钢栈桥在超深超大基坑土方工程中的应用

1工程概况
太古汇B区基坑采用中心岛法进行施工，周边反压土方量达24万m3，前期西侧已有出土坡道。由于反压土方量大，工期紧张，仅利用西侧坡道出土无法满足进度要求，且占用了地下室结构车道位置并影响西南角内支撑施工。选择在基坑东北角设置钢栈桥，一方面充分利用了该处结构的半逆作设计，栈桥安装完成投入使用后不影响栈桥下部结构的逆作施工，加快了主体结构的施工进度(若采用土坡则无法进行逆作);另一方面西侧出土坡道退挖破坏后剩余的土方均可通过钢栈桥外运，提高了出土效率。
栈桥布置于基坑东北角，桥面在－12.000m标高逆作区反压土以上，桥面最低处标高约－12.840m，桥面最高处标高约0.480m，设计水平长度约88m，宽7m，坡度约9°，栈桥柱采用H500×400×12×20H型钢柱，并在桥面布置横向主梁与纵向次梁，桥面板满铺钢板并做防滑措施。
2设计计算
采用有限元分析软件SAP2000进行设计。20mm厚桥面钢板自重按2.12kN/m考虑。
2.1荷载计算
1)竖向荷载
同时考虑每排2辆共计10辆50t自卸车在栈桥上行车，其中1排车辆为满载(50t)，另一排为空车(自重19t)。车身尺寸为8010mm×2498mm×3398mm。
2)水平荷载
50t自卸车由于倾斜行驶产生的水平力由程序考虑，水平制动力按加载长度上竖向荷载的10%考虑。
2.2加载方式
1)汽车荷载汽车共10组车轮，分3排，后面2排为8个车轮，横向按标准双车道加载，如图1所示。计算中考虑轮宽为600mm，满载车后轮轴质量为45t，后轮轴距约为1350mm，2车共16个车轮8处加载，满载每处加载值为208.3kN/m，空载每处加载值为83.3kN/m，水平荷载值为12.5kN。


2)车道荷载纵向车道按最不利位置布置，车轮轴距为3225mm+1350mm，选取6种布载方式，柱间最多布置并排2辆车，计算中仅考虑后轮作用，后轮轴质量取50t，后轮轴距为1350mm，水平荷载取50kN，加载于汽车下车轮范围内每道水平次梁上。
3)温度荷载
考虑升降温各30℃。计算中设定各杆件截面如下:纵向主梁截面为H600×300×12×24，次梁截面为H500×400×12×20，钢柱截面为H500×400×12×20，斜撑及环梁截面为H300×300×10×15，结构总用钢量334t，其中桥面板采20mm厚钢板。
2.3计算结果
考虑到柱底嵌固在坚硬基岩内的高为2m的Φ1200mm混凝土柱中，计算中假定柱底为刚接;梁与柱、斜撑与柱均为刚接。连墙件与钢柱部分刚接、部分铰接。荷载组合为:1.2恒荷载+1.4活荷载;1.2恒荷载+1.4活荷载+0.98温度荷载。
由计算结果可知，钢柱以承受轴力为主，柱底弯矩很小，这是因为水平荷载大都以轴力或剪力的形式通过连墙件和预埋件传递给混凝土结构。
由于结构纵向约束较小，温度荷载引起内力不大，柱顶引起的位移29.6mm＜12500/400。栈桥结构杆件应力比如图2所示。


可以看出，跨中主梁杆件应力比达到0.54，次梁杆件应力比最大为0.71，满足要求。钢柱杆件应力比最大为0.836，满足规范要求。
2.4验算
由于在地下2层支撑安装之前栈桥已经使用，尽管栈桥桩内已回填细砂，但所起的作用有限，此时结构可能处于不利状况，为此对其进行验算。由计算结果可知，杆件最大应力比为0.854，满足要求。
泥头车行驶到水平次梁中间时，次梁验算:①加载方式1整个桥面布置10辆满载车;②加载方式2整个桥面布置10辆满载车和10辆空车。
按照加载方式1，2的位置直接在钢板的相应位置施加面荷载。满载每处加载值0.962kN/m2，空载每处加载值417kN/m2，水平荷载值12.5kN。经计算，加载方式1导致水平方向次梁产生的扭矩最大为0.7kN·m;加载方式2导致纵向方向次梁产生的扭矩最大为1.97kN·m。由扭矩产生的剪力:τ1=0.08kN;τ2=0.116kN。
1)道板计算
横梁的布置间距为1350mm，车辆最多只有1排落在道板中，当车轮落在道板中间时最不利，取整体模型中一跨栈桥钢板进行验算。其中，钢板取20mm厚，将轮胎传递的荷载转化为等效均布荷载937.5kN/m2。
经计算，在汽车荷载作用下，桥面钢板的最大弯矩为8.2kN·m，钢板最大应力为128.7N/mm2，钢板自身最大竖向变形为5.5mm，满足规范要求。在1.2恒荷载+1.4活荷载的组合荷载作用下，钢板的最大应力为182.3N/mm2。钢板应力过大，在钢板每个区格各1/3处，沿纵向在钢板下表面上焊接└100×10加劲肋，用以提高钢板的刚度，减小其竖向位移。
2)支座验算
钢柱最大轴力1147.75kN，柱脚底部混凝土经抗压、抗剪计算及底部基岩承载力经计算均满足要求。
3)连墙件验算
轴力最大为521.77kN，采用在连续墙上植筋以满足受力要求。
3施工重点难点
3.1型钢柱脚板处理措施
H型钢柱下半部分在人工挖孔桩内，型钢柱的基部处理、节点处理、垂直度控制也是一个难点。型钢柱下部可以做成500mm厚、直径同人工挖孔桩直径的混凝土基础，H型钢脚板上部浇筑1500mm混凝土包裹柱脚。但是为了保证混凝土的完整性，此2000mm厚的混凝土必须一次浇筑。经过分析讨论，具体措施为:H型钢柱下部500mm厚的基础配适量钢筋，并且钢筋笼内竖向焊接4根小角钢承重架(用于承受型钢柱的质量)，然后将型钢柱吊装放入人工挖孔桩内，放在钢筋笼上;在人工挖孔桩口(约－12.000m标高处)焊接“井”字形固定架，将型钢柱测量定位后，把H型钢柱与“井”字形固定架焊接牢固(这样可以保证型钢柱的位置及垂直度)。定好位后便浇筑C30混凝土，混凝土的浇筑标高控制在－23.500m。
3.2栈桥最底端柱与土体接触处的处理措施
由于栈桥下到最底端后的临时道路是土路，因此最底端的土体及车辆荷载对栈桥柱可能产生侧压力，控制并平衡这部分土体的侧压力也是一个重点。采取措施是根据现场情况分析，栈桥最底端的柱在逆作区一侧留有约16m宽的土可以平衡在道路一侧土体产生的侧压力，栈桥柱两侧的土方均按一定坡度放坡处理。当出土至只剩下道路附近最后一部分的土方时，控制运土车辆不从土路上经过，此时栈桥柱两侧的土必须保证均匀开挖，使柱平衡受力。
3.3半逆作区与栈桥的进度之间的关系
半逆作区与栈桥同时施工，二者的进度可能不同，控制好相互之间的关系至关重要。逆作区与栈桥的进度应根据现场情况确定，若逆作区施工的进度慢于栈桥施工的进度，则－12.000m以上栈桥自身支撑先施工，－12.000m以下栈桥自身支撑后施工，待逆作区内的土出至－16.000m标高以下后再施工栈桥支撑。若逆作区的进度快于栈桥进度，则－12.000m以下和以上栈桥自身的支撑均可先施工，受逆作区的进度影响很小，甚至可以适当借助于逆作区的楼板。
3.4连接钢栈桥道路施工
坡道宽4m，分3段，分别为－12.804～－16.200m，－16.200～－19.200m，－19.200～－23.500m。施工此3段道路时该处10根钢支撑在出土阶段不施工。其中－11.200m的6根钢支撑采用预应力锚索代替钢支撑。
4施工工艺
4.1人工挖孔桩
栈桥柱采用人工挖孔桩成孔后，再将型钢柱放入桩内，定位后－23.500m标高下浇筑混凝土。共施工22根人工挖孔桩，桩径1200mm，桩身混凝土强度等级C35，护壁混凝土强度等级C20。桩端持力层为微风化岩。施工工艺流程:放线定桩位及高程→开挖第1节桩孔土方→支护壁模板(放附加钢筋)→浇筑第1节护壁混凝土→检查桩位(中心)轴线→架设垂直运输架→安装电动葫芦(卷扬机)→安装吊桶、照明、活动盖板、水泵、通风机等→开挖吊运第2节桩孔土方(修边)→先拆第1节支第2节护壁模板(放附加钢筋)→浇筑第2节护壁混凝土→检查桩位(中心)轴线→逐层往下循环作业→检查验收→浇筑封底混凝土→吊放钢筋笼→放混凝土溜筒(导管)→浇筑桩身混凝土(随浇随振)。
4.2桥体结构
栈桥所用钢柱采用H500×400×12×20，钢梁选用3种型号:GL1为H600×300×12×24，GL2为H500×400×12×20，GL3为H300×300×10×15，栈桥的支撑选用H300×300×10×15，桥面板采用满铺钢板。为提高栈桥的稳定性，在地下连续墙上对应主梁标高进行植筋并设置埋件，主梁与埋件焊接。
4.3桥头与0.500m标高处节点处理措施
采用钢筋混凝土墩的形式，并在墩中预埋埋件进行连接。
4.4安装流程
采用50t汽车式起重机从西向东进行安装，总体吊装平面如图3所示。


1)柱脚定位并安装就位。
2)型钢柱安装型钢柱各分段采用摩擦型高强螺栓连接。
3)主梁安装主梁与型钢柱采用高强螺栓连接。
4)斜撑安装斜撑与型钢梁柱采用焊接连接。
5)次梁安装次梁腹板与主梁采用高强螺栓连接、翼缘与主梁翼缘焊接。
6)桥面钢板及栏杆安装桥面焊接20mm厚Q235B钢板，并在钢板上焊防滑钢筋。
7)栈桥引道硬化栈桥引道用混凝土硬化。
4.5钢栈桥区域结构逆作
1)第1步开挖土方，分层施工预应力锚索，至－13.500m标高时，从?轴以南4m处按1∶1放坡(见图4a)。

2)第2步在－