大跨度桥梁临时钢栈桥施工模拟与监测分析

摘 要：本文介绍了龙凤大桥临时施工钢栈桥的设计和结构特点，并采用Midas Civil对钢栈桥进行数值模拟分析，验算设计工况下工字钢横纵梁、分配梁及钢管桩的受力性能，以此确定钢栈桥的施工工艺。基于数值分析结果，对临时钢栈桥的承重关键部位布设位移测点，并实时监测获得大跨度桥梁临时钢栈桥使用过程的水平位移和沉降情况变化规律，总结高可靠度和高安全度的临时钢栈桥施工方法，从而保障砼运输车作用下钢栈桥的安全运营。

关键词：大跨度桥梁；钢栈桥；施工模拟；监测分析

中图分类号：U 44 " 文献标志码：A

在建设跨越河流的大跨度桥梁工程中，为解决材料、设备运输以及人员进出困难的问题，建设临时施工钢栈桥是常用的施工方法之一[1]。然而，钢栈桥结构连接节点数量较多，在车辆荷载作用下具有较大的动能，因此钢栈桥的使用过程存在较大的安全隐患[2]。结合龙凤大桥施工过程的实际需求，采用有限元分析方法进行临时钢栈桥设计，研究了适用于大跨度桥梁临时钢栈桥的施工和拆除工艺，同时根据钢栈桥数值分析结果中的薄弱点进行位移监测，分析钢栈桥在车辆荷载作用下墩台顶部位移的变化规律，保证钢栈桥的实时稳定性能和钢栈桥使用过程的可靠性。

1 钢栈桥工程概况

龙凤大桥位于清远市佛冈县龙凤新区，跨越潖江，桥长250.5m、宽43.5m。为解决建桥过程的施工交通及物资调配问题，需要搭设临时钢栈桥。考虑栈桥的车辆荷载较大以及工程量使用情况，钢栈桥采用钢管柱结合工字钢梁的结构形式，基础采用钢管桩。临时钢栈桥长度为137.8m，宽度为6.0m，顶面高程为65.09m。钢栈桥桥址位置不要求航道通行，其设计荷载主要为施工车辆荷载，应满足40t砼运输车通行条件，设计行车速度为10km/h。

2 钢栈桥结构形式

临时钢栈桥设计单跨标准跨径5.30m，桥面净宽6.0m，钢栈桥结构自上至下依次为桥面钢板、I20a工字钢分配梁、I32a工字钢纵梁、2I45a工字钢横梁、⌀529mm×10mm钢管桩、[20槽钢横斜联。钢栈桥两头各设置一桥台，两侧设置防护钢管栏杆，桥墩采用⌀530mm钢管桩，每排2根，管横向中心间距为4.0m，横向用[20槽钢联接。钢管桩顶采用斜拉杆[12槽钢搭设，用2根I45a工字钢相互拼焊作为横梁，钢栈桥上部纵梁采用14排I32a工字钢拼装，工字钢间距0.45m，在I32a工字钢纵梁上布置间距0.30m的I20a号工字钢横向分配梁，分配梁顶桥面采用厚8mm的花纹钢板满铺而成。

3 钢栈桥结构模拟分析

3.1 计算模型

采用Midas Civil有限元分析软件对临时钢栈桥进行数值分析，建立实体模型如图1所示。其中临时钢栈桥的钢管桩、工字钢横梁、工字钢纵梁以及工字钢分配梁均采用空间梁单元，钢管桩顶部和工字钢横梁、工字钢纵梁、工字钢分配梁之间采用弹性连接。钢管桩底部的边界条件完全固定，约束6个方向的自由度。钢材为Q235钢，力学参数f为215MPa，fv为125MPa。钢栈桥车辆荷载取1.4倍的安全系数，强度验算的荷载组合为1.2自重+1.4车辆荷载，刚度验算的荷载组合为1.0自重+1.0车辆荷载，用均布荷载的方式将荷载施加到分配梁上。

3.2 钢栈桥安装过程模拟

3.2.1 I20a工字钢分配梁验算

为了得到钢栈桥桥面板、分配梁等构件的组合应力与剪应力，需要对钢栈桥各组成部件进行内力分析[3]，经过计算，当混凝土运输车经过栈桥时，I20a工字钢的最大组合应力σ为215MPa，大于68.3MPa，最大剪应力τ为125MPa，大于20.6MPa，因此在最不利工况下，I20a工字钢的抗弯强度和抗剪强度满足要求。

3.2.2 I32a工字钢纵梁验算

经过进一步运算分析，砼车经过栈桥时，I32a工字钢纵梁最大组合应力σ为215MPa，大于89.5MPa，最大剪力τ为125MPa，大于46.9MPa，因此I32a工字钢纵梁的抗弯强度和抗剪强度满足要求。

3.2.3 钢栈桥2I45a工字钢横梁验算

经运算分析，运输车通过栈桥时，2I45a工字钢在桩顶横梁处产生最大组合应力，计算可知，40t砼运输车通过栈桥时，钢栈桥2I45a工字钢最大组合应力σ为215MPa，大于68.5MPa，最大剪应力τ为125MPa，大于32.3MPa，因此钢栈桥2I45a工字钢的抗弯强度和抗剪强度满足要求。

3.2.4 钢管桩内力和栈桥挠度模拟结果

钢栈桥ø529mm×10mm钢管桩埋深于卵石层中，钢管柱入土深度不小于6m，进入卵石层不小于1.5m。根据钢管桩设计方案对其内力分布及栈桥位移变形进行模拟分析，当砼车通过栈桥时，钢管桩的最大压应力为101.3MPa，小于规范中允许的最大应力值215MPa。钢栈桥桥面挠度值均发生不同程度变化，其中钢栈桥跨中位置挠度最大，为5.7mm，小于规范要求的L/400=13.25mm，满足要求。

综上所述，本文提出的施工方法对临时钢栈桥内力和位移控制起到了较为理想的作用，即龙凤大桥临时钢栈桥的设计符合承载性能要求。

4 临时钢栈桥关键施工技术

4.1 桥台施工工艺

当钢栈桥施工时，须清除桥台基础位置的软土，开挖至承载力满足要求且深度超过1m的硬底河床，栈桥两头各设置一个桥台。桥台施工完成后通过测量放样预埋桥台支座钢板，桥台采用[20槽钢支垫，并对工字钢纵梁采取限位措施[4]。

4.2 钢管桩施工工艺

钢栈桥采用振动锤沉桩形式埋设钢管桩，桥台施工完成后进行栈桥搭设，根据图纸计算钢管桩平面坐标和标高，利用全站仪和导向架精确定位钢管桩位置，并根据计算结果在控制点放置观测点。钢管桩由⌀529mm×10mm规格钢管组成，利用挂车运至施工现场，最大运输长度取9.0m。

施锤过程通过测量放样钢管桩外圆的两根切线，根据钢管外圆两处切点下放钢管桩以确定桩中心位置，在桩位处横桥向安放双“井”字定位架，首先，采用钢管桩及桩锤自重进行压桩，其次，钢管桩下沉时同步测量桩位和倾斜度，最后，误差过大时通过桩架调整，满足要求即开始锤击。钢管桩振动锤型号为DZ90，通过入土深度控制钢管桩最终桩尖标高。钢管桩接长采用多层焊，焊接时两钢管接头采用对接坡口焊，对口拼接时相邻管节的焊缝接头错开0.5m以上，焊接采用二氧化碳气体保护焊，焊条型号为E50X，焊接过程通过控制走向顺序、焊接电流、焊缝尺寸等工艺参数，提高焊缝质量，保证临时钢栈桥使用过程的耐久性能。

4.3 桩顶横梁施工工艺

完成钢管桩基础施工后，进行钢栈桥桥面系施工。首先，复核钢管桩桩顶标高，切除超高部分钢管桩，其次，下放横梁至桩顶开槽口处，用临时牵引吊索悬挂电焊线移动至待施工钢管桩处，将钢管桩与横梁焊接，最后，进行纵梁架设，提高栈桥整体稳定性[5]。

在型钢顶面铺设贝雷片，贝雷片间距8m×0.90m。对部分贝雷梁进行加密，采用12片贝雷片，贝雷片间距为0.45m和0.90m，组合布置。贝雷片之间采用花架固定，在架设贝雷片前，须根据施工跨径提前组拼成形，运输至现场后由履带现场吊装，安装贝雷架横梁后，贝雷片底部与桩顶承重梁间采用槽钢制作限位装置连接固定，保证限位装置与承重梁之间满焊，角焊缝厚度不小于8mm。

4.4 栈桥拆除工艺

主桥单幅通车后，可逐孔跨拆除临时钢栈桥及其钢管桩，由江中心向栈桥两端方向由上至下逐跨拆除，采用DZJ-60振动锤拆除钢管桩，用25t汽车吊进行起重吊装作业。按照从栈桥跨中向两端逐跨拆除顺序拆除纵向分配梁及横梁。在钢管桩拔除过程中，利用空压机或吸泥机在钢管桩内外射水或吸泥处理后，可以最大程度减少摩擦阻力，再利用50t履带起重机或DZJ-60沉拨桩锤缓慢拔出钢管桩。采用25t吊车在未拆除栈桥的桥面上配合人工进行其他拆除工序，拆下的材料用平板车运输到桥头，并及时外运。

5 钢栈桥监测

5.1 监测设计

在钢栈桥使用过程中，稳定加载所有竖向施工荷载后，对钢栈桥各测点的水平及竖向位移监测数据进行综合分析，能够准确反映临时钢栈桥的受力状态。为防止运输过程中车辆荷载对钢栈桥产生不利影响，采用位移监测的方法掌握运营期间关键部位的位移变形规律，分析运输车辆荷载及振动荷载对钢栈桥安全承载性能的影响[6]。根据数值分析结果在桥两面跨中位置埋设32个位移监测点，墩台顶部水平位移测点16个，墩台沉降测点16个。主要监测方法包括极坐标法和闭合水准线路法，采用索佳IM-101全站仪监测墩台顶部水平位移，采用索佳SDL1X电子水准仪进行墩台顶部沉降监测。

5.2 监测结果分析

对临时钢栈桥进行实时监测，保证其使用过程结构稳定性以及位移量满足规范限值要求，各监测周期测到的临时钢栈桥位移最大值如图2～图5所示。由图2～图3可知，随着监测周期增长，钢栈桥水平最大位移量幅值逐渐趋于0mm，竖向最大位移量变化趋势逐渐趋于稳定，表明在钢栈桥使用过程中，运营状态逐渐稳定。由图4～图5可知，钢栈桥施工过程中同步监测到的水平和竖向累计最大位移量变化趋势平滑稳定，未出现异常波动和位移巨变的情况，实测水平累计最大位移值为6.1mm，竖向累计最大位移值为6.8mm，与理论挠度值误差较小，且满足规范要求的13.25mm。因此，临时钢栈桥的刚度符合规范要求。

通过分析各周期监测到的钢栈桥水平及竖向变形数据，发现在施工过程中，位移监测数据随施工荷载的变化而变动，水平和竖向的变形数据随着钢栈桥使用时间增长逐渐趋于平稳，各监测点累计变化量及单次变化速率较小，监测数据符合施工过程对结构的影响变化规律，表明钢栈桥施工过程安全可控。

6 结语

本文对仿真模拟技术对钢栈桥进行施工模拟分析，并监测临时钢栈桥使用过程的变形情况，分析钢栈桥桥面板、分配梁、钢管桩等构件的内力和变形，得出以下结论。1）通过有限元分析，40t砼运输车钢栈桥作业时，栈桥的刚度（最大挠度为5.7mm＜L/400=13.25mm）、强度（栈桥构件最大应力为101.3MPa，＜215MPa）均满足规范要求，证明了临时钢栈桥设计方案的可行性。2）目前龙凤大桥主体结构已完成施工，本文总结的钢栈桥施工工艺，不仅为大桥主体结构的施工提供了可靠的运输通道和施工平台，还可为其他类似工程提供借鉴。3）通过监测数据分析可知，钢栈桥以承受竖向力为主，抵抗水平力较差，钢栈桥开始受荷阶段水平位移较大，随着贝雷梁连接越来越紧固，水平最大位移值随时间逐渐减少趋于稳定。通过随时监测栈桥运营状况，发现施加荷载过程大部分监测数据与数值模拟值相差较小，说明加载过程钢栈桥的变形情况可控。

参考文献

[1]侯孝振.基于Midas Civil的某跨河钢便桥设计验算有限元分析[J].安徽建筑，2021，28（7）：176-177.

[2]马明，黄登侠.钢栈桥的结构设计分析和计算[J].公路交通科技（应用技术版），2013，9（8）：147-152.

[3]薛武强，盛健超，王哲，等.盾构施工临时栈桥安全监测技术[J].地基处理，2020，2（6）：483-491.

[4]徐大振.装配式钢栈桥及钢平台快速施工技术应用研究[J].交通世界，2023（27）：118-120.

[5]祖重熙.桥梁工程临时钢栈桥施工技术研究[J].工程建设与设计，2023（10）：152-155.

[6]黄中营，王猛，刘聪，等.北京工人体育场施工用钢栈桥设计与监测[J].建筑结构，2023，53（6）：71-75，25.