双向通航多跨高墩装配式钢栈桥设计

黄乐乐

(广西路建工程集团有限公司 南宁 530000)

0 引言

桥梁工程的施工，往往为了方便材料的运输和设备的调配，需要搭设临时栈桥作为施工通道或搭设临时工作平台作为施工场地。目前国内钢栈桥下部多为采用钢管桩柱式结构、上部为贝雷桁架+型钢的组合型式。通过焊接剪刀撑、钢横梁，上面摆放贝雷梁、分配梁、钢板形成路面系统。这种结构往往跨度较小，栈桥施工后桥下净宽很难满足通航要求。且由于现场焊接质量较难控制，拼装精度较低，如果由于地形或通航原因采用较高的钢管墩柱，则在结构稳定性上有较高风险。

针对目前这种工程实际状况，本文结合G321三江县良口至梅林公路跨越都柳江的浪泡大桥实际施工要求，通过采用合理的跨径布置、钢管群柱的下部构造设计，使得施工钢栈桥能在较大跨径与高墩柱的结构特点上保持承载能力与较好的稳定性，满足了桥下双向通航的净宽净高要求。本文的设计方案以期作为类似工程提供设计与研究参考。

1 设计方案

1.1 拟建钢栈桥桥位地质水文情况

拟建的G321三江县良口至梅林公路浪泡都柳江大桥于柳州市三江县富禄乡跨越都柳江。钻孔揭示，桥址区附近有人工填筑土层(Q4ml)、坡地表层分布残坡积层(Q4el+l)、沟谷底部表层分布冲洪层(Q4al+pl)，下伏基岩为震旦系长安组上段(Z1c2)，含砾泥质砂岩、含砾砂质泥岩及其风化层。

都柳江为山区性河流，枯水期在每年的10月份至次年的3月份，流速平缓；洪水期为每年的6月至9月，水位会出现暴涨暴落现象，但一般洪峰维持3～5 d即消落，此时最大流速可达3.5 m/s左右。2016年钢栈桥处最大洪水位为169.00 m。

拟建的钢栈桥位于浪泡大桥上游30 m，可采用上述地质水文调查报告作为设计参考。

1.2 设计跨径及材料型号

钢栈桥设计总跨度为210 m，桥面宽度6 m，跨径分布为(12+3+12)×2+(3+21)×2+(3+12)×2+(12+3+12)×2+(12+3+9)=210 m，21 m跨为通航孔。各墩采用φ630×10 mm螺旋钢管形成群桩柱，纵向三排，间距为1.5 m，横向两列，间距为2.5 m，钢管柱基础采用桩径1.5 m冲孔灌注桩，桩基入岩2 m，在浇注桩基水下C25混凝土至岩层顶时，用振动锤将钢管柱插打入桩底，以使钢管柱有足够的嵌固。钢管柱最高约为20 m，为增强群柱的纵横向稳定性，纵横两向均采用Ⅰ20a槽钢设置剪刀撑(大于等于10 m设置二道剪刀撑)；每排螺旋钢管柱顶横梁采用2根Ⅰ40a工字钢，Ⅰ20a限位槽钢通过150×200×10 mm连接板与桩顶Ⅰ40a工字钢焊接，限制贝雷桁架梁的横向滑动。

上部结构部分，≤12 m跨径纵梁采用6排单层321型贝雷桁架拼装，横向采用90支撑及115支撑架连接，双通航21 m跨纵梁采用10排321型贝雷桁架拼装，横向采用90支撑、45支撑及115支撑架连接，其纵向间距为3 m一道，增强贝雷梁整体稳定性。纵向贝雷桁架顶横向铺设Ⅰ22a工字钢作为分配梁，间距25 cm，桥面满铺1 cm厚防滑钢板作为桥面板。为增强桥面整体性，横向分配梁通过焊接Ⅰ10定位槽钢并与贝雷桁架通过U型钉固定。桥面安全护栏采用φ48 mm的钢管。栈桥两端设置混凝土桥台，桥台处设置5 cm伸缩缝。如图1、图2所示。

图1 标准横断面示意图

图2 通航孔横断面示意图

钢栈桥设计为单车道通行且限制桥上仅同时行驶一辆车，主要通行车辆为27 t汽车吊、36 t挖掘机(卡特336)、38 t混凝土运输车、77 t碎石运输车，行驶速度<10 km/h。

1.3 荷载拟定

为安全考虑，栈桥最大车辆荷载按77 t碎石自卸车布置。动荷载系数取1.3，故栈桥检算荷载采用100 t。根据车辆参数表，碎石运输车驱动轴为两组4轴，横向轮距为1.8 m，轴距为1.8 m+3 m+1.35 m。轴荷载分配情况如下：前轴10 t，后两组后轴分别为26 t和32 t。

2 栈桥结构验算

2.1 贝雷桁架梁验算

(1)计算跨径为12 m的标准跨，按简支梁验算。

选用6列单排单层不加强型贝雷片，其单排贝雷片截面参数：截面容许抵抗矩[M]=788.2 kN·m，截面容许抗剪强度[Q]=245.2 kN。考虑标准跨最不利弯矩为车辆荷载后轴中心位于12 m跨度跨中处时，最不利剪力为车辆后轴位于钢管桩桩顶处时。

由于标准跨是由6片贝雷梁通过90支撑架和限位槽钢Ⅰ20#连接成整体，而且上部又由Ⅰ22a分配梁与桥面板整体连接作为荷载传递结构，故理论上车辆荷载由6排贝雷片共同承担，但考虑实际情况，偏于安全的只认为是4排贝雷梁承担所有车辆荷载。

总弯矩为M总=2322.2 kN·m<[M]=788.2×4=3 152.8 kN·m满足要求

支座的总剪力值：

Q总=Q恒+Q活=927.4 kN〈[Q]=245.2×4=980.8 kN满足要求

最大挠度值：

(2)计算跨径为21 m的通航孔，按简支梁验算。

布置10列单排单层不加强型贝雷片，其单排贝雷片截面参数：截面容许抵抗矩[M]=788.2 kN·m，截面容许抗剪强度[Q]=245.2 kN。考虑标准跨最不利弯矩为车辆荷载后轴中心位于21 m跨度跨中处时，最不利剪力为车辆后轴位于钢管桩桩顶处时。

由于标准跨是由10片贝雷梁通过90支撑架、45支撑架和限位槽钢Ⅰ20#连接成整体，而且上部又由Ⅰ22a分配梁与桥面板整体连接作为荷载传递结构，车辆荷载由10排贝雷片共同承担。

最大剪力为：

Q总=Q恒+Q活=1 006.9 kN〈[Q]=245.2×10=2 452 kN满足要求

最大挠度为：

2.2 钢管柱顶2Ⅰ40a工字钢横梁验算

(1)按简支梁验算，计算跨径为标准跨12 m。

横梁最不利位置分析：当车辆荷载全部由第一片至第六片(共6片贝雷片，计算时仅按3片计)贝雷梁共同承担且车辆后轴位于制动墩横梁正上方时，横梁受力最大。

最大应力值为：

τ=84.9 MPa〈[τ]=110 MPa

最大挠度为：

各参数满足要求。

(2)按简支梁验算，计算跨径为通航孔21 m。

横梁最不利位置分析：当车辆荷载全部由第一片至第十片(共10片贝雷片，计算时仅按5片计算)贝雷梁共同承担且车辆后轴位于制动墩横梁正上方时，横梁受力最大。

最大应力值为：

τ=95.1 MPa〈[τ]=110 MPa

最大挠度为：

各参数满足要求。

2.3 φ630×10 mm钢管柱强度验算

柱受力：由主横梁受力计算知，主横梁最大支反力出现21 m通航孔处，故当全部车辆荷载作用在单排桩顶时，中间根钢管桩受力最大，其值等于旁边两根钢管桩受力之和，钢管桩的强度为：

[P]=Sσ0=6 280×145=910.6 kN〉P=677.260 kN

故φ630×10 mm钢管柱压应力：

由欧拉临界应力：

压杆维持直线平衡无弯曲屈曲。

2.4 钢栈桥稳定性验算

在洪水期不允许任何车辆在桥上行走或作业，因此只验算栈桥在自重作用下的抗洪稳定性。按洪水期桥位段水流的最大流速为V=4.5 m/s，全桥钢管桩的平均桩长L=18 m，最高洪水水位取钢管桩顶面标高，由于钢管桩以振动形式进入河床覆盖层，以达到钢管桩锚固和抗洪水冲刷的作用。21 m跨钢桥自重为458.234 kN，单根管桩荷载为458.234/3=152.745 kN，每根63×10 mm钢管桩(L=18 m)自重27.522 kN。

为提高栈桥抗倾覆稳定性，单排钢管桩均为锚固钢管桩，取单根锚固长度2 m，其中入岩2 m，侧摩阻力标准值取100 kPa桩抗拔力为：

2×(π×0.63×100)=395.64 kN

阻水高度取为18 m。

流水对单根管桩的作用力根据桥涵设计规范水压力公式计算如下：

Fw=KAγV2/(2g)=91.854kN

每个支撑墩的水流阻力：

ΣFD=3×91.854=275.562 kN

流水合力作用点为水面以下1/3位置处。对1#点做弯矩计算，栈桥在自重作用下的抗洪稳定性计算如图3所示。

图3 栈桥自重抗洪稳定性计算示意图

MA(平衡)= (152.745+27.522+395.64)×2×2.5+(152.745+27.522+395.64)×2.5=4 319.303 kN·m

MA(倾覆)=275.562×12=3 306.744 kN·m

MA(平衡>MA(倾覆)，且MA(平衡)/MA(倾覆)=1.306，安全储备满足要求，同时在钢管桩根部浇筑2 m高混凝土，使同排钢管桩形成整体，可进一步提高栈桥的稳定性，故栈桥的稳定性满足要求。

3 结语

通过前述的承载能力、挠度变形、稳定性计算结果显示，采取合理的布置跨径，以及墩柱采用群柱形式，即3排间距为1.5 m的群柱式墩，可以合理降低每跨的正弯矩，提高桥跨结构的承载能力。同时，下部构造基础采用冲孔灌注桩插打入钢管柱，可以大大提高墩柱的嵌固力，加上钢管柱间设置的纵横向系梁，剪刀撑，可以保证墩柱结构的稳定性，使得墩柱自由端长度达到20 m时仍能保证其安全使用。本设计可为有类似通航要求的高墩柱及大跨度的钢栈桥设计提供参考。