钢栈桥设计优化与成本控制

钟德明 张煜梓

(1.浙江宏达建设集团有限公司，浙江 诸暨 311800； 2.日照旭丰建设工程有限公司，山东 日照 276800)

随着我国经济的发展，我国新建或改建的桥梁很多，其中大部分桥梁是跨河或跨软土地基而设计。在桥梁下部结构施工时，需要大型机械和大量材料到指定的施工部位，当环境条件不满足通行要求时，钢栈桥就成为了一种主要的施工道路形式。钢栈桥作为一种大临设施，虽然是阶段性使用的桥梁，但必须满足施工要求，包括功能要求、安全要求和经济性。如何在满足钢栈桥的功能性和安全性的前提下，尽量节省成本、提高经济性关键在于钢栈桥的设计。因此如何通过优化设计来降低钢栈桥成本是值得思考和研究的问题。

1 钢栈桥设计要点

1.1 钢栈桥的结构设计

钢栈桥结构形式主要包括上承式和下承式，由桥面系、桥跨结构和下部结构及基础组成。

桥面系包括桥面板、分配梁和护栏等。桥面板直接承受车辆荷载，一般面板采用压花钢板，也有采用满铺槽钢的方式；相比而言，钢板整体性比满铺槽钢要好，可以避免车辆冲击荷载作用的跳动或变形。分配梁通常采用型钢且大多采用工字钢，上承式钢栈桥一般只设置横向分配梁即可；下承式钢栈桥由于纵梁间距较大，通常在横向分配梁上再设置纵向分配梁。桥面板与分配梁之间可采用U型螺栓连接成整体，也可以焊接成整体。

桥跨结构是钢栈桥主要承载构件，也是钢栈桥设计的重点内容。跨径大小、结构形式、纵梁数量、布置方式和材料选择等是桥跨设计需要考虑的主要内容。目前钢栈桥桥跨结构通常采用贝雷片，当跨径很小时也可以采用型钢。贝雷片之间通常采用连接框将其连接成整体，增加稳定性。

下部结构是指基础与桥跨之间的结构部分。在钢栈桥设计中下部结构主要是指下横梁，用于支撑桥跨结构。当采用桩基础时，下横梁一般采用型钢；当采用钢筋混凝土扩大基础时，可不设置下横梁。

基础是钢栈桥设计最关键的部分，根据地基地质情况的不同，基础可以采用钢管桩、混凝土预制管桩或混凝土扩大基础等。

1.2 钢栈桥的设计验算

钢栈桥的设计验算是通过对荷载情况、工况进行分析，计算各构件的应力应变和稳定性的过程。荷载包括恒载、活载和偶然荷载。恒载主要指钢栈桥自重；活载包括车辆荷载、风荷载、流水作用、人群荷载以及可能出现的雪荷载；偶然荷载包括河道漂浮物或船只的撞击、地震等。对于偶然荷载，一般在钢栈桥设计时会考虑采取设置防撞墩等措施，防止漂浮物或船只的撞击，同时，由于钢栈桥是临时设施对于地震作用一般忽略，所以在验算时一般不考虑偶然荷载。

工况主要是指各种荷载可能出现的组合情况，包括钢栈桥搭设和钢栈桥使用时的荷载组合。工况分析主要的目的是找出最不利的荷载组合情况，保证钢栈桥在最不利情况下的使用安全。

钢栈桥在荷载作用下会产生弯曲应力和剪切应力，同时会出现一定的变形。材料本身的强度有一定的极限值(即容许应力)，这由材料本身的材质以及截面尺寸确定；材料的刚度决定其在荷载作用下的变形，在同样的工况下刚度越高变形越小。在钢栈桥的设计验算中，主要通过计算在最不利工况作用下所选择的构件是否满足应力应变要求。

钢栈桥稳定性主要是指抗倾覆，在荷载偏心作用及流水作用下的侧向推力可能导致栈桥侧翻或倒塌。主要通过计算竖向恒载和横向力所产生弯矩之间的平衡来验算其抗倾覆系数，当系数大于1时可以满足要求。

2 钢栈桥的成本构成

钢栈桥的成本主要包括材料费、机械费和人工费以及辅助施工费几部分。材料费在几项费用中占比最大，达70%以上。钢栈桥所用材料以钢材为主，其他材料为辅，所以钢栈桥用钢量是决定成本的关键因素。机械费主要指吊车台班费、挖机台班费、自卸汽车台班费等。在钢栈桥施工过程中，大部分构件的安装需要使用吊车，所以在机械费中占比最大。人工费包括管理人员工资和劳务人员工资等。辅助施工费包括电费、安全防护费用和施工期间人员伙食费等。

3 设计优化与成本关系

在钢栈桥的成本中有许多可以通过设计的优化得到降低，特别是用钢量更是由设计的深化程度决定。设计优化是指通过对桥跨布置、结构类型、材料选择方面进行对比分析，在保证结构满足安全性和功能性的前提下做到经济合理。用钢量作为钢栈桥的主要成本，如何降低用钢量是设计优化的重要内容之一。钢栈桥作为大临设施，其清单价格一般按照平方或者延米进行计算，而按照延米计算时一般会注明宽度，其实质还是按照平方进行计价。因此，在同样面积下降低用钢量是降低成本的主要途径。

用钢量的优化主要通过调整材料型号和间距的手段，在满足材料应力应变的前提下，选择最合适的型号和间距来达到最低用钢量的目的。荷载工况是选择材料型号和间距的决定条件，荷载越大、工况越不利所需材料型号越大、间距越小才能满足应力应变要求。因此首先要对荷载工况进行认真的分析研究，确定最不利工况下的荷载情况。通过对荷载可能出现的不同组合情况进行分析，既可以保证结构安全也可以避免盲目叠加荷载情况造成计算荷载大于实际荷载而导致用钢量的增加。其次，安全系数也是决定用钢量的重要因素，当安全系数偏小时无法保证在特殊情况下的结构安全，而安全系数过大又会造成材料的浪费和成本增加。因此在设计优化时，应选择合理的安全系数，尽量使应力应变数值接近于容许值，避免富余量过大。

在荷载工况和安全系数确定之后，桥面板的厚度由分配梁的间距来决定，分配梁的型号由自身间距和贝雷片的间距决定。分配梁间距越加大，桥面板的厚度需要增加，相应的分配梁的型号也要加大。在桥面板和分配梁总重量之和与分配梁间距之间的最佳平衡点是控制桥面系用钢量的关键所在。贝雷片型号包括普通型和加强型，加强型贝雷片是在普通贝雷片增加加强弦杆。相比之下加强型贝雷片与普通贝雷片增加的用钢量不到1/2，但容许弯矩、抗弯截面模量、惯性矩和抗弯刚度都增加了一倍。所以在设计纵梁时，加强型贝雷片比普通贝雷片要好。贝雷片作为桥跨承重构件，在纵向长度确定后其用量主要由其间距决定，同时其间距布置也影响到分配梁的布置，而其跨径布置直接决定钢管桩的数量。因此，在纵梁设计时不仅要对材料进行设计优化，也需要对其跨径和间距进行优化。

基础承受所有上部荷载，单墩最大荷载量主要受栈桥跨径影响，跨径越大，在同样的荷载工况下其所需承载力也越大。当单墩最大荷载量确定后，需要根据地质情况来设计基础形式，对于持力层埋深较大且上部存在较好地层时采用混凝土扩大基础比钢管桩基础成本低。但对于水中基础或软弱地层较厚时，采用钢管桩基础则比较经济。钢管桩的用量在荷载确定后，可以结合地层特性通过对其壁厚、间距、直径等进行优化。直径越大其单位长度的摩阻力也越大，相应单根桩承载力也越大；壁厚越厚，其刚度越大，抗弯能力越强，相应用钢量也增加。对于采用钢管桩基础的钢栈桥，钢管桩用钢量在总用钢量中所占比重较大，因此基础的优化有助于降低成本。

4 工程案例

4.1 工程概况

03省道东复线诸暨江藻至王家井段工程浦阳江二桥为跨浦阳江新建的大桥。为贯穿施工道路，便于桥梁下部结构施工，需搭设栈桥。栈桥总长141 m，桥面净宽4.0 m，采用下承式钢栈桥形式。

设计荷载为：自重+60 t车辆荷载；自重+25 t汽车吊机施工荷载。可能产生的工况如表1所示。

表1 钢栈桥的工况表

浦阳江河床土的力学性能如表2所示。

表2 河床土的力学性能

4.2 设计优化对比

本次钢栈桥的主要优化内容包括桥面板、分配梁、纵梁以及基础等。桥面板小楞采用Ⅰ16a间距0.3 m，相应面板需采用12 mm厚钢板，优化后采用Ⅰ14a间距0.2 m，相应面板需采用8 mm厚钢板。通过优化采用Ⅰ16a工字钢时最大弯曲应力为156 MPa<1.3[σ]=188.5 MPa,采用Ⅰ14a时工字钢最大弯曲应力为116 MPa<[σ]=145 MPa，面板和小楞合计节约钢材8.2 t。分配梁原设计采用Ⅰ25a间距0.6 m，优化后采用Ⅰ28a间距0.75 m，相应最大弯曲应力由98.6 MPa变为83.3 MPa，节约钢材4.6 t，安全系数更高。纵梁由原设计单侧3片普通贝雷片改为单侧2片贝雷片，其性能提高1.3倍，节约钢材12.7 t。钢管桩基础由单墩2根φ630×10 mm优化为单墩3根φ500×8 mm，桩长由21 m调整至18 m，节约钢材15.4 t。桥台由钢管桩改为扩大基础，增加混凝土82 m3，减少钢管桩5.3 t。故本次优化共计节约钢材46.2 t，增加混凝土82 m3，节约费用约20万元。

5 结论

钢栈桥作为施工过程中的常用临时设施，造价比较高，成本大。钢栈桥的设计主要由荷载工况以及材料选择和间距布置来决定。通过设计的优化可以达到降低用钢量从而降低成本的目的。文章结合03省道东复线诸暨江澡至王家井段工程浦阳江二桥钢栈桥的设计优化，实际节约钢材约46.2 t，降低成本约20万元。通过钢栈桥的设计优化不仅使结构受力更为合理，安全性更高，而且降低了成本。因此，钢栈桥的设计优化对于钢栈桥成本控制有着至关重要的作用。