肇庆大桥扩建工程 (以下简称新桥) 在原肇庆大桥 (以下简称旧桥) 上游修建, 两桥结构形式相同, 建成后将成为并列平行分离式双幅桥梁 (见图1) 。旧桥上部结构形式为6跨 (86+4×136+158+78) m全预应力混凝土连续-钢结构组合箱梁;下部结构主墩为等截面空心墩薄壁桥墩, 基础采用钻孔灌注桩。承台采用整体式承台, 平面尺寸为17.2m×10.1m。桩基为6φ2.7m钻孔灌注桩, 呈规则矩形布置。主墩桩基按端承桩设计。

桥位江面宽约1.2km, 水深为8~15m, 最大潮差3.5m, 施工常水位2.5m。桥址所处西江属珠江三角洲水系, 多年平均年径流总量为2 277亿m³, 一般4—9月为丰水期, 12月至次年3月为枯水期。

根据新桥《岩土工程勘察报告》, 独立钢平台位置处砂层厚度为10~13m, 其中, 新桥44号墩台XQZK144钻孔测得粗砂层厚为13.7m, 考虑冲刷效应选取粗砂层为11m。XQZK144钻孔地质层的相关参数如表1所示。

根据独立钢平台位置相关水文地质情况进行分析计算, 初步拟定平台总体布置形式如图2所示。钢平台长25m、宽21m、顶标高9.000m。单个钢平台设置25φ630×12钢管桩, 平均入土10m, 桩顶标高6.932m, 桩底标高-23.068m。贝雷片上分配梁采用I20b, 间距30cm。平台面板为8mm厚花纹钢板。桩间纵横向设置[20b平联。

为防止汛期水流冲击, 拟采取以下措施。

1) 加强独立钢平台与钢护筒的联系, 采用I20b将钢护筒与周边φ630×12钢管桩焊缝连接, 连接位置与钢平台平联位于同一高度。

2) 在独立钢平台下游指定位置打设2根锚固桩, 并采用I20b将独立钢平台与锚固桩焊缝连接, 连接位置与钢平台平联位于同一高度。

3) 在锚固桩与旧桥主墩承台间采用φ325×3钢管连接, 把独立钢平台、钢护筒、锚固桩和旧桥主墩承台连接到一起。加固如图3所示。

经过设计计算, 2φ325×3钢管撑在达到屈服强度时, 传递给承台最大横向水平力为1 000k N。当钢管撑轴力继续增大时, 钢管撑先发生屈服破坏, 承台不会继续受力, 钢管撑起到保险作用, 所以称为保险撑。根据旧桥设计图纸及计算复核, 旧桥水平承载力远>1 000k N, 即该保险撑设计不会对旧桥产生破坏影响。

4) 定时监测钢平台河床冲刷程度, 并在汛期前加大监测力度。如果冲刷发展较快、较深, 冲刷总深>3m时, 及时采用抛填袋装土、片块石、碎石等措施进行主动防护。

5) 汛期前对钢平台上游大体积漂浮物及潜在漂浮物清理整治。

在独立钢平台下游, 利用项目上既有150t浮吊起吊首节φ630×10锚固桩, 吊至设计指定位置, 慢慢沉入水中, 用GPS定位系统确定桩位与桩的垂直度满足要求后, 开动90型振动锤振动, 振动过程中不断观测桩位与桩的垂直度, 发现偏差应及时纠偏。第1节锚固桩到位后, 用浮吊提升第2节锚固桩, 确定桩的垂直度后, 焊接2节锚固桩成整体, 焊缝质量应满足要求。启动振动锤继续下沉锚固桩, 锚固桩入土深度应≥10m。

旧桥承台表面预先安置600mm×600mm钢锚板, 板厚12mm, 便于焊接锚固桩, 同时也能分散集中应力。具体施工方案为:锚板下料、加工。锚板四角上提前钻出φ23mm的螺栓孔。将原肇庆大桥主墩承台指定位置 (设计位置位于水面以上) 混凝土表面清洗、打磨洁净, 凿除表层腐蚀风化混凝土, 并使混凝土表面平整。使用一般手电钻在固定位置钻孔, 孔位与锚板螺栓孔对齐。对准锚板与承台位置, 预紧M20螺栓。

φ325×3钢管保险撑下料、加工, 预先加工出合适尺寸圆弧与φ630×12钢管桩贴合。使用150t浮吊起吊保险撑, 与钢管桩对准, 并简易固定。人工在运输船上手动焊接保险撑与钢管桩, 现场及时检查焊缝质量。而后进行保险撑与旧桥承台锚板焊缝施工。

使用测深仪定期对钢平台周围河床标高进行测定, 绘制冲刷曲线, 研究冲刷规律, 掌握冲刷发展。如果河床冲刷较快、较深, 冲刷总深度>3m时, 应及时抛填袋装土、块石、碎石等措施进行主动防护。

1) 恒荷载考虑结构自重, 自重系数取1.2。

2) 活荷载考虑风荷载、水流力, 活荷载系数取1.4。其中风荷载按照桥址区10年一遇取值, 基本风速V₁₀=22.1m/s。

3) 水流力考虑水流遮流影响, 不考虑紊流与结构共振影响, 最大洪峰流速取3.0m/s。

按最不利原则选择整体独立钢平台及锚固桩等加固措施进行受力分析, 根据前述工序流程, 本设计主要考虑以下2种荷载工况。

1) 工况1汛期水位为7.0m, 钢管桩整体浸入水中, 贝雷梁未浸入水中但承受风荷载。该工况下水平荷载同时考虑风荷载及水流作用。

2) 工况2汛期水位为9.0m, 独立钢平台整体浸入水中。该工况下水平荷载考虑钢管桩及贝雷梁受水流作用。

采用桥梁通用有限元计算程序MIDAS/Civil建立独立钢平台、钢护筒、锚固桩整体模型, 均采用梁单元模拟。钢护筒、钢管桩与土壤边界条件模拟为弹簧单元, 不同深度弹簧刚度依据M法计算各土层m值 (见图4、表2) 。

各计算结果均取自2种工况的最不利结果。

1) 工况1即汛期水位7.0m时, 独立钢平台及加固结构共承受水流荷载1 379k N, 其中钢护筒、钢管桩、旧桥承台分别承担462.6 (33.6%) , 238.7 (17.3%) , 677.6k N (49.1%) , 与旧桥承台、钢护筒和钢管桩的刚度大小情况匹配。且旧桥主墩承台承受荷载小于设计横向荷载1 000k N。

2) 工况2即汛期水位9.0m时, 独立钢平台及加固结构共承受水流荷载1 402k N, 其中钢护筒、钢管桩、旧桥承台分别承担465.9 (33.2%) , 242.8 (17.3%) , 693.7k N (49.5%) , 与工况1比例几乎一致, 进一步印证了刚度大小决定分配力大小。且旧桥主墩承台承受荷载小于设计横向荷载1 000k N。

前述计算结果表明各构件的强度:σ_max=200MPa (<215MPa) ;刚度:δ_max=43mm, 均能满足设计要求。

如图5所示, 保险支撑体系由2φ325×3钢管组成, 独立钢平台横向荷载一部分经保险撑传向肇庆大桥承台。其截面特性如表5所示。

钢管撑自由长度l=7.51m, 长细比λ=ul/i=65.97, 查表GB50017—2013《钢结构设计规范》得稳定系数φ=0.78。

钢管撑屈服时最大轴向力F_n=235×0.78×30.348/10=556k N。

此时, 2根钢管撑对肇庆大桥原旧桥承台合力为F_y=2×556×cos25°=1 008k N。即2φ325×3钢管撑在达到屈服强度时, 传递给承台最大横向力1000k N。当轴力继续增大时, 钢管撑先发生屈服破坏, 承台不会继续受力, 钢管撑起到保险丝作用。

2017年7月, 新桥独立钢平台迎来20年一遇洪水, 实测洪峰水位9.95m, 洪水流速2.8m/s, 最大洪峰流量43 500m³/s。钢平台最终成功抵抗住洪水的冲击考验, 仅部分面板需要维修, 更加印证了设计加固方案的正确可行性。

该桥独立钢平台的设计及防洪加固设计方案成功地经受住了20年一遇的洪水冲击考验, 主要有以下结论。

1) 该临时钢平台的设计很好地解决了施工便利安全性与经济性的矛盾, 达到了一个施工便利安全与经济性的平衡点。

2) 在对临幅桥不产生破坏性影响的前提下, 使独立钢平台、钢护筒和临幅桥承台共同抵抗汛期洪水冲击作用的设计思路是行之有效的。

3) 临时钢平台加固设计的数值分析计算与实际情况基本符合, 进一步印证了计算的正确性与可行性。