貝雷桁架及鋼管樁組合在施工鋼棧橋中的運用

喬博

摘要： 在武漢軌道交通21號線第三標(biāo)段橋梁施工時，采用承載能力強、拼裝簡便、設(shè)計科學(xué)的貝雷桁架做主梁，鋼管樁作為基礎(chǔ)的便橋。利用既有3×1.5×1.2m貝雷桁架、？準(zhǔn)529×8mm鋼管樁，結(jié)合工程實際，對便橋結(jié)構(gòu)進行承載驗算及優(yōu)化，滿足施工荷載要求并減少施工成本。

Abstract： During the construction of the third section of the No. 21 line of Wuhan Rail Transit， the Berray truss with strong bearing capacity， simple assembly and scientific design is used as the main beam， and the steel pipe pile is used as the basic bridge. The existing 3 × 1.5 × 1.2m Berray truss and ？準(zhǔn)529 × 8mm steel pipe piles are used， combined with the actual project， carrying out the calculation and optimization of the bearing structure of the bridge， to meet the construction load requirements and reduce construction costs.

關(guān)鍵詞： 施工便橋；貝雷桁架主梁；鋼管柱基礎(chǔ)；承載驗算；施工成本

Key words： construction bridge；Berray truss girder；steel tubular column foundation；bearing checking；construction cost

中圖分類號：U448.18 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）17-0147-04

0 引言

進行橋梁水中墩施工時，因運輸材料、機械及人員通行的需要，需修筑施工便橋。便橋要頻繁通行施工的大型機械設(shè)備及混凝土運輸車等重型車輛，故對便橋基礎(chǔ)、主梁等結(jié)構(gòu)的承載能力及安全穩(wěn)定性要求非常高。但修建便橋的位置往往位于野外地質(zhì)條件復(fù)雜，地基承載能力差的深水中，受外界不良因素的影響非常多，而現(xiàn)場施工過程中，往往為了保證安全，盲目加大安全系數(shù)，提高用料規(guī)格，加大用料數(shù)量，提高了施工隱形成本。為了達到設(shè)計所要求的重車通行及安全穩(wěn)固的施工要求，選擇合適材料做便橋承載結(jié)構(gòu)主體，并科學(xué)進行設(shè)計，在確保便橋承載能力的基礎(chǔ)上達到減少施工成本的目的顯得尤為重要。

1 項目概況

武漢軌道交通21號線（陽邏線）起于江岸區(qū)后湖大道站，直至線路終點—新洲金臺站。線路全長33.7km，共設(shè)車站15座。

第三標(biāo)段起訖里程為DK34+294.949～DK45+481.949，里程長度11.187km，其中，四座車站全部為高架站，墩高為2.5m～21m。29#～32#墩為水中墩。進行水中墩施工時，需修建通行50t汽吊及9m3混凝土運輸車等大型機械和材料。

便橋布置在橋址右側(cè)，與橋軸線平行，中心線距橋中線約15m。根據(jù)長河地質(zhì)報告，洪水水面標(biāo)高6.4m，現(xiàn)水位標(biāo)高2.7m，計劃使用日期2015年10月至2016年5月，不在洪水期，設(shè)計橋面標(biāo)高6.5m。便橋凈寬為5.5m，長度120m，設(shè)計荷載50噸，以滿足9m3混凝土攪拌車和50T履帶吊的通行。

原設(shè)計方案主要材料表如表1。

2 斷面形式與跨徑布設(shè)

便橋設(shè)計凈寬5.5m，小里程橋臺向河中間方向跨徑組合依次為10×12m，共120m。頂面標(biāo)高為大沽高程系+6.5m。鋼便橋在大、小里程方向各設(shè)置一個簡易橋臺。經(jīng)對便橋進行承載檢算，并根據(jù)力學(xué)計算結(jié)果進行對便橋初步設(shè)計方案進行了優(yōu)化及調(diào)整，最終采用的便橋設(shè)計方案如下。

橋臺及樁基礎(chǔ)均采用？準(zhǔn)529×8mm鋼管樁。樁基礎(chǔ)形式為單排樁，每排為4根？準(zhǔn)529×8mm鋼管樁，樁間距為1.2m+2.4m+1.2m。鋼管樁入土深度根據(jù)地質(zhì)和受力驗算確定，鋼管樁頂墊梁采用雙拼I25b工字鋼。主梁采用雙排單層共4片貝雷梁，橋面系橫向為I18工字鋼，間距30cm，頂面設(shè)置5mm鋼板面板。橋面兩側(cè)設(shè)？準(zhǔn)48mm@1000mm鋼管防護欄桿。詳見圖1、圖2。

3 便橋主要結(jié)構(gòu)承載的驗算

3.1 計算范圍及說明

計算范圍為便橋的鋼管樁基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)承載能力，便橋主要包括：行車走道板5mm鋼板→I18工字梁橫梁→順橋向貝雷梁→橫橋向雙I25b工字鋼墊梁→？準(zhǔn)529×8mm鋼管樁；

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015），對于橋梁細(xì)部構(gòu)件驗算，主要采用車輛荷載，車輛荷載根據(jù)實際情況，取實際運營車輛。

3.2 主要計算工況及相應(yīng)工況下荷載分析

3.2.1 工況分析

主要有2種工況：

①釣魚法安裝便橋，履帶吊在最前沿吊裝振動錘加鋼管樁，打鋼管樁施工；

②混凝土運輸車進行9m3混凝土滿載運輸。

3.2.2 活載取值

①本項目采用9m3的混凝土運輸車，其廠家的參數(shù)說明里沒有明確標(biāo)注車輛荷載分布，也無其它權(quán)威出處可查參數(shù)，故本項目按實際施工時滿載情況下進行了實測。得其荷載分布如圖3所示。

汽車荷載為3個集中荷載80kN、160kN和160kN，輪距為3.8m、1.35m，計入沖擊系數(shù)1.2及偏載系數(shù)1.15后，其集中荷載為110.4kN、220.8kN和220.8kN。

②50t履帶吊運行時，履帶軌距×接地長度×履帶寬度=354×470×76cm，本次設(shè)計依據(jù)此參數(shù)進行計算。50t履帶吊進行吊裝作業(yè)，取總吊重為10t（？準(zhǔn)529×8mm鋼管樁19m自重2t，DZ90振動錘自重6.2t，取1.2吊裝系數(shù)為10t）。因此：

作為集中荷載時單側(cè)履帶集中荷載為（500+100）/2=300kN，計入沖擊系數(shù)1.2及偏載系數(shù)1.15后，其集中荷載為414kN。

單側(cè)履帶線性荷載集度為（500+100）/4.7/2（接地長度）=63.8kN/m，計入沖擊系數(shù)1.2及偏載系數(shù)1.15后，其線荷載為88kN/m。

3.3 鋼面板計算

①結(jié)構(gòu)型式。本平臺面板為5mm厚花紋A3鋼板，焊接在沿便梁I18工字鋼橫梁上，I18工字鋼間距30mm，凈距250mm。

②荷載。履帶吊機履帶寬度（760mm）、25t吊車及9m3混凝土罐車輪胎寬度（前輪寬300mm，中后輪寬600mm）荷載作用在I18工字鋼上，5mm面板不作檢算。

3.4 橫梁I18工字梁計算

①結(jié)構(gòu)型式。橫梁采用I18工字鋼，間距按30cm布設(shè)，其材料特性為：A=30.6cm2，W=184.4cm3，重量=24.1kg/m。

工字鋼橫梁安裝在跨距240cm的單層雙排貝雷梁上，計算時可保守按照跨徑240cm簡支梁。

②50t履帶吊荷載。50t履帶吊工作時的線荷載為176.3kN/m。橫梁I18工字鋼間距為30cm，履帶寬度為76cm，最不利荷載為3根橫梁承載。簡化成受線性均面荷載的簡支梁進行力學(xué)計算，如圖4所示。

則跨徑為2.4m的橫梁I18工字梁所受均布線性荷載為：q=176.3kN/m÷2÷3=29.4kN/m

③9m3混凝土運輸車荷載?；炷吝\輸車中后輪著地寬度為60cm，其根荷載由2根橫梁承載，當(dāng)單側(cè)中或后輪位于橫梁I18工字鋼跨中時為最不利荷載，按受集中荷載的單跨簡支梁進行承載計算，如圖5所示，則集中荷載為：

P=220.8kN÷2÷2=55.2kN

④力學(xué)計算。

履帶吊：Mmax=ql2/8=29.4×2.42÷8=21.2kN·m

混凝土運輸車：Mmax= Pl/4=55.2×2.4÷4=33.1kN·m

此時混凝土運輸車為控制荷載：

σmax=Mmax/W=（33.1×103）/（184.4×10-6）=179.0MPa<[σ]=203MPa，滿足要求。

τmax=Qmax/A=（27.6×103）/（30.6×10-4）=9.02MPa<[τ]=1諾集團生產(chǎn)的HNJ5253GJB15MPa，滿足要求。

3.5 貝雷主梁計算

主梁由兩組雙排單層貝雷梁組成，貝雷梁間距為120cm+240cm+120cm。

①恒載。

結(jié)構(gòu)自重：

橋面板：12×5.5×0.005×7850=2590.5kg；

橋面橫梁I18：24.1×41×5.5=5434.6kg；

貝雷梁主梁自重：4×4×270=4320kg；

12m跨徑貝雷梁上恒載總重： 2590.5+5434.6+4320=12345kg =12.35t

其他未計構(gòu)件按1.2系數(shù)考慮，貝雷梁上恒載總重為12.35t×1.2=14.82t。

故單片貝雷梁承受的每延米恒載為148.2÷4÷12=3.09kN/m。

②活載。

當(dāng)50t履帶吊的履帶位于橋跨中間時，貝雷梁承受此工況下的最大彎矩，將橋跨簡化成受50t履帶吊的集中荷載作用的簡支梁進行受力計算（其結(jié)果趨于保守），則有單跨單片貝雷梁跨中承受的集中荷載為414kN×2÷4=207 kN。

當(dāng)9m3混凝土運輸車中后軸行駛至橋跨中間時，貝雷梁承受此工況下的最大彎矩，將混凝土運輸車中后軸按集中荷載，將橋跨簡化成受混凝土運輸車的全部集中荷載作用的簡支梁進行受力計算（其結(jié)果趨于保守），則有單跨貝雷梁跨中承受的集中荷載為552kN÷4=138kN。因9m3混凝土運輸車的車體較小，當(dāng)運輸車緊沿便橋一側(cè)行駛時，出現(xiàn)荷載嚴(yán)重集中于便橋一側(cè)的情況。本項目采用清華大學(xué)的結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器進行運輸車跑偏時的極端工況進行貝雷梁主梁的承載分析計算，以確保便橋結(jié)構(gòu)安全。其力分析求解如圖6所示。雖然其分配與貝雷梁的最大值為206.2，不是本項目的控制荷載。但承載計算結(jié)果表明，遠(yuǎn)離混凝土運輸車一側(cè)的外側(cè)貝雷梁承受上拔力，雖經(jīng)驗算，貝雷梁片承受的上拔力不控制便橋的設(shè)計，但設(shè)計時需采取措施避免貝雷梁在上拔力的作用下脫離I25b工字鋼墊梁，而可能出現(xiàn)安全風(fēng)險。本項目設(shè)置了鋼筋彎鉤勾住貝雷桁架的下弦桿，鋼筋彎鉤下端焊接在鋼管樁基礎(chǔ)上。

此時50t履帶吊為控制荷載：

Mmax=ql2/8+ Pl/4=3.09×122÷8+207×12÷4=676.62kN·m

根據(jù)以上計算結(jié)果，并查《裝配式公路鋼橋使用手冊》，本項目決定采用加強型貝雷桁架，其單片桁架[M]=788.2kN·m>676.62kN·m，滿足要求。

τmax=207+3.09×12÷2=225.54MPa<[τ]=245.2Pa，滿足

要求。

以往大量的設(shè)計承載驗算表明，貝雷桁架用作各類便橋時，控制橋梁設(shè)計的關(guān)鍵因素為彎矩及剪力，故本項目不需進行撓度驗算。

3.6 雙I25b工字鋼墊梁計算

因貝雷梁中心線與鋼管樁中心線重合，故荷載對雙I25b工字鋼不產(chǎn)生彎矩，也不產(chǎn)生剪力，故不需進行承載計算。

3.7 鋼管樁計算

本棧橋所有樁基均支撐在中砂、卵石層上，按摩擦樁計算其容許承載力。根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTG D63-2007）中的沉樁的承載力容許值公式，則樁的容許承載力為：

式中：[Ra]——單樁軸向受壓承載力容許值（kN），樁身自重與置換土重（當(dāng)自重記入浮力時，置換土重也計入浮力）的差值作為荷載考慮；

u——樁身周長（m），3.14×0.529=1.66m；

n——土的層數(shù)；

li——承臺底面或局部沖刷線以下各土層的厚度（m）；

qik——與li對應(yīng)的各土層與樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa），宜采用單樁摩阻力試驗確定或通過靜力觸探試驗測定，當(dāng)無試驗條件時按規(guī)范給定值選用；

qrk——樁端處土的承載力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa），宜采用單樁試驗確定或通過靜力觸探試驗測定，當(dāng)無試驗條件時按規(guī)范給定值選用；

？琢i、？琢r——分別為振動沉樁對各土層樁側(cè)摩阻力和樁端承載力的影響系數(shù)對于錘擊、靜壓沉樁其值均取為1.0。

A——樁端面積，3.14×0.529×0.529/4=0.22m2。

根據(jù)以上計算，12m貝雷梁上恒載總重為12.35t×1.2=14.82t，按集中荷載148.2kN計算（結(jié)果偏安全），活載考慮履帶吊在排樁頂面工作狀態(tài)時最大414kN，跨徑貝雷梁橋主跨支點處反力荷載合計562.2kN，此豎向荷載由鋼管樁樁基承擔(dān)，單墩按562.2kN豎向承載設(shè)計（結(jié)果偏安全）。本項目地質(zhì)勘探報告中的地質(zhì)情況，并結(jié)合《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTG Q63-2007）有關(guān)樁側(cè)摩阻力取值及樁端處承載力取值的參考范圍，鋼管樁計算取值見表2所示。

根據(jù)長河地質(zhì)報告，洪水水面標(biāo)高6.4m，現(xiàn)水位標(biāo)高2.7m，設(shè)計橋面標(biāo)高6.5m，局部沖刷線-3m，便橋結(jié)構(gòu)高度1.9m，空樁長度=6.5+3-1.9=7.6m。

受力樁長計算時，考慮安全性，雜填土按1m厚度計算，10-3粉質(zhì)黏土按3.8-1=2.8m計算，10-3a 粉質(zhì)黏土混卵礫石不考慮（結(jié)果偏安全），13殘積粉質(zhì)黏土厚度為8.8-3.8m=5m，[Ra]=0.5×1.66（1×20+3.8×50+5×60+0.22×2300）=843.28kN>562.2kN，滿足要求。

鋼管樁本身的強度、剛度不需驗算，因長河常年水流速度小于5m/s，對樁身橫橋向沖擊力忽略，順橋向穩(wěn)定性由兩側(cè)簡易橋臺保證，此處不做計算。

各樁位處的樁長=1+2.8+5+7.6=16.4m，考慮安全系數(shù)1.15，最終設(shè)計鋼管樁樁長統(tǒng)一按19m，埋深要求9m以上。施工時要求鋼管樁施打過程以振動錘錘擊反彈為控制依據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場最終實際施工統(tǒng)計數(shù)據(jù)，鋼管樁樁長均遠(yuǎn)小于19m，并保證便橋結(jié)構(gòu)安全。

4 成本節(jié)約分析

方案前后主要材料對比表如表3。

進行結(jié)構(gòu)的承載力學(xué)分析不僅能夠確保便橋具有足夠承載能力，使便橋結(jié)構(gòu)設(shè)計更為合理，且從以上對優(yōu)化后的便橋結(jié)構(gòu)進行力學(xué)驗算可看出，I18工字鋼模梁、貝雷桁架等主要承載構(gòu)件承載能力得到了充分的使用，沒有造成多余的功能性浪費。相對原便橋方案而言節(jié)約了鋼材及貝雷桁架使用量，降低了工程成本。

①便梁鋼面板原設(shè)計為10mm鋼板，案優(yōu)化后調(diào)整為5mm，全橋節(jié)約鋼板用量28.26t。

②原便橋設(shè)計方案的橫梁采用I25b工字鋼，方案優(yōu)化后調(diào)整為橫梁采用I18工字鋼，此部位全橋節(jié)約型鋼40.36t。

③原設(shè)計方案橋梁？準(zhǔn)529×8mm鋼管樁，長度22m，方案優(yōu)化后調(diào)整為19m，此部位全橋節(jié)約型鋼13.73t。

便橋與施工隊伍簽訂專業(yè)承包合同，單價約6000元/t，根據(jù)力學(xué)分析計算結(jié)果調(diào)整便橋設(shè)計參數(shù)，大幅降低了施工成本49.41萬元。

5 結(jié)束語

本文對武漢軌道交通21號線第三標(biāo)段橋梁施工時通行重型汽車的臨時施工便橋進行精心設(shè)計，采用了承載能力強、施工快速的貝雷桁架作便橋的主梁，便橋橋面采用I18工字鋼作橫梁，橋墩及基礎(chǔ)采用直徑為529mm的鋼管樁，每處橋墩設(shè)單排4根。埋置深度為9m。經(jīng)對便橋結(jié)構(gòu)進行承載計算，能夠承受橋梁荷載，且根據(jù)承載計算成果，對便橋結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)及構(gòu)件規(guī)格進行優(yōu)化和調(diào)整，比初步方案節(jié)約了鋼材82.35t，大幅降低了施工成本49.41萬元。本項目的成功案例，以期對類似施工便橋的設(shè)計提供一些參考作用。

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