馬來西亞某鐵路鋼棧橋的設計優化研究

中交天津港灣工程設計院有限公司，天津 300450

隨著中國交通運輸行業的大力發展，橋梁工程成為鐵路、公路等基礎建設的重要一環，其中鋼棧橋作為橋梁臨時工程，作用不可忽視。鋼棧橋不但要求結構合理，而且要求經濟適用，因此鋼棧橋的設計優化尤為重要[1-2]。

1 工程概況

馬來西亞某鐵路棧橋為9m標準跨的鋼棧橋，位于馬來西亞半島，該區域降雨充沛，河流水系較為發育。根據施工需求及河流條件，設置鋼棧橋的主要用途為鐵路施工車輛的通行。

（1）地質：整體線路巖石覆蓋層較淺，覆蓋層厚度大多在15m以下，軟巖以泥巖、砂巖、頁巖和板巖為主，硬巖以花崗巖為主。

（2）水文：沿線地表水主要存在于河流溝渠內，沿線河流均發源于中央山地帶，向東流入南海。鋼便橋跨越的河流多為小型河流，無通航要求，河流寬度≤30m。

（3）抗震：根據《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306—2015）和《建筑抗震設計規范（2016年版）》（GB 50011—2010）[3-4]，該工程場區所屬的設計地震分組為第一組，設計地震加速度為0.04g，且該項目為臨時工程，不考慮地震工況。

（4）設計高程：根據雨季河流水位漲落情況，鋼棧橋橋下凈空基于雨季常水位取1.5m，則橋面標高=雨季常水位水面標高+150cm凈空+0.825m結構高度。

2 技術標準及主要控制參數

2.1 技術標準

（1）鋼棧橋寬度為6.0m，計算跨徑為9m，橋面高程根據洪水位確定。

（2）結構安全等級為5級。

（3）設計使用年限5年。

2.2 主要控制參數

（1）鋼材容重為78.5kN/m3。

（2）結構的撓度限值為L/400，L為計算跨徑。

（3）Q235鋼材的抗壓彎強度設計值為190MPa，抗剪強度設計值為110MPa。

（4）S275JR鋼材的抗壓彎強度設計值為236MPa，抗剪強度設計值為136MPa。

3 結構設計

3.1 結構形式

鋼棧橋結構從上往下依次為護欄、橋面板、橫向分配梁、縱梁、樁頂主橫梁、樁基礎。

（1）護欄：高度為120cm，采用Φ48mm×3mm無縫鋼管，強度等級為S275JR。

（2）橋面板：采用縱向18#槽鋼，強度等級為S275JR，間距為23cm。

（3）橫向分配梁：采用工字鋼I15，強度等級為S275JR，間距為75cm。

（4）縱梁：6組雙拼40#工字鋼縱梁+1根40#工字鋼縱梁，強度等級為S275JR。

（5）樁頂主橫梁：雙拼I25工字鋼橫梁，強度等級為S275JR，長度為5m，主橫梁與樁頂結構采取焊縫連接。

（6）樁基礎：采用Φ630mm×10mm鋼管樁基礎，強度等級為Q235；每處橫梁下方布置2根樁基，每組樁基橫向間距為3.8m，樁基縱向間距為9.0m。為保證鋼棧橋整體穩定性，鋼管樁之間設置型鋼斜撐和橫撐連接，斜撐采用雙拼I25工字鋼（強度等級為S275JR），橫撐采用Φ273mm×8mm鋼管，強度等級為Q235。

3.2 設計荷載及荷載組合

（1）設計荷載。鋼棧橋的設計荷載：10m3混凝土灌車、55t履帶吊、72t旋挖鉆、水流力。

10m3混凝土灌車車荷載。10m3混凝土灌車車自重為12t，最大載重為20t（考慮裝載8m3混凝土），兩側輪胎間距為1.6m，設備外寬為2.35m，前橋重P1=64kN，中、后橋重P2=128kN，前橋單側輪著地尺寸為A1=（0.2×0.3）m2，中、后橋單側輪著地尺寸為A2=（0.2×0.6）m2，單側輪接地比壓計算公式如下：

55t履帶吊荷載。55t履帶吊自重為52.5t，履帶寬度為0.76m，長度為5.0m，履帶中心距為4.0m，設備外寬4.8m。車輛僅在橋上行車不作業，鋼棧橋采用挖機帶振動錘施工。單側輪接地比壓為。

72t旋挖鉆荷載。72t旋挖鉆自重為72t，履帶寬度為0.8m，長度為5.2m，履帶中心距為3.6m，設備外寬4.4m。單側輪接地比壓為。

水流力按1m水深考慮。依據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）[5]，φ630cm鋼管樁水流力為1.03kN，合力作用點位于水位線以下0.3倍水深處。

（2）荷載組合。依據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015），設計安全等級為三級，結構重要性系數為1.0。①承載能力極限狀態設計基本組合。恒載作用分項系數均取1.2，可變荷載作用分項系數均取1.4。②正常使用極限狀態設計準永久組合。車輛荷載效應的準永久值系數取0.4，水流力取1.0。根據棧橋使用期間車輛行駛情況，選取三種最不利計算工況。工況一：1輛滿灌車在棧橋中間行駛；工況二：55t履帶吊在棧橋跨中位置；工況三：72t旋挖鉆在棧橋跨中位置。

3.3 計算模型

鋼棧橋內力計算通過采用Midas公司的有限元分析軟件Midas Civil 2019建立主棧橋三維模型進行有限元計算，計算模型如圖1所示。

圖1 鋼棧橋計算模型

3.4 結構計算

鋼棧橋基礎均考慮樁土作用，根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG 3363—2019）[6]按m法計算樁基彈簧水平剛度。鋼管樁穩定性根據《鋼結構設計標準》（GB 50017—2017）[7]分別計算彎矩平面內穩定和彎矩平面外穩定。結構計算數據匯總如表1所示。

表1 結構計算數據匯總表

由表1可知，鋼棧橋結構的強度、剛度及穩定性均符合相關規范要求，但是強度方面的利用率較低，利用率最高為127.7÷236=54.1%，結構有待優化設計。

4 結構優化設計

4.1 結構截面優化

以“結構合理、經濟適用”為原則，選取合適的結構截面進行設計優化[8]。經過試算，選取的優化結構截面如表2所示。

表2 截面優化一覽表

4.2 優化后結構計算

優化結構計算數據匯總如表3所示。

表3 優化結構計算數據匯總表

4.3 優化效果

（1）結構強度。對比原結構和優化結構的結構強度，組合正應力利用率如圖2所示，剪應力利用率如圖3所示。由圖2可知，所有構件組合正應力的利用率均有提高，其中型鋼縱梁的利用率最為明顯，由50.4%提高到了78.5%，利用率接近80%，取得了良好的設計優化效果。由圖3可知，所有構件剪應力的利用率略有提高，其中型鋼縱梁的利用率由12.1%提高到了15.4%，利用率較低，說明剪應力的安全儲備較高。

圖2 組合正應力利用率

圖3 剪應力利用率

（2）結構剛度及穩定性。在結構剛度方面，原結構變形為12.6mm，優化結構的變形為18.1mm，與原結構相比增加了5.5mm，相關規范規定的撓度限值為22.5mm，優化后的結構剛度滿足規范要求且有一定的安全儲備。在穩定性方面，原結構平面內彎矩為36.1MPa，平面外彎矩為35.3MPa，優化結構平面內彎矩為29.0MPa，平面外彎矩為32.0MPa，與原結構相比分別減少7.1MPa和3.3MPa，強度設計值為190MPa，優化后的結構穩定性和安全儲備更高。

5 結論

（1）鋼棧橋結構設計不但要求構件的強度、剛度、穩定性滿足規范要求，而且要以“結構合理、經濟適用”為原則，選取合適的結構截面進行結構設計優化。

（2）截面優化后的鋼棧橋結構，強度利用率更高，節約成本，經濟適用，取得了良好的設計優化效果。

（3）計算中各種車輛荷載只考慮單一作用狀況，鋼棧橋在運營過程中，嚴禁兩輛施工車輛同時行駛在同一座鋼棧橋上。