重交通荷载下的钢栈桥受力分析与加固方法

戚 浩

（贵州桥梁建设集团有限责任公司,贵州 贵阳 550001）

0 引言

随着经济的高速发展，我国高速公路建设水平不断提高，桥梁建设技术迅速发展，钢平台、钢栈桥辅助设施应用越来越普及[1-2]。随着科技手段的发展，施工栈桥、钢平台在不同水文、地质条件下得以应用，为复杂条件下栈桥项目施工奠定了基础[3-4]。该文以某高速公路项目为依托，分析重交通荷载下的钢栈桥受力及加固方法，具有十分重要的实践意义。

1 工程概况

某高速公路施工项目，其所需的钢筋、砂石料、水泥等钢材、地材均需经施工便道，送达施工场地。为保证项目能顺利实施，需修建一条专供钢材、地材运输的运输通道，采用钢栈桥方案。该栈桥处的水文、地质情况如下：

（1）低控水位：+249.3 m。

（2）高控水位：252.488 m。

（3）汛期最大流速：地质勘察报告未提，根据现场调查走访情况，取3 m/s。

（4）根据野外地质调查及钻探结果显示，区域内地层岩性结构包括砂砾岩、泥质粉砂岩、砾岩、粉砂质泥岩等。该高速公路项目施工2#钢栈桥总体布置见图1。

图1 某高速公路项目施工2#钢栈桥总体布置图

2 钢栈桥设计

2.1 钢栈桥构造形式

（1）基础及下部构造：增设混凝土结构扩展栈桥基础，其尺寸为长6.0 m、宽1.2 m，高1.0 m，采用C30混凝土浇筑。顶面预埋10 mm厚钢板，将Ф630×8 mm钢管桩焊接在钢板上作为栈桥立柱。于钢管桩桩顶开槽，横向架设枕梁，选用2根36a工字钢[5-6]。

（2）桥跨结构：采用上承式4组双排单层贝雷架作为承重主梁，贝雷梁间采用90花架连接。

（3）桥面系：选用横向分配梁作为桥面基层，型号为I22a，长度为6 m，于贝雷梁上，按照30 cm间距进行安装，采用8 mm直径的花纹防滑钢，进行桥面铺设[7]。

（4）护栏：护栏高度为120 cm，护栏横杆采用ψ48×3 mm钢管，立杆采用[10槽钢，每根护栏立柱纵向间距按2 m设置。2#钢栈桥标准段构造见图2。

图2 2#钢栈桥标准段构造图

2.2 钢栈桥设计计算

2.2.1 荷载计算

栈桥设计能满足砂石料、土方后八轮车、水泥长罐车、钢筋半挂车等运输车辆通行[8]。砂石料运输车后八轮自重约80 t，且车身较短，荷载均加载于一跨上，为最不利工况，其荷载指标如表1，后八轮轮距、轴距分布见图3。

表1 车辆荷载技术指标

图3 后八轮轮距、轴距分布图

该栈桥需对三种工况组合进行验算，工况1：结构自重+人行荷载+风荷载+水流力；工况2：结构自重+人行荷载+风荷载+水流力+80 t半挂车荷载；工况3：结构自重+人行荷载+风荷载+水流力+80 t后八轮车荷载。

2.2.2 建立模型及试算

借助Midas Civil软件建立标准跨结构计算模型，并利用空间有限元法，进行钢栈桥相关设计指标及其参数的详细核算[9]，模型如图4所示。

图4 钢栈桥模型图

初步试算后发现，贝雷片墩顶处的竖杆底部单元及上弦杆与I22a工字钢分配梁相接单元局部应力偏大，最大组合应力达到480 MPa，超过了16Mn钢材的极限许用应力310 MPa。经分析其原因大致为：

（1）贝雷片上弦杆直接承受上部分配梁传递下来的荷载，上弦杆截面面积和惯性矩偏小，造成局部应力过大。

（2）墩顶处贝雷片的竖杆被下方的2I36a工字钢枕梁顶住，限制了其位移，底部局部应力无法释放。因此需采用经济合理的方法，对上述部位进行局部加强。

2.2.3 局部加强措施

根据试算的结果，针对以上两处应力过大的节点采取加强措施：

（1）针对贝雷片上弦杆的加强措施：对于贝雷片的上弦杆，因其上的荷载无法降低，因此加强的主要思路为增大其横截面积，以增大X方向上的惯性矩，从而降低单元应力。故而拟采用加强弦杆的方式对贝雷上弦杆进行加强。加强弦杆为贝雷片的专用加强配件，与上弦杆间采用螺栓连接，加强弦杆之间采用贝雷销连接[10]。

（2）针对墩顶处竖杆的加强措施：墩顶处竖杆由于下方枕梁限制了位移，应力无法释放，因此需采用加强竖撑的方式进行辅助。在墩顶处的贝雷片两侧采用[14槽钢镶嵌在贝雷片内框中，作为加强竖撑，如图5所示。

图5 墩顶处加强竖撑安装图

2.2.4 加强后模型计算

在Midas Civil模型中，加强竖撑与上、下弦杆之间采用刚性连接，加强弦杆与上弦杆之间采用弹性连接，贝雷片和加强竖杆的计算结果如下：

（1）弦杆处的最大应力为285.63 MPa＜[σ]=310 MPa，腹杆处的最大应力为299.41 MPa=[σ]=310 MPa，均满足要求。Midas Civil模型计算结论见图6。

图6 弦杆处、腹杆处的应力计算

（2）模型的计算结果（图7），加强竖撑最大应力为134.78 MPa＜[σ]=215 MPa，满足应力要求。

图7 加强竖撑应力计算

（3）从模型的计算结果上来看，采取以上两种局部加强措施后，已可满足一定超载情况下荷载达80 t的后八轮通过，从而保证该某项目材料运输主要通道的通畅，使该项目得以顺利实施。

3 结论

钢栈桥在桥梁项目施工中广泛应用，在传统工程施工环节多作为混凝土、机械设备、钢筋、砂石料等运输通道，重荷载钢栈桥的实际应用较少。该文选用的钢栈桥相比于传统钢栈桥在关键节点上进行加强，提升了栈桥结构安全性，设备承载力明显提升，同时节约了项目施工成本，为同类型桥梁项目建设中钢栈桥设备应用提供了技术参考。