钢栈桥设计优化与成本控制

2023-01-08梁雪

四川建材 2022年9期

梁雪

(中铁十六局集团第三工程有限公司，浙江湖州 313000)

0 前言

近年来，我国经济发展迅速，新建或者改建桥梁显著增多，绝大多数桥梁为跨河或者跨软土地基而设计。在开展桥梁下部结构施工中，往往需在指定施工部位使用大型机械以及大量的材料，若通行条件无法满足相关要求，此时可利用钢栈桥。作为一种大型临时设施，钢栈桥仅仅用于阶段性使用，但是仍然需要保证其功能、安全等满足相关要求。在确保钢栈桥功能性以及安全性的基础之上，如何尽可能地优化并控制成本，提升经济效益，是值得思考以及研究的问题。

1 钢栈桥设计

1.1 钢栈桥构造设计

钢栈桥结构形式涉及上承式以及下承式两种，其主要包括桥面结构、桥跨结构、下部结构以及基础。

1.1.1 结构选型

当前，国内的钢栈桥结构形式主要包括钢桁架栈桥以及钢网架栈桥两种，相比较而言，钢桁架栈桥应用范围更为广阔。若要求栈桥下部具备宽阔的空间，同时其需要跨越较多的建筑物，栈桥与地面间的高度需超过8 m，则非常适宜钢栈桥。栈桥跨度多集中于15～40 m，无论是低于15 m还是超过40 m，所建设钢桁架栈桥均较不经济。尤其是超过40 m的钢栈桥，在风荷载的作用下，极容易发生较大位移，若加大桁架刚度、减少位移，钢栈桥经济性将受到较大影响。

1.1.2 桥面结构

桥面结构一般包括桥面板、分配梁以及护栏等。桥面板主要用于承受车辆荷载，在其结构设计中，需注意减少自重，通常可采用厚度为5 mm的花纹钢板，亦可采取满铺槽钢方式。实际上，钢板整体性要优于满铺槽钢，钢板整体性的应用可避免因车辆冲击荷载而引发变形或者跳动。分配梁一般采取型钢，绝大多数采取工字钢。对于上承式钢架桥，通常仅设置横向分配梁；而对于下承式钢栈桥，因纵梁间距离过大，需在横向分配梁基础之上设置纵向分配梁。利用U型螺栓将桥面板以及分配梁连接为整体，亦可将其焊接为整体。若栈桥坡度较大，大于12°，为确保操作人员便利通行，可分别在其两侧做踏步。在墙面以及屋面，可选择轻钢檩条加夹芯板，需注意保温层厚度应超过50 mm，为保证冬季栈桥内温度超过了5℃，需在栈桥底部做好相关外保温工作。另外，还需对钢桁架以及其他承重构件做好防火涂料的涂刷以及处理工作，严格遵循钢结构防火涂料规定选择适宜的防火涂料，同时需注意确定适宜的土层厚度。

1.1.3 支架

对于钢栈桥，桥跨结构是其主要承载构件，同时是钢栈桥设计中的一项重点内容。在桥跨设计中，其结构形式、材料选择、跨径大小、布置方式、纵梁数量均是需要重点考察的内容。当前，钢栈桥桥跨结构一般采用的是贝雷片，若跨径较小，亦可采用型钢。采用连接框将贝雷片连接为整体，可有效提升钢栈桥的稳定性。

若栈桥过长，需设置多跨，此时需设置钢支架以支撑中间跨。钢支架包括平面支架以及空间支架两种。平面支架主要设计2根钢柱，需注意在2根钢柱间分别设置水平支撑以及斜支撑，此时即可形成一榀竖起来的桁架，需注意柱距与栈桥宽度相同，此时栈桥桁架立柱正好利于柱顶上，若支架高度过高或者栈桥宽度过窄，可将底部柱距适当放宽，维持两柱间距呈上宽下窄，亦可直接设置空间支架。为防止栈桥侧向出现过大变形，或者在栈桥中间部位存在拉紧装置，需设置空间支架。空间支架一般指由4个或者超过4个的钢柱组成钢框架支架，在风载以及水平力作用下空间支架仍然具备良好的稳定性。栈桥支架柱通常为H型钢、钢管，亦可采用组合截面。在对钢栈桥支架基础进行深埋时，需确保其满足相关洞深要求，注意其不得过浅，同时需注意做好柱下筏板基础以及独立基础工作。

1.1.4 下部结构

下部结构一般指基础以及桥跨间的结构部分。在设计钢栈桥时，下部结构一般指其下横梁，其主要作用为支撑桥跨结构。若钢栈桥采用的是桩基础，其下横梁材料通常为型钢；若采取钢筋混凝土扩大基础，无需设置下横梁。

1.1.5 基础

在钢栈桥设计中，基础是最为关键的一个部分，可结合当地地基以及地质情况，选择适宜的基础，通常基础主要包括钢管桩技术、混凝土预制管桩技术、混凝土扩大基础等。

1.1.6 栈桥内排水

需对钢栈桥做好相关排水沟，在支架处通过外排水管路以排出所收集水分。钢栈桥在使用过程中会涉及部分水分，在冬季常引发排水补偿问题，导致栈桥内部结冰，此时桥体自重将显著增大，同时钢结构构件将面临腐蚀[1]。在为钢栈桥设置安全出口时，需结合施工现场实际情况规范进行，通常每75 m需设置一个安全出口，除栈桥过长，可在各支架部位设置安全出口。

1.2 钢栈桥设计验算

钢栈桥设计验算即通过分析荷载情况以及工况，从而对各个构件具体应力应变以及稳定性进行计算的过程。荷载主要涉及恒载、活载以及偶然荷载。恒载即钢栈桥自重；活载即钢栈桥上的车辆荷载、人群荷载、风力荷载、雨雪荷载以及流水作用；偶然荷载一般是指钢栈桥受到的船只或者河道漂浮物所造成的地震以及撞击等。针对各种偶然荷载，在设计钢栈桥时，需对防撞墩等相关措施的设置加强重视，以避免船只或者漂浮物撞击，与此同时因钢栈桥仅为临时设施，一般会忽略其地震作用，因而在具体验算中可不考虑偶然荷载。

工况通常指各种荷载的全部可能情况，主要包括钢栈桥搭设以及使用中的荷载组合。工况分析的最终目的即探寻最不利的荷载组合情况，以确保在最不利的情况下钢栈桥仍然能够得到安全使用。

在荷载作用下，钢栈桥常会产生弯曲应力以及剪切应力，同时极有可能出现各种变形。材料自身的强度具备一定的极限值，又被称为容许应力，这一极限值一般由截面尺寸以及所采取材料自身材质所确定；在荷载作用下，材料刚度直接决定着其变形情况，在同一工况内，材料刚度越高，其可能发生的变形越小。在设计以及验算钢栈桥时，主要是计算最不利工况作用下，所采用的构件能否满足相关应力以及应变要求。

钢栈桥的稳定性通常是指其抗倾覆性能，即在荷载偏心作用、流水作用各种侧向推力下，钢栈桥可能面临侧翻或者倒塌现象。其具体计算措施为，对竖向恒载以及横向力所产生弯矩间的平衡来对钢栈桥抗倾覆系数进行验算，若抗倾覆系数超过1，钢栈桥即可满足相关要求。

1.3 钢栈桥施工设计

1.3.1 栈桥、钻孔平台施工

1)施工准备。在钢栈桥施工中，需充分考虑当地地理特点、气候条件以及水文特征等，同时做好相关工程全过程管理工作。以施工计划工期为基础，合理安排作业面，特别需安排好相关施工人员、材料以及设备的进场工作，保证钢栈桥建设工作有计划开展[2]。

2)测量平台搭设以及放线。要想保证钢栈桥准确定位，在施工前，需要沿着栈桥轴线两侧方向每间隔500 m搭设1个测量平台，测量平台以及栈桥间的垂直距离需达到300 m。由于钢栈桥长度较长，同时其绝大部分位于海水当中，因而在测量平台设计中，需保证栈桥面标高以及平台面标高相符，一般为正方形，其边长为4.5 m。在测量平台基础内，一般采用Φ820螺旋管，同时在管桩基础间设置剪力撑，钢管桩基础的入土深度需达到12 m，接着对其固定焊接，在平台周围采用Φ50钢管焊接护栏。在测量平台施工中，可利用GPS对平台上某一顶点坐标以及高程测定，采用全站仪测量平台上全部的测量定位作业。待平台测量结束后，需结合设计图纸对管桩技术的实际位置精确定位，采取定位船以实现定位。在起吊前，需对桁架试吊，确保桁架起吊位置与地面间的高度差达到200～300 mm，同时检查钢丝绳受力情况，对其下沉情况仔细观察，若无任何问题，即可正式起吊。采取吊车将成型连接平台以及钢桁架转移至长臂挖掘机整平路线上适宜位置，将其依次吊装至铺装路线上，同时对钢绗架底部加固，做好钢板焊接工作[3]。

3)栈桥桥台施工。在栈桥桥台位置，一般采取填土筑岛方式施工，将管桩基础双排中心间距控制为1.5 m，同时在桩顶铺设工字钢承压，横向分配梁亦选用工字钢。在栈桥桥台以及便道连接部位设置填土过渡段，在其两侧设置抛石护坡，在端部因一侧管桩外侧挡土铺位铺衬两层荆芭，在桥台外侧填土直至桥面标高位置。

1.3.2 上部结构施工

1)外观检查及坡口打磨。在焊缝坡口部位打磨时，需仔细检查管桩本身及管口焊缝坡口质量情况，确保打磨后坡口外表具备金属光泽[4]。若对坡口进行切割修正，需对其氧化皮直接清除，采取打磨平整的方式达到焊接目的。

2)焊缝表面质量。焊缝表面高度通常为1～3 mm，同时其宽度一般为23～30 mm。待焊接结束后，需彻底清除焊缝表面存在的焊渣以及各种金属飞溅物，仔细检查焊缝表面的外观质量，避免焊接部位出现咬边、裂纹、弧坑等问题。对成品直线控制时，应当采取经纬仪以及水准仪对胎架安装，确保其全长度范围高于30 mm。

综上所述，在设计钢栈桥时，需充分考虑当地水文地理情况，对钢栈桥搭设方案以及施工方法合理设计，以提升钢栈桥设计的合理性，保障其稳定性。基于此，相关工作人员必须熟练掌握钢栈桥具体施工方法。钢栈桥工程施工量较大，在具体施工中需严格遵循各项安全技术操作规程，同时落实好各项特殊安全防护措施，以保障钢栈桥施工安全管理工作质量。

2 钢栈桥成本构成

在钢栈桥施工中，其成本主要包括人工费用、机械费、材料费用以及辅助施工费用等。人工费用主要包括劳务人员工资以及管理人员工资等。机械费用一般指各种施工机械所需消耗费用，通常包括吊车台班费用、自卸汽车台班费用以及挖机台班费用等。钢栈桥使用中，绝大多数构件需要采取吊车安装，因而吊车台班费用在机械费用中所占比例最大[5]。材料费用在钢栈桥成本中所占比例最大，甚至超过了70%。钢栈桥所使用的材料主要为钢材以及适量的其他材料，因而钢栈桥用钢量直接决定着其最终成本。辅助施工费用一般设计安全防护费用、电费、在施工过程中人员伙食费用等。

3 设计优化以及成本关系

在钢栈桥成本内，相当一部分成本可通过设计优化以降低，尤其是用钢量，其直接由设计深化程度而决定。设计优化即对比并分析钢栈桥材料选择、结构类型以及桥跨布置等，确保钢栈桥具备足够的安全性，保证其功能性满足相关需求，在此基础之上以做到经济合理。在钢栈桥施工中，用钢量是主要成本，因而降低用钢量是当前钢栈桥设计优化的一项重要内容。钢栈桥是一项大型临时设施，通常按照平方或者延米的方式以计算其清单价格，若按照延米计算，通常会将其宽度注明，其本质上仍然是按照平方计价格[6]。基于此，在相同面积下，将用钢量降低是最为有效的一种降低成本的途径。

在优化用钢量时，主要采取的方式是调整材料型号以及间距，在保证材料应力应变满足相关要求的基础之上，选择最为适宜的材料型号以及间距，以尽可能减少用钢量。荷载工况直接决定着材料型号以及间距的选择，工况越不利、荷载越大，需选择越大的材料型号以及越小的间距，以保证应力应变要求得到满足。基于此，首先需要深入地分析、研究荷载工况，以明确在最不利工况下钢栈桥实际荷载情况。分析荷载可能出现的不同组合实际情况，在确保结构具备足够安全性的同时，避免因盲目叠加荷载而导致所计算荷载量超过实际荷载，否则极容易导致用钢量的增加。另外，安全系数也直接决定着钢栈桥的用钢量，若安全系数较小，很难保证在特殊情况下结构仍然具备较强的安全性，若安全系数过大，极容易引发材料浪费，导致成本的增加[7]。因此，在设计优化过程中，需选择适宜的安全系数，尽可能把总额和应力应变数值与容许值保持相近，以防出现富余量过大问题。

待确定荷载工况以及相关安全系数后，应当通过分配梁间的间距以确定桥面板的厚度，以自身间距以及贝雷片间距确定分配梁的型号。随着分配梁间距的不断增加，需适当增加桥面板的厚度，同时加大分配梁的型号。在桥面板用钢量控制中，桥面板以及分配梁总重量之和及分配梁间的间距最佳平衡点是关键因素。当前，贝雷片可以划分为普通型以及加强型两种，加强型就是在普通贝雷片基础之上增加了加强弦杆。与普通型贝雷片相比，加强型贝雷片用钢量增加了不到1/2，但是其容许弯矩、抗弯截面模量、惯性矩以及抗弯强度增加量均超过了一倍。基于此，在纵梁设计时，更适宜采取加强型贝雷片。贝雷片是桥跨结构中较为重要的构件，待确定其纵向程度后，通过其间距决定其用量，与此同时间距的布置量也会对分配梁的布置造成直接影响，另外跨径布置也是钢管桩数量的直接影响因素。因此，在设计纵梁时，除了需要设计优化材料外，还需优化相关跨径以及间距。

基础主要用于承受全部的上部荷载，钢栈桥跨径的大小会对单墩最大荷载量造成直接影响，在相同荷载工况下，跨径越大其所需承载力越大。待确定单墩最大荷载后，应结合地质情况做好基础形式的设计工作，若持力层埋深较大，同时其上部地层较好，此时采用混凝土扩大基础，所需要的成本低于钢管桩基础。但是，如果软弱底层较厚，或者为水中基础，更适宜采取钢管桩基础，同时其更为经济[8]。待确定荷载后，可结合地层特性优化钢管桩间距、直径以及壁厚等，进而优化钢管桩的用量。直径越大，单位长度摩擦力越大，此时单根桩承载力越大；若壁厚越厚，钢管桩刚度越大，则抗弯能力更强，此时其用钢量会显著增加。若钢栈桥采取钢管桩基础，在总用钢量中，钢管桩所占比重较大，因此对其优化可有效降低成本。