劉忠友

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430071）

裝配式鋼棧橋設(shè)計(jì)施工新技術(shù)

劉忠友

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430071）

為加快鋼棧橋施工速度，降低施工成本，降低能源消耗，在寧高項(xiàng)目鋼棧橋設(shè)計(jì)施工中對(duì)鋼棧橋的裝配化進(jìn)行研究與實(shí)施，裝配式鋼棧橋基礎(chǔ)采用了鎖固式夾樁抱箍、承插、自鎖連接桿件，結(jié)構(gòu)采用工廠化加工，現(xiàn)場(chǎng)施工只需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)安裝；面板系統(tǒng)為標(biāo)準(zhǔn)、通用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，全部焊接工作在工廠內(nèi)完成，現(xiàn)場(chǎng)只需要用卡板連接在貝雷梁上即可。裝配式鋼棧橋在寧高項(xiàng)目成功實(shí)施，與普通鋼棧橋相比可節(jié)省成本30%以上，結(jié)構(gòu)安全可靠，施工效率提高1倍以上。實(shí)踐證明裝配式鋼棧橋具有較好的應(yīng)用前景。

鋼棧橋；裝配；貝雷梁；抱箍；U形鋼板卡

0 引言

水上工程結(jié)構(gòu)，特別是橋梁工程的施工，為了方便施工，需要搭設(shè)臨時(shí)棧橋作為施工通道，搭設(shè)臨時(shí)鋼平臺(tái)作為施工場(chǎng)地。目前國(guó)內(nèi)樁基式鋼棧橋、鋼平臺(tái)，樁基部分除采用鋼管樁外，也有采用PHC樁的報(bào)道；棧橋面層部分除采用鋼結(jié)構(gòu)面層外，也有部分棧橋采用預(yù)制、安裝的鋼筋混凝土板結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)面層也有很多的結(jié)構(gòu)組合，但基本都沒(méi)走出舊有的框架，不具有裝配化性能。

采用鋼管樁作為基礎(chǔ)的常規(guī)鋼棧橋、鋼平臺(tái)，通過(guò)焊接剪刀撐、鋼橫梁，上面擺放貝雷梁、面板系統(tǒng)。上述結(jié)構(gòu)基本都是采用焊接加螺栓連接，現(xiàn)場(chǎng)的焊接工作量大，安裝、拆除費(fèi)時(shí)費(fèi)工，剪刀撐等材料不具有周轉(zhuǎn)性，材料損耗大，成本高。對(duì)于需多次周轉(zhuǎn)的材料經(jīng)過(guò)重復(fù)的焊接，造成鋼材局部損傷從而降低鋼材的力學(xué)性能，形成結(jié)構(gòu)使用期間的安全隱患。

棧橋面板系統(tǒng)與貝雷梁的連接通常采用的是騎馬螺栓連接方式，采用騎馬螺栓連接時(shí)，面板系統(tǒng)的分配梁無(wú)法放置在貝雷梁的節(jié)點(diǎn)位置，影響到貝雷梁的結(jié)構(gòu)安全；在施工的可行性方面，主分配梁、次分配梁及面板要分批次在現(xiàn)場(chǎng)焊接、效率低、質(zhì)量保證率低，費(fèi)時(shí)、費(fèi)工。

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)鋼棧橋周轉(zhuǎn)性差，費(fèi)時(shí)、費(fèi)工的現(xiàn)狀，結(jié)合南方某跨湖橋梁項(xiàng)目研究了一種具有裝配結(jié)構(gòu)的鋼棧橋，可提高棧橋的裝配化程度，將棧橋現(xiàn)場(chǎng)施工的大部分環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化為工廠化的施工，最大限度地降低現(xiàn)場(chǎng)的工作強(qiáng)度，加快施工進(jìn)度，降低材料損耗。

1 常規(guī)棧橋、平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

1.1 常規(guī)結(jié)構(gòu)

常規(guī)棧橋、平臺(tái)為上承式結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用樁基，同排架樁間采用剪刀撐連接，用以加強(qiáng)基礎(chǔ)的整體剛度；樁頂采用較大型號(hào)的型鋼作為橫梁，上部結(jié)構(gòu)主桁架采用321型裝配式公路鋼橋桁架；鋼結(jié)構(gòu)橋面橫向分配梁一般采用中形工字鋼，次梁則采用較小型號(hào)的工字鋼，次梁焊接在分配梁上，分配梁與貝雷片用U形螺栓連接；面板一般采用花紋鋼板滿鋪，與次梁焊接[1]。常規(guī)鋼棧橋結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示。

圖1 常規(guī)鋼棧橋結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Regular steel trestle structure chart

1.2 常規(guī)結(jié)構(gòu)實(shí)施中存在的問(wèn)題

常規(guī)結(jié)構(gòu)的鋼棧橋、鋼平臺(tái)由于結(jié)構(gòu)的局限性，存在較多問(wèn)題。

1）現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量大：樁基間剪刀撐全部采用焊接連接，現(xiàn)場(chǎng)工作量大，施工效率低，而且由于野外環(huán)境的影響，焊接質(zhì)量難以保證；

2）連接件需對(duì)應(yīng)下料：由于鋼管樁在打設(shè)過(guò)程中出現(xiàn)不同程度的偏位，剪刀撐的桿件長(zhǎng)度就會(huì)各不相同，需要對(duì)每對(duì)樁距實(shí)施預(yù)先丈量，對(duì)應(yīng)下料，這種方式制作的剪刀撐只能使用一次，也造成材料的巨大浪費(fèi)；

3）對(duì)樁基的損害大：在棧橋、平臺(tái)拆除的過(guò)程中，剪刀撐要進(jìn)行氧氣切割，切割過(guò)程中對(duì)鋼管樁損害大；

4）貝雷梁受力狀態(tài)不理想：貝雷片與分配梁采用騎馬螺栓進(jìn)行連接，由于騎馬螺栓的特點(diǎn)，使得分配梁無(wú)法擱置在貝雷梁的節(jié)點(diǎn)位置，而是壓在腹桿上，影響貝雷梁的承載能力[2]；

5）面層焊接工作量大、不具周轉(zhuǎn)性：面層結(jié)構(gòu)要現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)、層層焊接，工作量大，施工效率低，而且由于焊接量大，又不具周轉(zhuǎn)性，將來(lái)拆除時(shí)工作量、材料損壞量大。

2 裝配式鋼棧橋設(shè)計(jì)方案

鑒于常規(guī)鋼棧橋、鋼平臺(tái)的缺陷，新設(shè)計(jì)方案在繼承常規(guī)棧橋設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)在裝配化方面進(jìn)行了探索，裝配式鋼棧橋結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2所示，主要有以下創(chuàng)新點(diǎn)。

圖2 裝配式鋼棧橋、平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure chart of fabricated steel trestle and platform

2.1 剪刀撐系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)裝配化

剪刀撐系統(tǒng)裝配化主要從3個(gè)方面著手：

1）采用鎖固式鋼抱箍替代原來(lái)剪刀撐與樁焊接的連接模式：鎖固式鋼抱箍采用專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)[3]，見(jiàn)圖3所示。鎖固式鋼抱箍為2個(gè)半圓體組成，一側(cè)采用鉸接，鎖固側(cè)采用八字形的工字插銷(xiāo)連接。插銷(xiāo)為上口小、下口大的八字形結(jié)構(gòu)，橫斷面為工字，插銷(xiāo)利用自鎖原理將鋼抱箍鎖緊。施工時(shí)將插銷(xiāo)插入鋼抱箍的鎖口，用錘擊打插銷(xiāo)即可將抱箍與鋼管牢固連接。

圖3 抱箍設(shè)計(jì)圖Fig.3 Hold hoop design

2）采用承插管式剪刀撐結(jié)構(gòu)適應(yīng)樁距的變化：剪刀撐連接桿采用承插管式結(jié)構(gòu)，通過(guò)其具有的伸縮功能來(lái)適應(yīng)樁基距離的變化。承插管設(shè)有鎖固斜槽，利用鋼楔鎖固。鎖固時(shí)，將鋼楔插入鎖固槽，用錘擊加壓后將鋼楔點(diǎn)焊在鎖固槽上。

3）采用球狀連接頭適應(yīng)空間扭曲：考慮到鋼管樁和剪刀撐在空間上存在扭曲，在裝配式工藝設(shè)計(jì)上特別采用了具有萬(wàn)向性的球狀體支座對(duì)空間扭曲進(jìn)行調(diào)節(jié)，球狀體支座為大球包小球結(jié)構(gòu)，小球?yàn)橥暾?，大球?yàn)?個(gè)半球體，通過(guò)螺栓連接，將小球夾緊[4]。

平聯(lián)設(shè)計(jì)[5]是裝配式鋼棧橋工藝的核心工藝，通過(guò)該工藝實(shí)現(xiàn)了鋼棧橋及平臺(tái)下部結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)連接。它改變了傳統(tǒng)的焊接工藝，通過(guò)鉸接或栓接保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了鋼管樁在施工過(guò)程中出現(xiàn)上下、左右、前后位置的偏位情況。該結(jié)構(gòu)的巧妙之處在于能夠在三維空間內(nèi)適應(yīng)樁基的偏位。在長(zhǎng)度方向上，通過(guò)鋼管之間的承插可伸長(zhǎng)、縮短連接鋼管，可調(diào)節(jié)距離達(dá)1 m，外管和內(nèi)管間采用三角鍥形塊通過(guò)摩擦力進(jìn)行固定。平聯(lián)通過(guò)抱箍連接在鋼管樁上，抱箍為壁厚16 mm的2塊半圓形鋼板，通過(guò)軸銷(xiāo)相連，開(kāi)口端采用八字形的斜插銷(xiāo)將2塊半圓體夾在一起。抱箍摩擦力的大小主要取決于八字形插銷(xiāo)的打擊力。平聯(lián)與抱箍采用球狀體連接，球狀體外側(cè)采用球狀外殼將球體包裹住，待角度調(diào)整好后采用螺栓將球狀外殼與球體進(jìn)行夾緊連接[6]。采用球狀體的主要作用是調(diào)節(jié)鋼管樁在空間上的偏位，角度調(diào)節(jié)范圍較大，能適合現(xiàn)場(chǎng)工況。

2.2 橋面層整體化

面層結(jié)構(gòu)主要有橫向分配梁、次梁及面板組成，為提高裝配化程度，面層結(jié)構(gòu)采用工廠化整體焊接，按照?qǐng)D4的結(jié)構(gòu)模式統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。焊接完成后運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)直接吊裝。由于采用工廠化焊接，改善了施工條件，有利于加快施工進(jìn)度和提高施工質(zhì)量，改善了施工環(huán)境。

圖4 面層示意圖Fig.4 Sketch of surface layer

2.3 貝雷梁與面板系統(tǒng)實(shí)行U形鋼板卡點(diǎn)焊快速連接

面層結(jié)構(gòu)安裝后必須與貝雷梁可靠連接以形成整體，為此研發(fā)了一種U形鋼板卡（見(jiàn)圖5所示），當(dāng)面層系統(tǒng)安裝到位后用U形鋼板卡連接貝雷梁及面層的分配梁。連接時(shí)，將U形鋼板卡的槽口卡住貝雷梁的上腹桿及分配梁的型鋼翼緣板，按45°方向角插入，并用手錘敲緊，然后將U形鋼板卡點(diǎn)焊在上面的面層分配梁上。拆除時(shí)只需用手錘反方向敲擊U形鋼板卡即可輕松拆除。

圖5 U形鋼板卡大樣圖Fig.5 U-shape steel plate card detail

3 實(shí)施成果分析

寧高速通道跨湖工程需搭設(shè)鋼棧橋12余km，搭設(shè)鋼平臺(tái)215座，為加快施工進(jìn)度，該項(xiàng)目部分鋼棧橋及平臺(tái)采用了裝配式鋼棧橋新結(jié)構(gòu)。

原計(jì)劃鋼平臺(tái)共周轉(zhuǎn)3次，共需投入鋼平臺(tái)為：215/3=71個(gè)；鋼管樁及平聯(lián)損耗率為8%。經(jīng)過(guò)裝配式工藝改進(jìn)后，鋼平臺(tái)周轉(zhuǎn)次數(shù)提高到4次，實(shí)際投入鋼平臺(tái)為：215/4=53個(gè)；材料損耗率降為3%。每個(gè)鋼平臺(tái)鋼材質(zhì)量為200 t；鋼管樁材料為90 t。工藝改進(jìn)后鋼平臺(tái)節(jié)省的材料費(fèi)為：（71-53）×200×3 000=1 080萬(wàn)元，鋼管樁減少損耗為：71×90×（8%-3%）×3 000= 95萬(wàn)元，合計(jì)降低成本為：1 080+95=1 175萬(wàn)元。另外，采用的裝配式鋼棧橋具有廣泛的通用性，本工程拆下的所有鋼構(gòu)件可以無(wú)損耗地應(yīng)用在其它項(xiàng)目的臨時(shí)棧橋中，效益可觀。

通過(guò)裝配式工藝研究，在一定層次上解決鋼棧橋的快速周轉(zhuǎn)問(wèn)題，提高了施工功效。裝配式鋼棧橋的大規(guī)模使用，有效避免了棧橋焊接工藝質(zhì)量不穩(wěn)定等相關(guān)問(wèn)題，將現(xiàn)場(chǎng)焊接改為工廠化集中焊接，提高了工程質(zhì)量，有效減少鋼管樁的破損，提高了材料的周轉(zhuǎn)效率。裝配式剪刀撐結(jié)見(jiàn)圖6。

圖6 裝配式剪刀撐結(jié)Fig.6 Fabricated scissors junction

對(duì)于裝配式鋼棧橋，橋面板及平聯(lián)等都在加工場(chǎng)內(nèi)按圖紙加工成標(biāo)準(zhǔn)件，隨時(shí)運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝，現(xiàn)場(chǎng)平聯(lián)焊接以及面板下工字鋼的安裝不再占用大量時(shí)間，施工效率由原先的3 d 2跨加快至現(xiàn)在的1 d 2跨，在湖區(qū)有打樁船配合沉樁的情況下最快每天能施工4跨鋼棧橋。施工時(shí)只需要1臺(tái)80 t的履帶吊即可滿足施工強(qiáng)度要求，大大提高了工效，節(jié)約了工期，節(jié)省了費(fèi)用。同時(shí)裝配式鋼棧橋主要工序?yàn)檎w拼裝，避免了棧橋施工過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間的水上高危作業(yè)，大大提高了鋼棧橋施工的安全性。

4 結(jié)語(yǔ)

在總結(jié)了常規(guī)鋼棧橋存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，對(duì)相關(guān)問(wèn)題提出了解決辦法，引入了鋼棧橋、鋼平臺(tái)的裝配化設(shè)計(jì)方案，研發(fā)了剪刀撐的伸縮桿件、球形萬(wàn)向接頭、鎖固式樁抱箍，將原來(lái)現(xiàn)場(chǎng)焊接的面層系統(tǒng)進(jìn)行了工廠化設(shè)計(jì)。

裝配式臨時(shí)鋼棧橋及鋼平臺(tái)為大型橋梁基礎(chǔ)施工尤其是特大型跨海（湖）橋梁的基礎(chǔ)施工開(kāi)辟了良好的技術(shù)條件，在行業(yè)發(fā)展上具有創(chuàng)新意義，有利于推動(dòng)橋梁施工領(lǐng)域向著工廠化、裝配化方向發(fā)展，從而提高橋梁施工的質(zhì)量及安全保障，對(duì)整個(gè)施工行業(yè)的技術(shù)發(fā)展有著較大的推動(dòng)作用。

[1]龍亮.鋼棧橋施工技術(shù)[J].黑龍江科技信息，2008（10）：76-79. LONG Liang.Construction technology of steel trestle bridge[J]. HeilongjiangScienceandTechnologyInformation,2008(10):76-79.

[2]趙興旺.淺析鋼棧橋的設(shè)計(jì)[J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2009（27）：91-95. ZHAOXing-wang.Analysisonthedesignofsteel trestle[J].Sci-Tech Information Development and Economy,2009(27):91-95.

[3]劉忠友，姚平，常紅金，等.鎖固式樁基夾樁：，201310299082.X [P].2013-07-17. LIU Zhong-you,YAO Ping,CHANG Hong-jin,et al.Pile gripper of locking type pile foundation:201310299082.X[P].2013-07-17.

[4]劉忠友，常紅金，黃磊，等.裝配式鋼棧橋：201310354878.0[P]. 2013-08-15. LIU Zhong-you,CHANG Hong-jin,HUANG Lei,et al.Fabricated steel trestle:201310354878.0[P].2013-08-15.

[5]JTS 152—2012，水運(yùn)工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. JTS 152—2012,Code for design of steel structures in port and waterway engineering[S].

[6]GB 50755—2012，鋼結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范[S]. GB 50755—2012,Code for construction of steel structures[S].

New technology for design and construction of fabricated steel trestle

LIU Zhong-you
（CCCC Second Harbor Engineering Consultants Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430071,China）

For speeding up steel trestle construction speed,reducing construction cost and energy consumption,we researched and implemented the assembly of steel trestle during the steel trestle design and construction in Nanjing-Gaochun railway project.The foundation of fabricated steel trestle used the locking type clip pile hold hoop,bearing plug,and self-lock connecting rods pieces,its structure used factory of processing,the site construction only need for structure installation;the panel system for standard,and general structure design,all welding works were completed in factory,only need with card board connection in Bailey beam in the site.The fabricated steel trestle successfully implemented can savings over 30%cost compared with conventional steel trestle,its structure is safe and reliable,and efficiency increased by more than 1 time. Practice proved fabricated steel trestle should have good application prospects.

steel trestle;fabricated;bailey beam;hold hoop;U-shape steel plate

U445.55；U448.218

A

2095-7874（2017）01-0046-04

10.7640/zggwjs201701010

2016-08-30

2016-10-22

劉忠友（1963— ），男，江蘇沛縣人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事水運(yùn)工程的施工與管理。E-mail：lzy630906@126.com