浅谈钢栈桥的设计与施工要点

高 原

（南平武沙高速公路有限责任公司，福建 南平 353000 ）

0 引言

钢栈桥是一种特殊桥型，其下部一般采用钢管桩，上部采用贝雷桁架、工字钢等，在建设过程中作为重大的临时设施之一，为高速公路工程建设提供便捷条件。某高速公路扩建项目A2标段的设计中，利用有限元程序及相关规范进行计算分析，并对钢栈桥结构及施工方案进行了详细的设计，经过钢栈桥实际施工及投入使用的验证，该桥各项性能指标表现良好，为高速项目能够顺利建设提供了可靠的保障[1]。本文就该项目钢栈桥的设计与施工要点进行介绍。

1 工程概况

1.1 钢栈桥的结构

某高速公路扩建项目A2标段因原有桥梁不足以承受高速项目施工车辆荷载，为保证施工材料的运输及施工需求，需要在现有大桥右侧跨越河道修建1座钢栈桥。

本次施工钢栈桥共1座，桥面净宽4.5m，桥总长39m。钢栈桥上部结构自上而下采用厚度10mm花纹钢板、I20b工字钢（横向）、321贝雷梁（纵向）、I40a工字钢（横向）。上层桥面分配梁采用I20b工字钢，间距30cm，中间采用3组贝雷梁，每组贝雷梁间距147.5cm；下层桩顶分配梁工字钢采用双拼I40a工字钢。栈桥设计为4跨，第1、2、4跨每跨为9m，第3跨为12m。下部结构桩身采用Ф630mm×10mm螺旋钢管桩打入土体，栈桥与便道路基衔接北侧桥台采用混凝土板凳台，南侧桥台采用钢管桩柱台，桥面护栏使用直径48.3mm厚3.6mm的钢管，离桥面高度1.2m，间隔1m。

1.2 钢栈桥桥址地质情况

钢栈桥桥址区总体微地貌形态地势平坦，北侧为现有村道，南侧为省道。地面标高266.5～268.5m，相对高差2m，地形起伏较小，总体地势平坦。

根据地勘钻孔及地质调查揭示，桥址区地表以第四系冲洪积层和第四系残坡积层为主，下伏基岩为风化层及燕山晚期侵入艾山阶段花岗闪长岩体，局部人工填土。

地表水情况：钢栈桥跨越溪流，地表水较发育，桥位处河流宽约35m，水深1～4m，流速1.0～1.5m/s，主要依靠上游来水及降水补给，以蒸发、径流等方式排泄，该溪洪水水位高265.63m。钢栈桥立面及跨溪段地质断面图见图1。

图1 钢栈桥立面及跨溪段地质断面图

2 钢栈桥设计方案

2.1 基本可变荷载及其它可变作用

本桥为临时施工栈桥，仅供混凝土运输车使用，禁止其他社会车辆和行人通行。为计算方便拟采用三一重工SY408C-10W(Ⅵ)LNG型8m3混凝土运输车，其参数数据均取自三一重工集团官方网站；施工期间采用50T履带吊按钓鱼法进行，设备参照中联重科CC550H履带吊，设备自重49.2t，履带接地长5m，宽0.76m，轨距2.36m。施工时，起吊应在墩顶，其正向、侧向起吊按不超过10t吊重。

风载设计：钢栈桥非作业、作业和施工的状态允许风力为：10级风速为：28.4m/s，风力在10级以上时，栈桥禁止通行；8级风速为：20.7m/s，风力在8级以上时，禁止桥面作业；6级风速为：13.8m/s，风力在6级以上时，禁止栈桥施工[2]。

风载按《公路桥梁抗风设计规范》等相关规范进行计算：

施工架设期间取值K0=0.75；桁架风载系数K1=ηK1=0.45×1.2=0.54；按规范中A类地表，离地面或水面5m高度计K2=1.08；最不利地形地理条件选取K3=1.4；按规范A类取阵风风速系数K5=1.38。r=0.012017e-0.0001Z=0.012017e-0.0005=0.01201

6级风载：Vd=K2K5V0=1.08×1.38×13.8m/s=20.6m/s

每片贝雷片（含桥面板）抗风面积得：

得6级风时，风载为：

8级风载：Vd=K2K5V0=1.08×1.38×20.7m/s=30.9m/s

每片贝雷片（含桥面板）抗风面积得：

得8级风时，风载为：

10级 风 载 时：Vd=K2K5V0=1.08×1.38×28.4m/s=42.3m/s

每片贝雷片（含桥面板）抗风面积得：

得10级风时，风载为：

2.2 荷载组合工况

钢栈桥荷载组合工况列入表1。

表1 荷载组合工况

2.3 钢栈桥验算准则

钢栈桥作为重大临时设施，验算准则为：在使用情况下，栈桥能具备日常通行的稳定性及可靠性的条件；在未使用情况下，栈桥禁止通行，栈桥具备整体安全性的条件，允许局部出现可修复的损坏情况。

2.4 材料

除贝雷片外，其他所有钢结构构件，全部采用Q235钢材，贝雷片采用16Mn钢材，Q235钢材弹性模量E=206000N/mm2，Q345钢材弹性模量E=206000N/mm2。

所有钢结构材料的强度按照《钢结构设计规范》（GB50017-2017）规定取值，对于Q235钢材，强度设计值Fy=215N/mm2(钢材厚度＜16mm)，抗剪强度Qy=125N/mm2。对于Q345钢材，强度设计值Fy=305N/mm2(钢材厚度＜16mm)，抗剪强度Qy=175N/mm2。

2.5 钢栈桥计算

本栈桥结构采用桥梁有限元程序MIDASCIVIL(2017)进行建模计算（见图2），计算内容主要包括栈桥结构强度，贝雷梁的强度与变形，钢管桩的承载力、桩身强度和整体稳定性等[3]。结构自重程序自动加载，桥墩钢管桩采用振动锤打入地基，故各墩按6个自由度全部限制进行模拟。

图2 MidasCivil结构计算模型

将已得数据代入程序计算，整桥在混凝土搅拌车通过时，最大位移7.7mm，W=7.7mm＜[W]=L/400=12000/400=30mm；贝雷梁最大正应力δ=193MPa＜[δQ345]=305MPa；分配梁最大正应力δ=30MPa＜[δQ235]=215MPa；贝雷梁最大剪应力τ=133MPa＜[τQ345]=175MPa；墩顶分配梁正应力δ=63.2MPa＜[δQ235]=215MPa；钢管桩最大正应力为δ=33.2MPa＜[δQ235]=215MPa。各项符合规范要求。

钢管桩压杆稳定性验算由压杆临界压力公式：

式中：

E——钢管桩弹性模量，E=206×109 N/m²；

I——钢管桩的惯性矩，I=9.361553×10-4；

u——压杆长度系数，本例按一端绞接、一端固定模式进行计算，u=2；

l——计算长度，l=7m。

全桥最大反力出现在3号桥墩处，P=412kN

代入计算，有：

符合规范要求。

2.6 地基承载力

通过查阅设计图纸的地勘资料，钢栈桥位置河床以下主要为砂土状强风化闪长花岗岩和碎块状强风化闪长花岗岩砂，钢管桩按摩擦桩考虑进行验算[4]。

摩擦桩承载力计算公式：

式中：

u——桩身周长，u=3.14×0.63=1.98m；

α——振动沉桩方式对桩侧摩擦阻力的影响系数，查规范表得：α=1.1；

qi——各土层的摩阻力标准值，为安全起见，地基持力层全部按摩阻力较低的砂土状强风化闪长花岗岩计算，通过查阅地勘资料可得：qi=75kPa；

li——对应各土层厚度，li=7m。

代入计算，有：

Ra＞[Ra]=1.25，故满足规范要求。

2.7 设计结论

经计算，在各种荷载作用下，各栈桥构件强度及刚度均能达到设计要求。

3 钢栈桥施工方法

钢栈桥施工流程见图3，分为上下部分。下部：振打桩基础、安装桩顶横梁、架设贝雷桁架；上部：安装桥面分配梁、铺设面层钢板。

图3 钢栈桥施工流程图

3.1 施工准备

栈桥施工材料提前进场，作好施工前准备。依照设计图以及结合现场情况，用全站仪测出桥台、扩大基础位置，定出栈桥中轴线，采用直接量距方法放出桥台位置。

3.2 桥台施工

栈桥南侧采用4根Ф402mm钢管打入土基，配合10mm钢板作桥台，北侧桥台采用C30混凝土墩台帽，C20混凝土基础，桥台下铺设10cm厚C15混凝土垫层。钢栈桥桥台支点设置橡胶垫缓冲层，桥台与便道路基衔接采用碎石土分层填筑。

3.3 钢管桩制作

该工程钢管桩采用Ф630mm×10mm型号的螺旋钢管，在现场拼接并对钢管表面进行打磨除锈，涂刷环保防腐漆做防腐处理。第1节钢管桩长度10m，第2节根据实际钢管桩长度拼接后插打。管节在拼接时对口应保持在一条轴线上，成品桩的管节管径偏差值、外观尺寸以及椭圆度须达到规范要求[5]。

拼接管节时，采用V型坡口单面焊，内侧带内衬环。上节桩开45°坡口角；下节桩不开坡口，使用多层焊连接。封底焊接时使用小直径焊条或者焊丝施焊。每道焊缝完成后立即清除飞溅物及熔渣，接着外观检查。除对接满焊外，还需在连接处对称焊接4块尺寸为100mm×300mm厚度12mm的加劲板。手工焊采用结502或506焊条。

应进行首次焊接工艺试验，并做出评定报告。根据评定报告编制焊接工艺规程，严格按评定指标进行施焊。

3.4 钢管桩标识

成品钢管桩以从下到上的顺序，每间隔1m标记刻度，以便有效控制沉桩时的贯入度及接桩长度，并在桩顶标记成品桩长度。

3.5 钢管桩定位

用全站仪在现场合理位置架设仪器，测出设计桩位。从成品桩起吊开始观测，直至到达设计桩位后垂直振动贯入。在施工中发现桩偏位或偏移时，应调正后再继续施工。

3.6 钢管桩施工

（1）用导向定位架对栈桥钢管桩定位。钢管桩施工时使用GPS定位，以确保钢管桩的施工精度。

（2）钢管桩就位，下桩过程中，桩架应保持垂直。成品桩底部和顶部进行30cm包边加强，以防施工时桩两端卷曲变形。

（3）成品桩用50T履带吊沉桩，使用悬打法施工下沉，履带吊应停在已完成的桥面上，桩插入时垂直度偏差不得超过0.5%。在钢管桩和振动锤自重作用入土稳定后，复测桩的垂直度及管桩位置达到设计要求后，用低档施工继续下沉，待桩贯入足够深度振动锤换成高档施工，直至下沉达到设计高程。在施工过程中保证垂直度和桩位，超1%偏差时立即纠正调整。

（4）每排桩施工达到设计标高后，复测桩顶标高，将多余的部分割除，不足部分接桩，然后割槽安装桩顶双拼I40a工字钢分配梁，槽口外侧焊接支撑托。

（5）桩间采用槽钢进行连接，以增加桩的稳定性。待桥面分配梁及桥面完成后，履带吊前移，继续下一跨成品桩施工。

（6）钢桩施工控制指标：桩位允许偏差小于50mm，垂直度允许偏差小于1/100。

3.7 桩顶分配梁安装

桩顶分配梁长4.5m，采用双拼I40a工字钢。吊装至桩顶槽口后，其下部焊接加劲板，将钢管桩与桩顶分配梁焊接固定。

3.8 贝雷桁架拼装

在空旷场地拼装贝雷桁架，下铺枕木，逐片吊装贝雷，利用桁架销子使其相互连接。将贝雷弦杆与加强弦杆利用弦杆螺栓相连接，将水平上下支撑架、竖向支撑架和贝雷用支撑架螺栓连成整体，贝雷接口处各安装一片支撑架。采用接头错位连接方式使加强弦杆、水平支撑架、贝雷三者相互连接，保证贝雷桁架的整体刚性，可有效降低由于贝雷桁架接头变形而导致主梁位移。应保证所有螺帽拧紧、插好桁架销子保险销。现场拼装贝雷片每3片为1组，分节段逐步架设安装。

3.9 桥面分配梁安装

桥面分配梁长4.5m，采用I20b工字钢，将桥面分配梁与贝雷桁架用支撑架螺栓连接成整体，桥面分配梁按设计间距30cm一道安装，用角钢或标准拉杆打斜撑相连。

3.10 桥面板及防护栏杆

桥面采用宽4.5m钢板（10mm厚），与桥面分配梁固定焊接。桥面钢板采用深花纹的防滑钢板，防止打滑。

栈桥左右两侧设置桥面护杆，采用直径48.3mm厚3.6mm的钢管，离桥面高度1.2m，间隔1m，与桥面分配梁焊接；横杆从下到上设置两道，间距60cm。栏杆刷两道油漆，里道刷防锈漆，外道每间隔30cm刷红白相间漆，护栏设置反光条及防护网。

钢栈桥完成后，组织相关人员进行成桥验收，待验收合格后方可投入使用。

4 结束语

根据项目需求选取合理参数，对其进行核验分析，结果表明该栈桥设计的各结构形式合理、各项数据满足规范要求。该栈桥在使用过程中表现出良好的稳定性，在高速项目的建设中起到了重要的作用。该工程可为以后类似栈桥施工提供参考。