加打其他各桩；

③施工方法：首先在浮吊前舷安装导向架，浮吊吊起DZ90震动锤与钢管桩（钢护筒）利用法兰盘连接；浮吊浮运钢管桩（钢护筒）至墩位。将打桩船抛锚定位在桥墩位置附近，（打桩前计算每根钢管桩、钢护筒的中心坐标）用两台全站仪使用前方交汇法定位要打设的桩（护筒）。使用浮吊上的辅助卷扬机收放锚缆使导向架初步定位至桩（护筒）位置，松摘吊钩，钢管桩（钢护筒）在自重作用下沿导向架沉入河床表层。检测调整钢管桩（钢护筒）位置符合设计、规范要求，开动震动锤，钢管桩在导向架中垂直下沉至预定深度。（主控顶标高）在钢管桩下沉的过程中，应分多次震动下沉，并在每次震动后，用全站仪观测，适时用两边风缆调整，保证钢管桩（钢护筒）偏差不大于5cm且倾斜度不大于1％。 平台上部施工

当钢管桩全部打设完毕后在钢管桩顶焊接垫板找平，将N2钢梁吊装焊接在钢管桩顶，将外围N1钢梁吊装焊接在N2钢梁上。在初步成形的平台上精确放出基础桩位，采用以上所述方法打设钢护筒。钢护筒打设完毕后，在护筒外侧顺桥向焊接牛腿，再在牛腿架设安装剩余的N1钢梁，两端仍落在钢梁N2上，如有高差且不大于5cm，在钢梁N2或牛腿上用垫板找平，保证钢梁N1在钢管桩、钢护筒上受力均匀。在所有的钢梁N1安装焊接稳固后，在钢梁N1上安装分配梁N3。钢梁N3安装时需让出钻孔位置，不能影响钻孔作业。铺设脚手板。安装平台外围安全护栏张挂安全网。安全护栏必须与平台钢梁牢固焊接，安全网张挂不留任何孔洞，防止平台上人员落水。平台四周加设警示标志，防止过往船只冲撞。 结束语

实践证明利用以上平台作为钻孔施工，从打设钢管桩到钻孔桩机上台组装施工，每个平台仅需6天，极大的缩短了施工周期，加快了施工进度。该方案充分的利用了钢管桩的定位功能，亦充分发挥了钢护筒的承载能力。保证整个钻孔钢平台精确、稳固、安全，还能够重复倒用，做到节约成本。在建设大桥的施工过程中确保桩基分部工程各项指标均达到市级优质工程标准。 参考文献

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《钢结构设计手册》（GBJ17-88版） 罗邦富、魏明钟、沈祖炎、陈明辉编著中国建筑工业出版社

《钢结构设计规范》（GB50017-2003） 《琼州大桥论文集》 周明 主编 人民交通出版社

《建筑结构静力计算手册（第二版）》 中国建筑工业出版社 《桥梁工程》姚玲森 主编人民交通出版社

《结构设计原理》 叶见曙主编 袁国干主审人民交通出版社