淺談鋼棧橋的設計與施工要點

高 原

（南平武沙高速公路有限責任公司，福建 南平 353000 ）

0 引言

鋼棧橋是一種特殊橋型，其下部一般采用鋼管樁，上部采用貝雷桁架、工字鋼等，在建設過程中作為重大的臨時設施之一，為高速公路工程建設提供便捷條件。某高速公路擴建項目A2標段的設計中，利用有限元程序及相關規范進行計算分析，并對鋼棧橋結構及施工方案進行了詳細的設計，經過鋼棧橋實際施工及投入使用的驗證，該橋各項性能指標表現良好，為高速項目能夠順利建設提供了可靠的保障[1]。本文就該項目鋼棧橋的設計與施工要點進行介紹。

1 工程概況

1.1 鋼棧橋的結構

某高速公路擴建項目A2標段因原有橋梁不足以承受高速項目施工車輛荷載，為保證施工材料的運輸及施工需求，需要在現有大橋右側跨越河道修建1座鋼棧橋。

本次施工鋼棧橋共1座，橋面凈寬4.5m，橋總長39m。鋼棧橋上部結構自上而下采用厚度10mm花紋鋼板、I20b工字鋼（橫向）、321貝雷梁（縱向）、I40a工字鋼（橫向）。上層橋面分配梁采用I20b工字鋼，間距30cm，中間采用3組貝雷梁，每組貝雷梁間距147.5cm；下層樁頂分配梁工字鋼采用雙拼I40a工字鋼。棧橋設計為4跨，第1、2、4跨每跨為9m，第3跨為12m。下部結構樁身采用Ф630mm×10mm螺旋鋼管樁打入土體，棧橋與便道路基銜接北側橋臺采用混凝土板凳臺，南側橋臺采用鋼管樁柱臺，橋面護欄使用直徑48.3mm厚3.6mm的鋼管，離橋面高度1.2m，間隔1m。

1.2 鋼棧橋橋址地質情況

鋼棧橋橋址區總體微地貌形態地勢平坦，北側為現有村道，南側為省道。地面標高266.5～268.5m，相對高差2m，地形起伏較小，總體地勢平坦。

根據地勘鉆孔及地質調查揭示，橋址區地表以第四系沖洪積層和第四系殘坡積層為主，下伏基巖為風化層及燕山晚期侵入艾山階段花崗閃長巖體，局部人工填土。

地表水情況：鋼棧橋跨越溪流，地表水較發育，橋位處河流寬約35m，水深1～4m，流速1.0～1.5m/s，主要依靠上游來水及降水補給，以蒸發、徑流等方式排泄，該溪洪水水位高265.63m。鋼棧橋立面及跨溪段地質斷面圖見圖1。

圖1 鋼棧橋立面及跨溪段地質斷面圖

2 鋼棧橋設計方案

2.1 基本可變荷載及其它可變作用

本橋為臨時施工棧橋，僅供混凝土運輸車使用，禁止其他社會車輛和行人通行。為計算方便擬采用三一重工SY408C-10W(Ⅵ)LNG型8m3混凝土運輸車，其參數數據均取自三一重工集團官方網站；施工期間采用50T履帶吊按釣魚法進行，設備參照中聯重科CC550H履帶吊，設備自重49.2t，履帶接地長5m，寬0.76m，軌距2.36m。施工時，起吊應在墩頂，其正向、側向起吊按不超過10t吊重。

風載設計：鋼棧橋非作業、作業和施工的狀態允許風力為：10級風速為：28.4m/s，風力在10級以上時，棧橋禁止通行；8級風速為：20.7m/s，風力在8級以上時，禁止橋面作業；6級風速為：13.8m/s，風力在6級以上時，禁止棧橋施工[2]。

風載按《公路橋梁抗風設計規范》等相關規范進行計算：

施工架設期間取值K0=0.75；桁架風載系數K1=ηK1=0.45×1.2=0.54；按規范中A類地表，離地面或水面5m高度計K2=1.08；最不利地形地理條件選取K3=1.4；按規范A類取陣風風速系數K5=1.38。r=0.012017e-0.0001Z=0.012017e-0.0005=0.01201

6級風載：Vd=K2K5V0=1.08×1.38×13.8m/s=20.6m/s

每片貝雷片（含橋面板）抗風面積得：

得6級風時，風載為：

8級風載：Vd=K2K5V0=1.08×1.38×20.7m/s=30.9m/s

每片貝雷片（含橋面板）抗風面積得：

得8級風時，風載為：

10級 風 載 時：Vd=K2K5V0=1.08×1.38×28.4m/s=42.3m/s

每片貝雷片（含橋面板）抗風面積得：

得10級風時，風載為：

2.2 荷載組合工況

鋼棧橋荷載組合工況列入表1。

表1 荷載組合工況

2.3 鋼棧橋驗算準則

鋼棧橋作為重大臨時設施，驗算準則為：在使用情況下，棧橋能具備日常通行的穩定性及可靠性的條件；在未使用情況下，棧橋禁止通行，棧橋具備整體安全性的條件，允許局部出現可修復的損壞情況。

2.4 材料

除貝雷片外，其他所有鋼結構構件，全部采用Q235鋼材，貝雷片采用16Mn鋼材，Q235鋼材彈性模量E=206000N/mm2，Q345鋼材彈性模量E=206000N/mm2。

所有鋼結構材料的強度按照《鋼結構設計規范》（GB50017-2017）規定取值，對于Q235鋼材，強度設計值Fy=215N/mm2(鋼材厚度＜16mm)，抗剪強度Qy=125N/mm2。對于Q345鋼材，強度設計值Fy=305N/mm2(鋼材厚度＜16mm)，抗剪強度Qy=175N/mm2。

2.5 鋼棧橋計算

本棧橋結構采用橋梁有限元程序MIDASCIVIL(2017)進行建模計算（見圖2），計算內容主要包括棧橋結構強度，貝雷梁的強度與變形，鋼管樁的承載力、樁身強度和整體穩定性等[3]。結構自重程序自動加載，橋墩鋼管樁采用振動錘打入地基，故各墩按6個自由度全部限制進行模擬。

圖2 MidasCivil結構計算模型

將已得數據代入程序計算，整橋在混凝土攪拌車通過時，最大位移7.7mm，W=7.7mm＜[W]=L/400=12000/400=30mm；貝雷梁最大正應力δ=193MPa＜[δQ345]=305MPa；分配梁最大正應力δ=30MPa＜[δQ235]=215MPa；貝雷梁最大剪應力τ=133MPa＜[τQ345]=175MPa；墩頂分配梁正應力δ=63.2MPa＜[δQ235]=215MPa；鋼管樁最大正應力為δ=33.2MPa＜[δQ235]=215MPa。各項符合規范要求。

鋼管樁壓桿穩定性驗算由壓桿臨界壓力公式：

式中：

E——鋼管樁彈性模量，E=206×109 N/m2；

I——鋼管樁的慣性矩，I=9.361553×10-4；

u——壓桿長度系數，本例按一端絞接、一端固定模式進行計算，u=2；

l——計算長度，l=7m。

全橋最大反力出現在3號橋墩處，P=412kN

代入計算，有：

符合規范要求。

2.6 地基承載力

通過查閱設計圖紙的地勘資料，鋼棧橋位置河床以下主要為砂土狀強風化閃長花崗巖和碎塊狀強風化閃長花崗巖砂，鋼管樁按摩擦樁考慮進行驗算[4]。

摩擦樁承載力計算公式：

式中：

u——樁身周長，u=3.14×0.63=1.98m；

α——振動沉樁方式對樁側摩擦阻力的影響系數，查規范表得：α=1.1；

qi——各土層的摩阻力標準值，為安全起見，地基持力層全部按摩阻力較低的砂土狀強風化閃長花崗巖計算，通過查閱地勘資料可得：qi=75kPa；

li——對應各土層厚度，li=7m。

代入計算，有：

Ra＞[Ra]=1.25，故滿足規范要求。

2.7 設計結論

經計算，在各種荷載作用下，各棧橋構件強度及剛度均能達到設計要求。

3 鋼棧橋施工方法

鋼棧橋施工流程見圖3，分為上下部分。下部：振打樁基礎、安裝樁頂橫梁、架設貝雷桁架；上部：安裝橋面分配梁、鋪設面層鋼板。

圖3 鋼棧橋施工流程圖

3.1 施工準備

棧橋施工材料提前進場，作好施工前準備。依照設計圖以及結合現場情況，用全站儀測出橋臺、擴大基礎位置，定出棧橋中軸線，采用直接量距方法放出橋臺位置。

3.2 橋臺施工

棧橋南側采用4根Ф402mm鋼管打入土基，配合10mm鋼板作橋臺，北側橋臺采用C30混凝土墩臺帽，C20混凝土基礎，橋臺下鋪設10cm厚C15混凝土墊層。鋼棧橋橋臺支點設置橡膠墊緩沖層，橋臺與便道路基銜接采用碎石土分層填筑。

3.3 鋼管樁制作

該工程鋼管樁采用Ф630mm×10mm型號的螺旋鋼管，在現場拼接并對鋼管表面進行打磨除銹，涂刷環保防腐漆做防腐處理。第1節鋼管樁長度10m，第2節根據實際鋼管樁長度拼接后插打。管節在拼接時對口應保持在一條軸線上，成品樁的管節管徑偏差值、外觀尺寸以及橢圓度須達到規范要求[5]。

拼接管節時，采用V型坡口單面焊，內側帶內襯環。上節樁開45°坡口角；下節樁不開坡口，使用多層焊連接。封底焊接時使用小直徑焊條或者焊絲施焊。每道焊縫完成后立即清除飛濺物及熔渣，接著外觀檢查。除對接滿焊外，還需在連接處對稱焊接4塊尺寸為100mm×300mm厚度12mm的加勁板。手工焊采用結502或506焊條。

應進行首次焊接工藝試驗，并做出評定報告。根據評定報告編制焊接工藝規程，嚴格按評定指標進行施焊。

3.4 鋼管樁標識

成品鋼管樁以從下到上的順序，每間隔1m標記刻度，以便有效控制沉樁時的貫入度及接樁長度，并在樁頂標記成品樁長度。

3.5 鋼管樁定位

用全站儀在現場合理位置架設儀器，測出設計樁位。從成品樁起吊開始觀測，直至到達設計樁位后垂直振動貫入。在施工中發現樁偏位或偏移時，應調正后再繼續施工。

3.6 鋼管樁施工

（1）用導向定位架對棧橋鋼管樁定位。鋼管樁施工時使用GPS定位，以確保鋼管樁的施工精度。

（2）鋼管樁就位，下樁過程中，樁架應保持垂直。成品樁底部和頂部進行30cm包邊加強，以防施工時樁兩端卷曲變形。

（3）成品樁用50T履帶吊沉樁，使用懸打法施工下沉，履帶吊應停在已完成的橋面上，樁插入時垂直度偏差不得超過0.5%。在鋼管樁和振動錘自重作用入土穩定后，復測樁的垂直度及管樁位置達到設計要求后，用低檔施工繼續下沉，待樁貫入足夠深度振動錘換成高檔施工，直至下沉達到設計高程。在施工過程中保證垂直度和樁位，超1%偏差時立即糾正調整。

（4）每排樁施工達到設計標高后，復測樁頂標高，將多余的部分割除，不足部分接樁，然后割槽安裝樁頂雙拼I40a工字鋼分配梁，槽口外側焊接支撐托。

（5）樁間采用槽鋼進行連接，以增加樁的穩定性。待橋面分配梁及橋面完成后，履帶吊前移，繼續下一跨成品樁施工。

（6）鋼樁施工控制指標：樁位允許偏差小于50mm，垂直度允許偏差小于1/100。

3.7 樁頂分配梁安裝

樁頂分配梁長4.5m，采用雙拼I40a工字鋼。吊裝至樁頂槽口后，其下部焊接加勁板，將鋼管樁與樁頂分配梁焊接固定。

3.8 貝雷桁架拼裝

在空曠場地拼裝貝雷桁架，下鋪枕木，逐片吊裝貝雷，利用桁架銷子使其相互連接。將貝雷弦桿與加強弦桿利用弦桿螺栓相連接，將水平上下支撐架、豎向支撐架和貝雷用支撐架螺栓連成整體，貝雷接口處各安裝一片支撐架。采用接頭錯位連接方式使加強弦桿、水平支撐架、貝雷三者相互連接，保證貝雷桁架的整體剛性，可有效降低由于貝雷桁架接頭變形而導致主梁位移。應保證所有螺帽擰緊、插好桁架銷子保險銷。現場拼裝貝雷片每3片為1組，分節段逐步架設安裝。

3.9 橋面分配梁安裝

橋面分配梁長4.5m，采用I20b工字鋼，將橋面分配梁與貝雷桁架用支撐架螺栓連接成整體，橋面分配梁按設計間距30cm一道安裝，用角鋼或標準拉桿打斜撐相連。

3.10 橋面板及防護欄桿

橋面采用寬4.5m鋼板（10mm厚），與橋面分配梁固定焊接。橋面鋼板采用深花紋的防滑鋼板，防止打滑。

棧橋左右兩側設置橋面護桿，采用直徑48.3mm厚3.6mm的鋼管，離橋面高度1.2m，間隔1m，與橋面分配梁焊接；橫桿從下到上設置兩道，間距60cm。欄桿刷兩道油漆，里道刷防銹漆，外道每間隔30cm刷紅白相間漆，護欄設置反光條及防護網。

鋼棧橋完成后，組織相關人員進行成橋驗收，待驗收合格后方可投入使用。

4 結束語

根據項目需求選取合理參數，對其進行核驗分析，結果表明該棧橋設計的各結構形式合理、各項數據滿足規范要求。該棧橋在使用過程中表現出良好的穩定性，在高速項目的建設中起到了重要的作用。該工程可為以后類似棧橋施工提供參考。