特大钢栈桥海上施工结构承载力研究与方案设计

姜枫，朱艳峰

(1. 中铁六局集团广州工程有限公司，广东 广州 510000；2. 广州番禺职业技术学院，广东 广州 511483)

栈桥主要作为水上施工平台连接陆地的车辆通行与材料运输通道[1]。进行桥梁水上施工时，通常需要修建栈桥作为运输通道，有时还作为下部结构的施工平台[2]。钢栈桥为临时使用，其特点是承载能力大、施工快捷、拆除方便、可重复利用，在我国的桥梁施工、大坝施工、港口及渡船码头等工程中得到了大量应用[3]。栈桥通常处于恶劣环境之中，受环境的影响较大，特别是跨海临时栈桥，风、浪等环境荷载可能是控制栈桥设计的关键因素[2−6]。栈桥工程的设计难点在于其服务功能不同、荷载及环境条件不同、设计没有统一规范可以遵循，栈桥存在期荷载标准的合理选取关系到栈桥的经济性和安全性。解决河、海跨段桥梁建设的有效手段之一是架设贝雷梁钢栈桥辅助施工的方法[7−9]。贝雷梁钢栈桥具有施工时间较短、部件轻巧，各部件间用销子或螺栓连接、装拆方便的特点，对缩短栈桥工程建设期，尽快投入使用具有重大意义。

1 工程简介

新建湛江东海岛铁路为东海岛湛江钢铁基地和中科炼化项目的配套工程项目，全长57.31 km。东海岛铁路控制性工程通明湾特大桥位于广东省湛江市霞山区与东海岛之间，桥址处湾宽4 km左右，海床较浅，水深3.5 m左右，桥位区地质分布为淤泥、淤泥质黏土、淤泥质亚黏土、泥岩，其中淤泥、淤泥质黏土、淤泥质亚黏土厚度为3～6 m，下层分布泥岩，较密实。地势平坦，多分布虾苗、生蚝养殖场，海水受潮汐影响较明显，多年平均高潮水位3.56 m，多年平均低潮位0.5 m，桥位处百年一遇设计潮水位为6.16 m，三百年一遇潮水位为6.94 m，百年一遇浪高为2.91 m。最大涨潮流速：1.03 m/s，最大退潮流速：1.41 m/s。桥区气候条件属亚热带海洋性湿润气候，易受台风影响，风力可达10～11级，最大风速为48.0 m/s；该地区多雷暴，年平均有雷日在80 d以上。地震动峰值加速度值为0.1 g，地震动反应谱特征周期0.45 s，地震设防烈度值为Ⅶ度。桥梁起讫里程为：DDK16+813.12a～DDK21+786.19，桥梁中心里程 DDK17+299.655，全长8 973.07 m，该桥于DDK16C+525a～DDK19+200之间跨越通明湾，即84号墩～178号墩位全部位于通明湾海湾中，栈桥全长3 070 m。

2 栈桥设计原则及方案

通明湾特大桥钢栈桥是东海岛铁路最关键、也是难度较大的一项跨海工程，栈桥起点桥台为北海堤，终点桥台顺接通明湾施工便道，是连接东海岛内外的施工便捷通道。栈桥除承受竖向施工车辆荷载外，本工程的栈桥还需兼顾50 t履带吊机作业，此外栈桥还受到潮、涌以及风浪的作用，因此必须满足以下要求包括：1) 在工作状态下，栈桥应满足车辆正常通行的安全性和适用性要求，并具有足够的安全储备。2) 在非工作状态下，栈桥停止车辆荷载通行，应能满足整体安全性的要求，允许出现局部可修复的损坏。3) 在栈桥施工状态，应满足自身施工过程的安全[10−13]，当风力超过6级时，禁止作业；当风力超过8级时，禁止通行。

2.1 设计荷载

恒载：贝雷梁自重1.1 kN/(m·片)，桥面系结构自重 10 mm花纹钢板 0.785 kN/m2，12.6工字钢0.142 kN/m。

基本可变荷载：履带吊－100，混凝土运输车－40，挂车—120。施工中常见的汽车荷载为混凝土搅拌运输车，常规的搅拌运输车泵送混凝土方量为8 m3，按此运输方量和轴重换算成车辆荷载，即30 t重载汽车。

其他荷载：1) 工作状态、非工作状态和自施工状态的风力分别为：6级，8级。风载按《公路桥涵设计通用规范》进行计算.风力：6级风力，设计速度取Vd=13.8 m/s；8级风力，设计速度取Vd= 20.7 m/s。2) 水流力：水流流速取最大平均流速为 1.41 m/s，最高施工水位取+3.56 m，河床最低标高为−5.0 m。3) 行人荷载及其他管道荷载：6.0 kN/m；4) 汽车制动力：按《公路桥涵设计通用规范》采用；5) 栏杆荷载：按人行道栏杆设计，作用于栏杆立柱顶上的水平推力标准值为：0.75 kN/m；作用于栏杆扶手上的竖向力标准值为：1.0 kN/m。本栈桥未考虑设置龙门吊机走道，如需设置，需专门设计。

2.2 栈桥结构方案

钢栈桥是由钢板和型钢组成的正交异性钢桥面系，以贝雷梁为主梁，全长3 070 m，桥宽为6 m，单向通行栈桥每跨孔径12 m，桥面标高6.56 m，设计车速20 km/h，兼顾50 t履带吊机作业，履带吊等施工机械车速为5 km/h。上部结构按照5孔一联的连续梁设计，在墩位位置设置钻孔平台。

栈桥结构非制动墩处自下而上依次为单排Ф630 mm×10 mm钢管桩横桥向布置2根，间距4.0 m，钢管桩之间设20槽钢的桩间连接系；2I36a工字钢分配梁作为横梁，长为6 m，横桥向布置；纵梁选用贝雷梁6片3组，贝雷梁中心间距2.2 m；桥面采用I22b工字钢间距1.5 m横桥向布置，与贝雷梁焊接，上部采用I12.6工字钢间距0.3 m顺桥向布置，其上铺装10 mm厚钢板。制动墩处自下而上依次为双排Ф630 mm×10 mm钢管桩横桥向布置，纵桥向间距2.0 m，横桥向间距4.0 m，共4根，钢管桩之间设 20槽钢的桩间连接系；2HN450×150型钢2根一束布置为分配梁，纵桥向布置；I36a工字钢2根一束并列做下分配梁A，长为6 m，横桥向布置；纵梁选用贝雷梁3组6片，贝雷梁中心间距2.2 m；桥面采用I22b工字钢间距1.5 m横桥向布置，与贝雷梁焊接，上部采用 I12.6工字钢顺桥向布置，其上铺装10 mm厚钢板。栈桥非制动墩处结构图见图1。

2.3 平台结构方案

钻孔平台为12 m×15 m，由12 m×6 m，12 m×9 m 2部分组成，平台结构自下至上依次为Ф630钢管桩10根，平行于桥梁轴线方向分2排布置，2排钢管桩间距9 m；其上安装2I36a工字钢组成的横向分配梁，长6 m，9 m；在横向分配梁上安装贝雷梁13道，长12 m，贝雷梁通过限位件与分配梁角焊缝连接。

图1 栈桥非制动墩处结构图Fig. 1 Structure of the non braking pier in trestle bridge

桥面系采用6 m+9 m I22b工字钢间距0.5 m顺桥向布置，与贝雷梁焊接，平台平面采用10 mm厚花纹钢板，在钻孔桩处花纹板开1.6 m×1.6 m方孔。平台3面设栏杆。钻孔平台由2部分组成，钻孔平台及履带吊施工平台，钻孔完成后拆除钻孔平台，保留履带吊施工平台插打钢板桩。待桥墩施工完成后拆除履带吊作业平台。钻孔平台立面图见图2。

图2 栈桥−钻孔平台立面图Fig. 2 Trestle bridge-elevation of the drilling platform

3 栈桥结构承载力验算

3.1 主梁计算

主梁计算分为工作状态和栈桥自身施工状态 2种情况，工作状态根据车辆荷载的不同分为工况Ⅰ～工况Ⅲ。栈桥自身施工状态下，50 t履带吊机桩顶吊装作业，为工况Ⅳ，其受力小于工况Ⅱ，将不作验算。栈桥各状态下的施工工况如表1所示。风载等效于集中荷载施加在每片贝雷片桁架节点上，由于水流力作用于钢管桩上，相当于使上部贝雷片桁架横向整体变形而对其上部结构应力影响不大，故在上部结构分析中，不考虑水流力的作用。

表1 栈桥各状态下的施工工况Table 1 Construction conditions in various states of trestle bridge

采用Midas civil 2012软件对5×12 m的五孔一联栈桥进行三维空间有限元建模分析计算。除钢管柱连接体系采用桁架单元外，贝雷架、钢管柱、各横梁和分配梁均采用空间三维杆系梁单元模拟，桥面板采用板单元模拟。全桥结构共有节点4 344个，桁架单元50个，梁单元5 319个，板单元800个；贝雷架材料为16Mn钢材，其余钢结构为规范的A3钢材。

钢管柱底部采用固结支承方式，贝雷架与柱顶横梁之间采用仅受压的弹性连接，贝雷架弦杆的销接通过释放梁端约束的方式模拟，其余结构构件之间的相互连接关系采用弹性连接中的刚性类型或者刚性连接方式进行模拟。根据验算工况将荷载转化为面荷载形式添加到板单元上，荷载组合系数采用1.2，振动荷载系数取1.4。

5×12 m栈桥全桥有限元模型的透视图及侧视图分别如图3(a)和图3(b)所示。

图3 栈桥空间三维有限元模型Fig. 3 Three dimensional finite element model of trestle bridge

表2 栈桥各工况下主梁受力及变形值Table 2 Stress and deformation of the main beam under various working conditions of Trestle bridge

经过有限元分析计算，工况Ⅰ～工况Ⅲ的主梁受力结果提取如表2所示。

由表2可以看出，各工况下栈桥弹性与非弹性的竖向最大变形为 18.2 mm，其变形较小，小于L/250，满足要求。弦杆最大内力为 258 kN，斜杆最大内力为117 kN。除在工况Ⅱ时，竖杆最大内力可达217 kN，大于210 kN，超出允许值3%，其余受力均小于容许值。竖杆最大内力217 kN是在工况Ⅱ下履带吊机在边跨侧墩侧正向吊装50 t时，仅作用于单贝雷片竖杆上，但此占位和吊重在实际施工过程中出现的可能性几乎没有，因此，仍可认为贝雷片受力满足要求。栈桥各工况下单桩最大轴力为649 kN，最大水平反力为9.5 kN，可按此进行单桩承载力设计。

3.2 桥面系计算

栈桥桥面板由I22a工字钢，I16a槽钢和10 mm花纹钢板组成，I22a工字钢布置于贝雷片上弦上，其受力为连续梁体系，最大跨径为1 300 mm。当I22a工字钢的验算荷载为30 t重载汽车时，其受力最不利。经计算可得：

M=30×0.65−30×0.3=10.5 kN·m

栈桥桥面系采用 I22a工字钢，其受力满足要求。

3.3 分配梁计算

非制动墩桩顶分配梁采用2I36a工字钢；制动墩横桥向采用2I36a工字钢，纵桥向采用2I45a工字钢。

分配梁A最不利工况为工况Ⅲ，其最大应力如图4所示。

图4 分配梁A应力图Fig. 4 Stress diagram of distribution beam A

最不利工况下，分配梁B计算结果如图5所示。由图4～5可知，分配梁A和B受力均满足要求。

图5 分配梁B应力图Fig. 5 Stress diagram of distribution beam B

3.5 桩基础计算

非制动墩桩顶分配梁采用2I36a工字钢；制动墩横桥向采用2I36a工字钢，纵桥向采用2I45a工字钢。

栈桥桩基础均为Ф630×10 mm钢管，桩顶竖向最大反力860 kN，单桩的河床表面以上的最大长度为 8.234 m，不考虑河床冲刷，钢管桩的自由长度可按海床面约6 d以下确定。即桩的自由长度为11.834 m。作用点距河床钢管桩的固结点位置为9.31 m，通过计算可得：钢管桩应力最大值为89.7 MPa，连接系采用 Ф273×6，其最大应力为 21.4 MPa，其受力满足要求。考虑钢管桩的稳定性，钢管最大自由长度为11.834 m，回转半径i=209 mm，荷载增大系数 λ=0.828，其折算应力为：σ=89.7/0.828=108 MPa，钢管桩的稳定性计算满足要求。

单桩设计承载力取890 kN，结合当地地质资料计算桩长。经验证，入土深度 28.1 m，满足规范要求。

通过计算结果可以看到，栈桥结构在强度、刚度、稳定性等方面均能满足规范的要求。栈桥结构能保证施工期间的同行需求，能保证人员、车辆的安全。

4 栈桥及平台施工

栈桥及平台施工涵盖栈桥及平台施工工艺、运营期间维护管理、质量保证、安全保证、工期保证以及文明、环保措施和应急预案等部分。栈桥及平台施工工艺又包括桥台施工、栈桥及平台下部结构施工、栈桥及平台上部结构安装、栈桥拆除和栈桥用电照明及水管布置等。

施工时先在两端施工栈桥桥台，84号墩桥台采用混凝土重力式桥台，178号墩桥台采用钢管桩桥台。桥台施工完成后从两端桥台向中间海域推进搭设栈桥，利用钓鱼法在海中打入钢管桩，然后架设贝雷梁，最后铺设桥面系，依次循环推进。平台和支栈桥在主栈桥施工完成200 m以后，穿插进行搭设，施工方法与搭设栈桥相同。

栈桥北端桥台采用重力式桥台，C25混凝土浇注。桥台采用U型桥台，平面尺寸为6.9 m×3.6 m，高位3.98 m。南侧岛内段桥台采用钢管柱桥台，平面尺寸3 m×9 m，分为前后2排钢管柱，柱间填土做为栈桥桥台。栈桥及平台下部结构施工包括钢管桩施工，施工前由测量人员进行测量放样。采用“钓鱼法”施工，50 t履带吊车配合打桩锤作业，由岸边开始逐孔向前推进施工。振动锤采用DZ60型振动锤，振动锤质量3.8 t，作业半径按15 m考虑，最不利荷载为插打钢管桩的情况，钢管桩12 m质量为1.84 t，吊车需起吊重量为6.34 t，在振动过程中不断检测桩位与桩的垂直度，发现偏差要及时纠正。每根桩下沉应连续进行，中途不可有较长时间停顿，以免桩周土扰动恢复造成沉桩困难。当配备打桩锤与履带吊机吊臂、吊重受限时，贝雷片可以多拼装一节。此时，履带吊机前端与钢管桩中心线水平位置相比，前移距离不大于 2.0 m。根据振动沉桩承载力的计算，按电动机消耗的能量求桩基的极限承载力公式：式中：N0为沉桩将达规定标高前，下沉速度为 0.5 cm/min时，所需的有效功率，kW；Na为沉桩机无负荷时的功率，kW；ν为沉桩最后一阵速度，cm/min，取0.5 cm/min；Q为振动体系的重量，t；α为土质系数，取2.0；β为桩基入土速度系数，取0.15。

根据以往施工记录，DZ60锤无负荷时电动机输入电流为100 A，电压为380 V，振动锤终打前电动机输入电流：

从以上计算可以得出，当电动机电流大于 185 A时，沉桩最后一阵速度10 min入土深度不大于5 cm，可以停锤。栈桥及平台上部结构的安装采用50 t履带吊进行架设。单跨栈桥贝雷梁架设完成后进行桥面系的施工，包括吊装I22b横向工字钢分配梁，工字钢与贝雷片之间用U型螺栓进行连接，两分配梁之间采用焊接连接，最后安装水管及电缆支撑牛腿、护栏。

支栈桥及钻孔平台需根据施工进度进行拆除。待钻孔桩施工完成后，拆除钻孔平台，利用支栈桥作为工作平台，插打钢板桩围堰。待承台、墩柱施工完成，拆除支栈桥。拆除遵循逆向施工原则，先做后拆，后做先拆。施工用水管道及照明线路沿栈桥无平台一侧设置，在栈桥栏杆外侧做水管、电缆支架。为保证栈桥的安全运营，大风大雨期间停止钢栈桥施工作业，且需持续不断对施工和运营中的栈桥进行沉降观测，为栈桥的安全运营提供技术保障。

5 结论

1) 本文所采用的钢栈桥是由钢板和型钢组成的正交异性钢桥面系，遵循安全、经济、适用的设计原则，以贝雷梁为主梁，由南栈桥、北栈桥对向采用钓鱼法施工，克服了海中地质复杂，环境恶劣、工程量大等不利因素，从设计到施工上完全满足主体工程施工要求，打通了东海岛铁路建设的主动脉，为东海岛铁路按期架梁通车奠定了良好的基础。

2) 每组2片贝雷桁架之间连接， 必须在每个节段端头的横截面竖向和梁底水平方向设置型钢支撑架，形成桁架组合梁。

3) 钢栈桥使用期间，必须建立定期检查、保养和维修制度，对栈桥结构开展外观检查、变形监测和构件保养维修，并认真做好检修记录和台帐， 确保运行使用安全。

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