鋼棧橋設(shè)計(jì)優(yōu)化與成本控制

梁 雪

(中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司，浙江 湖州 313000)

0 前 言

近年來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，新建或者改建橋梁顯著增多，絕大多數(shù)橋梁為跨河或者跨軟土地基而設(shè)計(jì)。在開展橋梁下部結(jié)構(gòu)施工中，往往需在指定施工部位使用大型機(jī)械以及大量的材料，若通行條件無法滿足相關(guān)要求，此時(shí)可利用鋼棧橋。作為一種大型臨時(shí)設(shè)施，鋼棧橋僅僅用于階段性使用，但是仍然需要保證其功能、安全等滿足相關(guān)要求。在確保鋼棧橋功能性以及安全性的基礎(chǔ)之上，如何盡可能地優(yōu)化并控制成本，提升經(jīng)濟(jì)效益，是值得思考以及研究的問題。

1 鋼棧橋設(shè)計(jì)

1.1 鋼棧橋構(gòu)造設(shè)計(jì)

鋼棧橋結(jié)構(gòu)形式涉及上承式以及下承式兩種，其主要包括橋面結(jié)構(gòu)、橋跨結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)以及基礎(chǔ)。

1.1.1 結(jié)構(gòu)選型

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)的鋼棧橋結(jié)構(gòu)形式主要包括鋼桁架棧橋以及鋼網(wǎng)架棧橋兩種，相比較而言，鋼桁架棧橋應(yīng)用范圍更為廣闊。若要求棧橋下部具備寬闊的空間，同時(shí)其需要跨越較多的建筑物，棧橋與地面間的高度需超過8 m，則非常適宜鋼棧橋。棧橋跨度多集中于15～40 m，無論是低于15 m還是超過40 m，所建設(shè)鋼桁架棧橋均較不經(jīng)濟(jì)。尤其是超過40 m的鋼棧橋，在風(fēng)荷載的作用下，極容易發(fā)生較大位移，若加大桁架剛度、減少位移，鋼棧橋經(jīng)濟(jì)性將受到較大影響。

1.1.2 橋面結(jié)構(gòu)

橋面結(jié)構(gòu)一般包括橋面板、分配梁以及護(hù)欄等。橋面板主要用于承受車輛荷載，在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需注意減少自重，通常可采用厚度為5 mm的花紋鋼板，亦可采取滿鋪槽鋼方式。實(shí)際上，鋼板整體性要優(yōu)于滿鋪槽鋼，鋼板整體性的應(yīng)用可避免因車輛沖擊荷載而引發(fā)變形或者跳動(dòng)。分配梁一般采取型鋼，絕大多數(shù)采取工字鋼。對(duì)于上承式鋼架橋，通常僅設(shè)置橫向分配梁；而對(duì)于下承式鋼棧橋，因縱梁間距離過大，需在橫向分配梁基礎(chǔ)之上設(shè)置縱向分配梁。利用U型螺栓將橋面板以及分配梁連接為整體，亦可將其焊接為整體。若棧橋坡度較大，大于12°，為確保操作人員便利通行，可分別在其兩側(cè)做踏步。在墻面以及屋面，可選擇輕鋼檁條加夾芯板，需注意保溫層厚度應(yīng)超過50 mm，為保證冬季棧橋內(nèi)溫度超過了5℃，需在棧橋底部做好相關(guān)外保溫工作。另外，還需對(duì)鋼桁架以及其他承重構(gòu)件做好防火涂料的涂刷以及處理工作，嚴(yán)格遵循鋼結(jié)構(gòu)防火涂料規(guī)定選擇適宜的防火涂料，同時(shí)需注意確定適宜的土層厚度。

1.1.3 支 架

對(duì)于鋼棧橋，橋跨結(jié)構(gòu)是其主要承載構(gòu)件，同時(shí)是鋼棧橋設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)容。在橋跨設(shè)計(jì)中，其結(jié)構(gòu)形式、材料選擇、跨徑大小、布置方式、縱梁數(shù)量均是需要重點(diǎn)考察的內(nèi)容。當(dāng)前，鋼棧橋橋跨結(jié)構(gòu)一般采用的是貝雷片，若跨徑較小，亦可采用型鋼。采用連接框?qū)⒇惱灼B接為整體，可有效提升鋼棧橋的穩(wěn)定性。

若棧橋過長(zhǎng)，需設(shè)置多跨，此時(shí)需設(shè)置鋼支架以支撐中間跨。鋼支架包括平面支架以及空間支架兩種。平面支架主要設(shè)計(jì)2根鋼柱，需注意在2根鋼柱間分別設(shè)置水平支撐以及斜支撐，此時(shí)即可形成一榀豎起來的桁架，需注意柱距與棧橋?qū)挾认嗤藭r(shí)棧橋桁架立柱正好利于柱頂上，若支架高度過高或者棧橋?qū)挾冗^窄，可將底部柱距適當(dāng)放寬，維持兩柱間距呈上寬下窄，亦可直接設(shè)置空間支架。為防止棧橋側(cè)向出現(xiàn)過大變形，或者在棧橋中間部位存在拉緊裝置，需設(shè)置空間支架?？臻g支架一般指由4個(gè)或者超過4個(gè)的鋼柱組成鋼框架支架，在風(fēng)載以及水平力作用下空間支架仍然具備良好的穩(wěn)定性。棧橋支架柱通常為H型鋼、鋼管，亦可采用組合截面。在對(duì)鋼棧橋支架基礎(chǔ)進(jìn)行深埋時(shí)，需確保其滿足相關(guān)洞深要求，注意其不得過淺，同時(shí)需注意做好柱下筏板基礎(chǔ)以及獨(dú)立基礎(chǔ)工作。

1.1.4 下部結(jié)構(gòu)

下部結(jié)構(gòu)一般指基礎(chǔ)以及橋跨間的結(jié)構(gòu)部分。在設(shè)計(jì)鋼棧橋時(shí)，下部結(jié)構(gòu)一般指其下橫梁，其主要作用為支撐橋跨結(jié)構(gòu)。若鋼棧橋采用的是樁基礎(chǔ)，其下橫梁材料通常為型鋼；若采取鋼筋混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)，無需設(shè)置下橫梁。

1.1.5 基 礎(chǔ)

在鋼棧橋設(shè)計(jì)中，基礎(chǔ)是最為關(guān)鍵的一個(gè)部分，可結(jié)合當(dāng)?shù)氐鼗约暗刭|(zhì)情況，選擇適宜的基礎(chǔ)，通?；A(chǔ)主要包括鋼管樁技術(shù)、混凝土預(yù)制管樁技術(shù)、混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)等。

1.1.6 棧橋內(nèi)排水

需對(duì)鋼棧橋做好相關(guān)排水溝，在支架處通過外排水管路以排出所收集水分。鋼棧橋在使用過程中會(huì)涉及部分水分，在冬季常引發(fā)排水補(bǔ)償問題，導(dǎo)致棧橋內(nèi)部結(jié)冰，此時(shí)橋體自重將顯著增大，同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件將面臨腐蝕[1]。在為鋼棧橋設(shè)置安全出口時(shí)，需結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況規(guī)范進(jìn)行，通常每75 m需設(shè)置一個(gè)安全出口，除棧橋過長(zhǎng)，可在各支架部位設(shè)置安全出口。

1.2 鋼棧橋設(shè)計(jì)驗(yàn)算

鋼棧橋設(shè)計(jì)驗(yàn)算即通過分析荷載情況以及工況，從而對(duì)各個(gè)構(gòu)件具體應(yīng)力應(yīng)變以及穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算的過程。荷載主要涉及恒載、活載以及偶然荷載。恒載即鋼棧橋自重；活載即鋼棧橋上的車輛荷載、人群荷載、風(fēng)力荷載、雨雪荷載以及流水作用；偶然荷載一般是指鋼棧橋受到的船只或者河道漂浮物所造成的地震以及撞擊等。針對(duì)各種偶然荷載，在設(shè)計(jì)鋼棧橋時(shí)，需對(duì)防撞墩等相關(guān)措施的設(shè)置加強(qiáng)重視，以避免船只或者漂浮物撞擊，與此同時(shí)因鋼棧橋僅為臨時(shí)設(shè)施，一般會(huì)忽略其地震作用，因而在具體驗(yàn)算中可不考慮偶然荷載。

工況通常指各種荷載的全部可能情況，主要包括鋼棧橋搭設(shè)以及使用中的荷載組合。工況分析的最終目的即探尋最不利的荷載組合情況，以確保在最不利的情況下鋼棧橋仍然能夠得到安全使用。

在荷載作用下，鋼棧橋常會(huì)產(chǎn)生彎曲應(yīng)力以及剪切應(yīng)力，同時(shí)極有可能出現(xiàn)各種變形。材料自身的強(qiáng)度具備一定的極限值，又被稱為容許應(yīng)力，這一極限值一般由截面尺寸以及所采取材料自身材質(zhì)所確定；在荷載作用下，材料剛度直接決定著其變形情況，在同一工況內(nèi)，材料剛度越高，其可能發(fā)生的變形越小。在設(shè)計(jì)以及驗(yàn)算鋼棧橋時(shí)，主要是計(jì)算最不利工況作用下，所采用的構(gòu)件能否滿足相關(guān)應(yīng)力以及應(yīng)變要求。

鋼棧橋的穩(wěn)定性通常是指其抗傾覆性能，即在荷載偏心作用、流水作用各種側(cè)向推力下，鋼棧橋可能面臨側(cè)翻或者倒塌現(xiàn)象。其具體計(jì)算措施為，對(duì)豎向恒載以及橫向力所產(chǎn)生彎矩間的平衡來對(duì)鋼棧橋抗傾覆系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算，若抗傾覆系數(shù)超過1，鋼棧橋即可滿足相關(guān)要求。

1.3 鋼棧橋施工設(shè)計(jì)

1.3.1 棧橋、鉆孔平臺(tái)施工

1)施工準(zhǔn)備。在鋼棧橋施工中，需充分考慮當(dāng)?shù)氐乩硖攸c(diǎn)、氣候條件以及水文特征等，同時(shí)做好相關(guān)工程全過程管理工作。以施工計(jì)劃工期為基礎(chǔ)，合理安排作業(yè)面，特別需安排好相關(guān)施工人員、材料以及設(shè)備的進(jìn)場(chǎng)工作，保證鋼棧橋建設(shè)工作有計(jì)劃開展[2]。

2)測(cè)量平臺(tái)搭設(shè)以及放線。要想保證鋼棧橋準(zhǔn)確定位，在施工前，需要沿著棧橋軸線兩側(cè)方向每間隔500 m搭設(shè)1個(gè)測(cè)量平臺(tái)，測(cè)量平臺(tái)以及棧橋間的垂直距離需達(dá)到300 m。由于鋼棧橋長(zhǎng)度較長(zhǎng)，同時(shí)其絕大部分位于海水當(dāng)中，因而在測(cè)量平臺(tái)設(shè)計(jì)中，需保證棧橋面標(biāo)高以及平臺(tái)面標(biāo)高相符，一般為正方形，其邊長(zhǎng)為4.5 m。在測(cè)量平臺(tái)基礎(chǔ)內(nèi)，一般采用Φ820螺旋管，同時(shí)在管樁基礎(chǔ)間設(shè)置剪力撐，鋼管樁基礎(chǔ)的入土深度需達(dá)到12 m，接著對(duì)其固定焊接，在平臺(tái)周圍采用Φ50鋼管焊接護(hù)欄。在測(cè)量平臺(tái)施工中，可利用GPS對(duì)平臺(tái)上某一頂點(diǎn)坐標(biāo)以及高程測(cè)定，采用全站儀測(cè)量平臺(tái)上全部的測(cè)量定位作業(yè)。待平臺(tái)測(cè)量結(jié)束后，需結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙對(duì)管樁技術(shù)的實(shí)際位置精確定位，采取定位船以實(shí)現(xiàn)定位。在起吊前，需對(duì)桁架試吊，確保桁架起吊位置與地面間的高度差達(dá)到200～300 mm，同時(shí)檢查鋼絲繩受力情況，對(duì)其下沉情況仔細(xì)觀察，若無任何問題，即可正式起吊。采取吊車將成型連接平臺(tái)以及鋼桁架轉(zhuǎn)移至長(zhǎng)臂挖掘機(jī)整平路線上適宜位置，將其依次吊裝至鋪裝路線上，同時(shí)對(duì)鋼絎架底部加固，做好鋼板焊接工作[3]。

3)棧橋橋臺(tái)施工。在棧橋橋臺(tái)位置，一般采取填土筑島方式施工，將管樁基礎(chǔ)雙排中心間距控制為1.5 m，同時(shí)在樁頂鋪設(shè)工字鋼承壓，橫向分配梁亦選用工字鋼。在棧橋橋臺(tái)以及便道連接部位設(shè)置填土過渡段，在其兩側(cè)設(shè)置拋石護(hù)坡，在端部因一側(cè)管樁外側(cè)擋土鋪位鋪襯兩層荊芭，在橋臺(tái)外側(cè)填土直至橋面標(biāo)高位置。

1.3.2 上部結(jié)構(gòu)施工

1)外觀檢查及坡口打磨。在焊縫坡口部位打磨時(shí)，需仔細(xì)檢查管樁本身及管口焊縫坡口質(zhì)量情況，確保打磨后坡口外表具備金屬光澤[4]。若對(duì)坡口進(jìn)行切割修正，需對(duì)其氧化皮直接清除，采取打磨平整的方式達(dá)到焊接目的。

2)焊縫表面質(zhì)量。焊縫表面高度通常為1～3 mm，同時(shí)其寬度一般為23～30 mm。待焊接結(jié)束后，需徹底清除焊縫表面存在的焊渣以及各種金屬飛濺物，仔細(xì)檢查焊縫表面的外觀質(zhì)量，避免焊接部位出現(xiàn)咬邊、裂紋、弧坑等問題。對(duì)成品直線控制時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取經(jīng)緯儀以及水準(zhǔn)儀對(duì)胎架安裝，確保其全長(zhǎng)度范圍高于30 mm。

綜上所述，在設(shè)計(jì)鋼棧橋時(shí)，需充分考慮當(dāng)?shù)厮牡乩砬闆r，對(duì)鋼棧橋搭設(shè)方案以及施工方法合理設(shè)計(jì)，以提升鋼棧橋設(shè)計(jì)的合理性，保障其穩(wěn)定性?；诖耍嚓P(guān)工作人員必須熟練掌握鋼棧橋具體施工方法。鋼棧橋工程施工量較大，在具體施工中需嚴(yán)格遵循各項(xiàng)安全技術(shù)操作規(guī)程，同時(shí)落實(shí)好各項(xiàng)特殊安全防護(hù)措施，以保障鋼棧橋施工安全管理工作質(zhì)量。

2 鋼棧橋成本構(gòu)成

在鋼棧橋施工中，其成本主要包括人工費(fèi)用、機(jī)械費(fèi)、材料費(fèi)用以及輔助施工費(fèi)用等。人工費(fèi)用主要包括勞務(wù)人員工資以及管理人員工資等。機(jī)械費(fèi)用一般指各種施工機(jī)械所需消耗費(fèi)用，通常包括吊車臺(tái)班費(fèi)用、自卸汽車臺(tái)班費(fèi)用以及挖機(jī)臺(tái)班費(fèi)用等。鋼棧橋使用中，絕大多數(shù)構(gòu)件需要采取吊車安裝，因而吊車臺(tái)班費(fèi)用在機(jī)械費(fèi)用中所占比例最大[5]。材料費(fèi)用在鋼棧橋成本中所占比例最大，甚至超過了70%。鋼棧橋所使用的材料主要為鋼材以及適量的其他材料，因而鋼棧橋用鋼量直接決定著其最終成本。輔助施工費(fèi)用一般設(shè)計(jì)安全防護(hù)費(fèi)用、電費(fèi)、在施工過程中人員伙食費(fèi)用等。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化以及成本關(guān)系

在鋼棧橋成本內(nèi)，相當(dāng)一部分成本可通過設(shè)計(jì)優(yōu)化以降低，尤其是用鋼量，其直接由設(shè)計(jì)深化程度而決定。設(shè)計(jì)優(yōu)化即對(duì)比并分析鋼棧橋材料選擇、結(jié)構(gòu)類型以及橋跨布置等，確保鋼棧橋具備足夠的安全性，保證其功能性滿足相關(guān)需求，在此基礎(chǔ)之上以做到經(jīng)濟(jì)合理。在鋼棧橋施工中，用鋼量是主要成本，因而降低用鋼量是當(dāng)前鋼棧橋設(shè)計(jì)優(yōu)化的一項(xiàng)重要內(nèi)容。鋼棧橋是一項(xiàng)大型臨時(shí)設(shè)施，通常按照平方或者延米的方式以計(jì)算其清單價(jià)格，若按照延米計(jì)算，通常會(huì)將其寬度注明，其本質(zhì)上仍然是按照平方計(jì)價(jià)格[6]?；诖耍谙嗤娣e下，將用鋼量降低是最為有效的一種降低成本的途徑。

在優(yōu)化用鋼量時(shí)，主要采取的方式是調(diào)整材料型號(hào)以及間距，在保證材料應(yīng)力應(yīng)變滿足相關(guān)要求的基礎(chǔ)之上，選擇最為適宜的材料型號(hào)以及間距，以盡可能減少用鋼量。荷載工況直接決定著材料型號(hào)以及間距的選擇，工況越不利、荷載越大，需選擇越大的材料型號(hào)以及越小的間距，以保證應(yīng)力應(yīng)變要求得到滿足?；诖?，首先需要深入地分析、研究荷載工況，以明確在最不利工況下鋼棧橋?qū)嶋H荷載情況。分析荷載可能出現(xiàn)的不同組合實(shí)際情況，在確保結(jié)構(gòu)具備足夠安全性的同時(shí)，避免因盲目疊加荷載而導(dǎo)致所計(jì)算荷載量超過實(shí)際荷載，否則極容易導(dǎo)致用鋼量的增加。另外，安全系數(shù)也直接決定著鋼棧橋的用鋼量，若安全系數(shù)較小，很難保證在特殊情況下結(jié)構(gòu)仍然具備較強(qiáng)的安全性，若安全系數(shù)過大，極容易引發(fā)材料浪費(fèi)，導(dǎo)致成本的增加[7]。因此，在設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中，需選擇適宜的安全系數(shù)，盡可能把總額和應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值與容許值保持相近，以防出現(xiàn)富余量過大問題。

待確定荷載工況以及相關(guān)安全系數(shù)后，應(yīng)當(dāng)通過分配梁間的間距以確定橋面板的厚度，以自身間距以及貝雷片間距確定分配梁的型號(hào)。隨著分配梁間距的不斷增加，需適當(dāng)增加橋面板的厚度，同時(shí)加大分配梁的型號(hào)。在橋面板用鋼量控制中，橋面板以及分配梁總重量之和及分配梁間的間距最佳平衡點(diǎn)是關(guān)鍵因素。當(dāng)前，貝雷片可以劃分為普通型以及加強(qiáng)型兩種，加強(qiáng)型就是在普通貝雷片基礎(chǔ)之上增加了加強(qiáng)弦桿。與普通型貝雷片相比，加強(qiáng)型貝雷片用鋼量增加了不到1/2，但是其容許彎矩、抗彎截面模量、慣性矩以及抗彎強(qiáng)度增加量均超過了一倍?；诖?，在縱梁設(shè)計(jì)時(shí)，更適宜采取加強(qiáng)型貝雷片。貝雷片是橋跨結(jié)構(gòu)中較為重要的構(gòu)件，待確定其縱向程度后，通過其間距決定其用量，與此同時(shí)間距的布置量也會(huì)對(duì)分配梁的布置造成直接影響，另外跨徑布置也是鋼管樁數(shù)量的直接影響因素。因此，在設(shè)計(jì)縱梁時(shí)，除了需要設(shè)計(jì)優(yōu)化材料外，還需優(yōu)化相關(guān)跨徑以及間距。

基礎(chǔ)主要用于承受全部的上部荷載，鋼棧橋跨徑的大小會(huì)對(duì)單墩最大荷載量造成直接影響，在相同荷載工況下，跨徑越大其所需承載力越大。待確定單墩最大荷載后，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)情況做好基礎(chǔ)形式的設(shè)計(jì)工作，若持力層埋深較大，同時(shí)其上部地層較好，此時(shí)采用混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)，所需要的成本低于鋼管樁基礎(chǔ)。但是，如果軟弱底層較厚，或者為水中基礎(chǔ)，更適宜采取鋼管樁基礎(chǔ)，同時(shí)其更為經(jīng)濟(jì)[8]。待確定荷載后，可結(jié)合地層特性優(yōu)化鋼管樁間距、直徑以及壁厚等，進(jìn)而優(yōu)化鋼管樁的用量。直徑越大，單位長(zhǎng)度摩擦力越大，此時(shí)單根樁承載力越大；若壁厚越厚，鋼管樁剛度越大，則抗彎能力更強(qiáng)，此時(shí)其用鋼量會(huì)顯著增加。若鋼棧橋采取鋼管樁基礎(chǔ)，在總用鋼量中，鋼管樁所占比重較大，因此對(duì)其優(yōu)化可有效降低成本。

4 結(jié) 語

在施工過程中，鋼棧橋作為常見的臨時(shí)設(shè)施，其造價(jià)較高，所需要的成本較大。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)鋼棧橋，不僅使其結(jié)構(gòu)受力更為合理，而且使其安全性顯著提升，成本有所降低?；诖耍阡摋虺杀究刂品矫?，其設(shè)計(jì)優(yōu)化意義重大。

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