高 原

（南平武沙高速公路有限責(zé)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(shè)過(guò)程中作為重大的臨時(shí)設(shè)施之一，為高速公路工程建設(shè)提供便捷條件。某高速公路擴(kuò)建項(xiàng)目A2標(biāo)段的設(shè)計(jì)中，利用有限元程序及相關(guān)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算分析，并對(duì)鋼棧橋結(jié)構(gòu)及施工方案進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)鋼棧橋?qū)嶋H施工及投入使用的驗(yàn)證，該橋各項(xiàng)性能指標(biāo)表現(xiàn)良好，為高速項(xiàng)目能夠順利建設(shè)提供了可靠的保障[1]。本文就該項(xiàng)目鋼棧橋的設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn)進(jìn)行介紹。

1 工程概況

1.1 鋼棧橋的結(jié)構(gòu)

某高速公路擴(kuò)建項(xiàng)目A2標(biāo)段因原有橋梁不足以承受高速項(xiàng)目施工車(chē)輛荷載，為保證施工材料的運(yùn)輸及施工需求，需要在現(xiàn)有大橋右側(cè)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(zhǎng)39m。鋼棧橋上部結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)為4跨，第1、2、4跨每跨為9m，第3跨為12m。下部結(jié)構(gòu)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(cè)橋臺(tái)采用混凝土板凳臺(tái)，南側(cè)橋臺(tái)采用鋼管樁柱臺(tái)，橋面護(hù)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(zhì)情況

鋼棧橋橋址區(qū)總體微地貌形態(tài)地勢(shì)平坦，北側(cè)為現(xiàn)有村道，南側(cè)為省道。地面標(biāo)高266.5～268.5m，相對(duì)高差2m，地形起伏較小，總體地勢(shì)平坦。

根據(jù)地勘鉆孔及地質(zhì)調(diào)查揭示，橋址區(qū)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(fēng)化層及燕山晚期侵入艾山階段花崗閃長(zhǎng)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(fā)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(lái)水及降水補(bǔ)給，以蒸發(fā)、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(zhì)斷面圖見(jiàn)圖1。

圖1 鋼棧橋立面及跨溪段地質(zhì)斷面圖

2 鋼棧橋設(shè)計(jì)方案

2.1 基本可變荷載及其它可變作用

本橋?yàn)榕R時(shí)施工棧橋，僅供混凝土運(yùn)輸車(chē)使用，禁止其他社會(huì)車(chē)輛和行人通行。為計(jì)算方便擬采用三一重工SY408C-10W(Ⅵ)LNG型8m3混凝土運(yùn)輸車(chē)，其參數(shù)數(shù)據(jù)均取自三一重工集團(tuán)官方網(wǎng)站；施工期間采用50T履帶吊按釣魚(yú)法進(jìn)行，設(shè)備參照中聯(lián)重科CC550H履帶吊，設(shè)備自重49.2t，履帶接地長(zhǎng)5m，寬0.76m，軌距2.36m。施工時(shí)，起吊應(yīng)在墩頂，其正向、側(cè)向起吊按不超過(guò)10t吊重。

風(fēng)載設(shè)計(jì)：鋼棧橋非作業(yè)、作業(yè)和施工的狀態(tài)允許風(fēng)力為：10級(jí)風(fēng)速為：28.4m/s，風(fēng)力在10級(jí)以上時(shí)，棧橋禁止通行；8級(jí)風(fēng)速為：20.7m/s，風(fēng)力在8級(jí)以上時(shí)，禁止橋面作業(yè)；6級(jí)風(fēng)速為：13.8m/s，風(fēng)力在6級(jí)以上時(shí)，禁止棧橋施工[2]。

風(fēng)載按《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算：

施工架設(shè)期間取值K0=0.75；桁架風(fēng)載系數(shù)K1=ηK1=0.45×1.2=0.54；按規(guī)范中A類(lèi)地表，離地面或水面5m高度計(jì)K2=1.08；最不利地形地理?xiàng)l件選取K3=1.4；按規(guī)范A類(lèi)取陣風(fēng)風(fēng)速系數(shù)K5=1.38。r=0.012017e-0.0001Z=0.012017e-0.0005=0.01201

6級(jí)風(fēng)載：Vd=K2K5V0=1.08×1.38×13.8m/s=20.6m/s

每片貝雷片（含橋面板）抗風(fēng)面積得：

得6級(jí)風(fēng)時(shí)，風(fēng)載為：

8級(jí)風(fēng)載：Vd=K2K5V0=1.08×1.38×20.7m/s=30.9m/s

每片貝雷片（含橋面板）抗風(fēng)面積得：

得8級(jí)風(fēng)時(shí)，風(fēng)載為：

10級(jí) 風(fēng) 載 時(shí)：Vd=K2K5V0=1.08×1.38×28.4m/s=42.3m/s

每片貝雷片（含橋面板）抗風(fēng)面積得：

得10級(jí)風(fēng)時(shí)，風(fēng)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(yàn)算準(zhǔn)則

鋼棧橋作為重大臨時(shí)設(shè)施，驗(yàn)算準(zhǔn)則為：在使用情況下，棧橋能具備日常通行的穩(wěn)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(xiàn)可修復(fù)的損壞情況。

2.4 材料

除貝雷片外，其他所有鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2017）規(guī)定取值，對(duì)于Q235鋼材，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值Fy=215N/mm2(鋼材厚度＜16mm)，抗剪強(qiáng)度Qy=125N/mm2。對(duì)于Q345鋼材，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值Fy=305N/mm2(鋼材厚度＜16mm)，抗剪強(qiáng)度Qy=175N/mm2。

2.5 鋼棧橋計(jì)算

本棧橋結(jié)構(gòu)采用橋梁有限元程序MIDASCIVIL(2017)進(jìn)行建模計(jì)算（見(jiàn)圖2），計(jì)算內(nèi)容主要包括棧橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，貝雷梁的強(qiáng)度與變形，鋼管樁的承載力、樁身強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性等[3]。結(jié)構(gòu)自重程序自動(dòng)加載，橋墩鋼管樁采用振動(dòng)錘打入地基，故各墩按6個(gè)自由度全部限制進(jìn)行模擬。

圖2 MidasCivil結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

將已得數(shù)據(jù)代入程序計(jì)算，整橋在混凝土攪拌車(chē)通過(guò)時(shí)，最大位移7.7mm，W=7.7mm＜[W]=L/400=12000/400=30mm；貝雷梁最大正應(yīng)力δ=193MPa＜[δQ345]=305MPa；分配梁最大正應(yīng)力δ=30MPa＜[δQ235]=215MPa；貝雷梁最大剪應(yīng)力τ=133MPa＜[τQ345]=175MPa；墩頂分配梁正應(yīng)力δ=63.2MPa＜[δQ235]=215MPa；鋼管樁最大正應(yīng)力為δ=33.2MPa＜[δQ235]=215MPa。各項(xiàng)符合規(guī)范要求。

鋼管樁壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)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(zhǎng)度系數(shù)，本例按一端絞接、一端固定模式進(jìn)行計(jì)算，u=2；

l——計(jì)算長(zhǎng)度，l=7m。

全橋最大反力出現(xiàn)在3號(hào)橋墩處，P=412kN

代入計(jì)算，有：

符合規(guī)范要求。

2.6 地基承載力

通過(guò)查閱設(shè)計(jì)圖紙的地勘資料，鋼棧橋位置河床以下主要為砂土狀強(qiáng)風(fēng)化閃長(zhǎng)花崗巖和碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化閃長(zhǎng)花崗巖砂，鋼管樁按摩擦樁考慮進(jìn)行驗(yàn)算[4]。

摩擦樁承載力計(jì)算公式：

式中：

u——樁身周長(zhǎng)，u=3.14×0.63=1.98m；

α——振動(dòng)沉樁方式對(duì)樁側(cè)摩擦阻力的影響系數(shù)，查規(guī)范表得：α=1.1；

qi——各土層的摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，為安全起見(jiàn)，地基持力層全部按摩阻力較低的砂土狀強(qiáng)風(fēng)化閃長(zhǎng)花崗巖計(jì)算，通過(guò)查閱地勘資料可得：qi=75kPa；

li——對(duì)應(yīng)各土層厚度，li=7m。

代入計(jì)算，有：

Ra＞[Ra]=1.25，故滿足規(guī)范要求。

2.7 設(shè)計(jì)結(jié)論

經(jīng)計(jì)算，在各種荷載作用下，各棧橋構(gòu)件強(qiáng)度及剛度均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 鋼棧橋施工方法

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

圖3 鋼棧橋施工流程圖

3.1 施工準(zhǔn)備

棧橋施工材料提前進(jìn)場(chǎng)，作好施工前準(zhǔn)備。依照設(shè)計(jì)圖以及結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，用全站儀測(cè)出橋臺(tái)、擴(kuò)大基礎(chǔ)位置，定出棧橋中軸線，采用直接量距方法放出橋臺(tái)位置。

3.2 橋臺(tái)施工

棧橋南側(cè)采用4根Ф402mm鋼管打入土基，配合10mm鋼板作橋臺(tái)，北側(cè)橋臺(tái)采用C30混凝土墩臺(tái)帽，C20混凝土基礎(chǔ)，橋臺(tái)下鋪設(shè)10cm厚C15混凝土墊層。鋼棧橋橋臺(tái)支點(diǎn)設(shè)置橡膠墊緩沖層，橋臺(tái)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(hào)的螺旋鋼管，在現(xiàn)場(chǎng)拼接并對(duì)鋼管表面進(jìn)行打磨除銹，涂刷環(huán)保防腐漆做防腐處理。第1節(jié)鋼管樁長(zhǎng)度10m，第2節(jié)根據(jù)實(shí)際鋼管樁長(zhǎng)度拼接后插打。管節(jié)在拼接時(shí)對(duì)口應(yīng)保持在一條軸線上，成品樁的管節(jié)管徑偏差值、外觀尺寸以及橢圓度須達(dá)到規(guī)范要求[5]。

拼接管節(jié)時(shí)，采用V型坡口單面焊，內(nèi)側(cè)帶內(nèi)襯環(huán)。上節(jié)樁開(kāi)45°坡口角；下節(jié)樁不開(kāi)坡口，使用多層焊連接。封底焊接時(shí)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(duì)接滿焊外，還需在連接處對(duì)稱焊接4塊尺寸為100mm×300mm厚度12mm的加勁板。手工焊采用結(jié)502或506焊條。

應(yīng)進(jìn)行首次焊接工藝試驗(yàn)，并做出評(píng)定報(bào)告。根據(jù)評(píng)定報(bào)告編制焊接工藝規(guī)程，嚴(yán)格按評(píng)定指標(biāo)進(jìn)行施焊。

3.4 鋼管樁標(biāo)識(shí)

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

3.5 鋼管樁定位

用全站儀在現(xiàn)場(chǎng)合理位置架設(shè)儀器，測(cè)出設(shè)計(jì)樁位。從成品樁起吊開(kāi)始觀測(cè)，直至到達(dá)設(shè)計(jì)樁位后垂直振動(dòng)貫入。在施工中發(fā)現(xiàn)樁偏位或偏移時(shí)，應(yīng)調(diào)正后再繼續(xù)施工。

3.6 鋼管樁施工

（1）用導(dǎo)向定位架對(duì)棧橋鋼管樁定位。鋼管樁施工時(shí)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(guò)程中，樁架應(yīng)保持垂直。成品樁底部和頂部進(jìn)行30cm包邊加強(qiáng)，以防施工時(shí)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(yīng)停在已完成的橋面上，樁插入時(shí)垂直度偏差不得超過(guò)0.5%。在鋼管樁和振動(dòng)錘自重作用入土穩(wěn)定后，復(fù)測(cè)樁的垂直度及管樁位置達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，用低檔施工繼續(xù)下沉，待樁貫入足夠深度振動(dòng)錘換成高檔施工，直至下沉達(dá)到設(shè)計(jì)高程。在施工過(guò)程中保證垂直度和樁位，超1%偏差時(shí)立即糾正調(diào)整。

（4）每排樁施工達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，復(fù)測(cè)樁頂標(biāo)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(cè)焊接支撐托。

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

（6）鋼樁施工控制指標(biāo)：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(zhǎng)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(chǎng)地拼裝貝雷桁架，下鋪枕木，逐片吊裝貝雷，利用桁架銷(xiāo)子使其相互連接。將貝雷弦桿與加強(qiáng)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(cuò)位連接方式使加強(qiáng)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(dǎo)致主梁位移。應(yīng)保證所有螺帽擰緊、插好桁架銷(xiāo)子保險(xiǎn)銷(xiāo)。現(xiàn)場(chǎng)拼裝貝雷片每3片為1組，分節(jié)段逐步架設(shè)安裝。

3.9 橋面分配梁安裝

橋面分配梁長(zhǎng)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(shè)計(jì)間距30cm一道安裝，用角鋼或標(biāo)準(zhǔn)拉桿打斜撐相連。

3.10 橋面板及防護(hù)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(cè)設(shè)置橋面護(hù)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(shè)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(hù)欄設(shè)置反光條及防護(hù)網(wǎng)。

鋼棧橋完成后，組織相關(guān)人員進(jìn)行成橋驗(yàn)收，待驗(yàn)收合格后方可投入使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)項(xiàng)目需求選取合理參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行核驗(yàn)分析，結(jié)果表明該棧橋設(shè)計(jì)的各結(jié)構(gòu)形式合理、各項(xiàng)數(shù)據(jù)滿足規(guī)范要求。該棧橋在使用過(guò)程中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，在高速項(xiàng)目的建設(shè)中起到了重要的作用。該工程可為以后類(lèi)似棧橋施工提供參考。