刘松亮 LIU Song-liang
（中铁十七局集团第二工程有限公司，西安 710043）
（CR17BG No.2 Engineering Co.，Ltd.，Xi’an 710043，China）
摘要：深水基础施工时，一般需修建钢栈桥作为运输通道，并依附钢栈桥搭设作业平台，实现由水中转化为陆地作业的目的。本文针对沅江大桥的地质与水文条件，详细介绍了钢栈桥的设计和施工技术。供同行参考借鉴。
Abstract： In deepwater foundation construction， it is necessary to build steel trestle as transport corridor， and the work platform is also set up depending on the steel trestle to transform underwater work into land operation. In this paper， according to the geological and hydrological conditions of Ruanjiang Bridge， the design and construction technology of the steel trestle is introduced in detail， which can provide reference for similar projects.
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ：钢栈桥；设计；施工
Key words： steel pier；design；construction
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）18-0103-05
作者简介：刘松亮（1982-），男，陕西西安人，毕业于三峡大学，研究方向为桥梁工程。
0 引言
近年来随着国家对基础设施领域投资不断增加以及我国桥梁技术的不断发展，技术复杂的大型水上桥梁建设将会越来越多。栈桥及钻孔平台是水上桥梁施工的主要通道，为了确保施工安全，使桩基施工方便易行，减少施工干扰，降低工程成本，栈桥及钻孔平台将会起到越来越重要的作用。
1 工程概况
沅江大桥位于湖南省怀化市中方县铜湾镇浓井附近。起讫里程为DK301+646.03～DK302+050.97，中心里程为DK301+847.98，沅江大桥全长404.94m，桥跨组成为（88+168+88+40）m双线预应力混凝土刚构连续箱梁。本桥的特点为深水、高墩、大跨，地形为典型的V型深切沟谷，地势陡峭，环境艰险，施工时安全风险较大。
2 总体方案
2#水中墩施工采用搭设钢栈桥作为运输通道，在双壁钢围堰封底完成后搭设作业平台进行钻孔桩作业以及承台、墩身的施工。本文重点讲述钢栈桥的设计与施工技术。
3 钢栈桥设计思路
本工程项目钢栈桥结构形式为3组双排单层贝雷桁架，桥面宽度6m，上承式结构。栈桥全长96m，跨径组合12m*8跨：使用120型标准贝雷花架进行横向联结；最大设计跨径12m。桥面系为专用桥面板；横向分配梁为I22，间距为1.0m；桥台基础采用砼台。为加强基础的整体稳定性，双排桩桥墩采用直径610*10mm钢管桩，单排桩桥墩采用直径820mm*8mm钢管桩；墩顶横梁采用工40a。栈桥布置结构形式如图1。
4 结构内力计算
4.1 桥面系
由于本项目桥面系为8mm面板与I12.6焊接成框架结构，为厂家生产定型桥面板，其结构稳定可靠，在此不再对面板进行计算。
4.2 I22横向分配梁内力计算
4.2.1 上承式荷载计算
单边车轮作用在跨中时，横向分配梁的弯矩最大，轮压力为简化计算可作为集中力。荷载分析：
①均布荷载，2*6m桥面板重量为15kN/个，分配梁均布荷载：q1=15kN/m/6/2*1+0.31（护栏）＝1.56N/m；
②施工及人群荷载，不考虑与汽车同时作用；
③汽车轮压。从车辆布置荷载图看出，单轴最大荷载为砼搅拌车荷载125kN，当后车轮单轴布置在跨中时，上承式计算模型如图2、图3。
单根工字钢承受50吨履带吊最大集中荷载：850kN/4.69m*1m=181kN<250kN，故不予进行计算。
选用I22a 则 A=42.1cm2，W=310cm3，I/S=18.9cm（I=3400cm4，S=174.9cm3），b=0.75cm
σ=M/W=31.4/0.31=101.3MPa<188.2MPa
τ=QS/Ib=107/18.9/0.75=75.5MPa<[τ]=85×1.3=110MPa
4.2.2 上承式刚度计算
挠度：wmax=0.001m<1.2m/400=0.003m。
结构刚度与强度均满足要求。
4.3 贝雷梁内力计算
12m跨上承式贝雷梁内力计算：
①荷载分析。
1）自重均布荷载：
q1=15*3/6kN/m+2.145kN/m＋0.95kN/m（护栏自重）＋6.66kN/m=17.26kN/m；
2）施工及人群荷载：不考虑与车辆同时作用；
3）本项目栈桥最大设计跨径为12m，考虑最不利位置进行分析；
4）50吨履带吊行走到跨中作业，贝雷梁内力分析；履带吊集中荷载转换为均布荷载：850kN/4.69m=181.24kN/m（不考虑2个车在同一跨行走，按一跨简支计算），利用SAP2000建立受力模型如图4-图6。
5）50吨履带吊行走到0号台作业，贝雷梁内力分析；履带吊集中荷载转换为均布荷载：850kN/4.69m=181.24kN/m（不考虑2个车在同一跨行走，按一跨简支计算），利用SAP2000建立受力模型如图7-图9。
经过上述分析知，贝雷梁最大弯矩Mmax2=2362kN·m，最大剪力Qmax2=787.5kN。纵向主梁选用4排单层贝雷架，下弦杆。则贝雷梁：
跨中容许弯矩
[M]=788.2×6+450*6=7429kN·m
跨中容许剪力[Q]=245.2×6＝1471kN。
Mmax=2362kN·m<[M]=7429kN·m；
Qmax=787.5kN<[Q]＝1471kN
②刚度计算。
从上内力分析知道，弯矩最大处，为履带吊在跨中作业时；最大绕度也在该处根据《建筑结构静力计算手册》
挠度：fmax=qcl3（8-4γ2+γ3）/384EI
γ=c/l=4.69m/12m=0.39
fmax=181.24kN×12003（8-4×0.392+0.393）/（384×2.1×105MPa×15×105cm4）=0.2×10-3m﹤12m/400=30×10-3mm
满足强度要求。
4.4 承重梁内力分析 （选最不利位置，最大跨径处墩计算）
承重梁作为栈桥结构的主要承重结构，是栈桥结构稳定安全的生命线，拟采用的型材为2I40a。当车行驶到墩顶时承重梁和钢管桩承受最不利荷载。根据经验当墩顶荷载最大时，承重梁和钢管桩承受最不利荷载。取最重且荷载集中的履带吊作业在1号墩墩顶时，对承重梁内力分析。
上承式荷载分析：
①自重均布荷载。
q1=15*3/6kN/m+2.145kN/m＋0.95kN/m（护栏自重）
＋6.66kN/m
=17.26kN/m；
②施工及人群荷载：不考虑与车辆同时作用。
上承式承重梁。取最大支点反力1093KN对承重梁进行验算（图10-图12）。
设其6组贝雷梁均衡受力，单片贝雷梁受力：1093/6=182.2kN。
根据上述建立有限元模型进行分析可知，取最大荷载Mmax=295kN·m，Qmax=367kN进行桩顶承重梁的截面设计。选用I40a，查《钢结构计算手册》得各相关力学参数如下：
W=2*1090cm3
A=2*86.1cm2
I/S=34.1（I=21720cm4，S=631.2cm3），
b=2*1.05cm，下面对其强度进行验算：
σ=M/W=295kN·m/（2*1090cm3）×103=136MPa<1.3[σ]=188.2 MPa
τ=QS/Ib=367/34.1/（1.05*2）=51.2MPa<[τ]=85×1.3=110MPa
挠度挠度Wmax=0.0098<4m/400=0.01满足要求，满足要求。挠度挠度满足要求。
5 钢管桩承载力（选最不利位置，最大跨径处墩计算，这里只计算单排桩的情况）
根据上述计算分析知，钢管桩基础单桩承载力最大的情况出现在车在单排桩（上承式结构）基础顶施工作业时，单桩最大承受荷载约=550kN。考虑本项目的地质条件及设计提供的相关地质资料，施工采用600振动锤直接打设钢管桩。
钢管桩φ820mm×8mm，A=204.078cm2。
选取河床面最低高程为（130.928）m，则可假定钢管桩悬臂固结点在最低冲刷线（129.344）m处，桩顶标高取153.344m现假定钢管悬臂长度为24m。
下面计算φ800mm×10mm钢管桩。
5.1 单根钢管桩流水压力计算
单根桩流水压力计算：
Fw=kAγv2/（2g）
式中：
Fw—流水压力标准值（kN）；
k—形状系数（钢管取0.8）；
A—阻水面积（m2），计算至一般冲刷线处；
γ—水的重力密度（kN/m3）；
v—设计流速；
g—重力加速度（9.8m/s2）。
Fw=kAγv2/（2g）
＝0.8×（24*0.82×10）×12÷2÷9.8
＝10kN
水流力作用在水深的1/3处，即为水深16m处（以最高水位，进行假设计算）。
水流力对钢管产生的弯矩：
Mx1=10×16=160KN·m
5.2 汽车水平制动力
根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）查得，汽车制动力为汽车荷载重力的10％，汽车行走在墩顶，钢管桩承受最大内力，考虑2个墩承担，以最大荷载45吨罐车计算，此处每根桩取水平制动力为450/2/2*10%=11.25kN。
水平制动力对钢管产生的弯矩：
Mx2=11.25×（24+2.354）=302kN·m
钢管底部到桥面高度=24m+2.346m
5.3 钢管强度及稳定性验算（选最不利位置，最大跨径处墩计算）
由以上分析可知：
σ1=M/I×x=160kN·m/168213cm4×0.41m
=39MPa<188.2 MPa
σ2=M/I×y=302kN·m/168213cm4×0.41m
=73.6MPa<188.2 MPa
回转半径：
rx=28.7cm
长细比：
λ=l0/rx=24/28.7=83.6
查《钢结构设计规范》附表17得稳定系数
ψ=0.757
σ=N/ΨA+σ1+σ2
=550/（0.757×204.1）+60.8+69
=166MPa<188.2 MPa
故钢管强度及稳定性满足设计要求。
6 临时钢栈桥施工
钢栈桥搭设现场照片图见图13。
6.1 桥台基础
施工时需注意桥台与钢栈桥轴线必须一致，桥台基础为C25砼基础，浇砼时，按交底给定的标高立模浇筑，混凝土振捣必须密实。
6.2 钢管桩插打施工
6.2.1 钢管桩基
采取“钓鱼法”进行钢管桩施工，即在已经修筑好钢栈桥上，以履带吊吊挂振动锤逐孔向前打设钢管桩，每孔钢管桩打设完毕铺设上部结构，履带吊前移，继续下一孔的钢栈桥施工。
6.2.2 钢栈桥施工过程中钢管桩的定位打设方法
6.2.2.1 陆地桩第一跨钢管桩的定位安装。（0号台处钢管桩设置在岸上） 用全站仪在放出0号台及1#墩在所在位置，按正常方法施工打设钢管桩。
6.2.2.2 水中覆盖层薄制动墩钢管桩的定位打设因河床基岩覆盖层较薄，搭设钢管桩无法满足其入土深度要求，需要在钢管桩内冲孔灌注混凝土，钻孔深度为4m。冲孔到位后，抽出管桩内钻渣，进行水下混凝土灌注，覆盖层薄的每根钢管桩均钻孔灌注混凝土，按此方法，逐步完成每跨钢管桩的施工。具体步骤为：
①前一跨桥面系已施工完成将贝雷片从以架好的墩中心，以已架好的贝雷片为基准方向向外悬挑架设3组贝雷片，接长2节。用吊车将导向架吊装在贝雷梁上，根据图纸计算出需打设钢管桩位置，调节导向架。
②导向架经复核准确无误后，用U型抱箍将导向架固定在贝雷梁上，通过在导向架与贝雷片的接触点，加减钢垫板，使导向架始终保持水平。
③履带吊大钩吊住振动锤（在锤头位置系根麻绳），小钩将钢管桩吊起放直，下放振动锤，通过工人牵动麻绳，调整夹具位置，使夹具准确牢固夹住钢管桩。
④通过在栈桥纵横方向上站人，观测控制管桩垂直度，将钢管桩打入地层，入土深度以贯入度和计算入土深度进行双控。
⑤临时墩施打完毕后，按以上程序施打双排制动墩，打好第一排桩基，将钢管桩切割到设计标高，继续施打第二排钢管桩，施打完毕后安装桥面系（临时钢管桩顶不安装，及预留出制动墩顶冲击作业面），冲击钻作业钻孔，钻孔深度不小于4m。钻孔完毕后清渣浇筑水下混凝土，钢管内混凝土浇筑至基岩顶面以上4m。
⑥取出临时钢管桩，补齐桥面系。按以上程序进行下一跨作业。
6.2.2.3 以后的跨均可以参照制动墩钢管定位打设方法定位施工，需注意最后一跨最后一排临时钢管桩不取出以进一步增强栈桥稳定性。覆盖层较薄钢管施打作业示意图如图14。
6.2.2.4 桩顶横梁为工40工字钢，桩顶横梁架设完成后，将贝雷梁固定于桩顶横梁上，然后将横桥向I22a工字钢承重梁按照设计间距摆放至贝雷上弦杆上，工字钢与贝雷片之间采用U型螺栓栓结固定，每根工字钢分别固定两个端头。螺栓在使用后及时涂抹黄油防止螺纹生锈，在后期钢栈桥使用过程中，每个月定期进行螺栓的检查，防止螺栓松动。
7 结束语
该栈桥自2011年5月底投入使用以来，始终坚持按照设计荷载和行车限速要求，指派专人在桥头进行交通疏导、监督，经过半年多的运转，栈桥的桥面平整度、钢管桩沉降、主桁架挠度等相关指标均满足设计要求。
目前国内大跨度钢栈桥结构形式一般采用钢桁架结构，这种结构有成熟的应用经验，用于封闭式栈桥较为合理，既起到了承受荷载的作用，又为封闭体系提供了骨架。钢桁架主要有两种形式：型钢桁架及钢管球节点桁架。除钢桁架结构外也采用空间网架作为主要承重。由于栈桥这种构筑物没有专门的行业规范，更多的各个单位的应用经验。因此工程设计时还需具体问题具体分析，多方面综合考虑，合理确定结构形式以及构件型号，以达到外形美观、经济适用的目的。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献：
[1]TB10101-2009，铁路工程工程测量规范[S].
[2]GB/T12897-2006，国家一、二等水准测量规范[S].
[3]TB10002.1-2005，铁路桥涵设计基本规范[S].
[4]TB10002.5-2005，铁路桥涵地基与基础设计规范[S].
[5]JTJ 214-2000，内河航道与港口水文规范[S].
[6]TZ213-2005，客运专线铁路桥涵工程施工技术指南[S].
[7]TB10002.2-2005，铁路桥梁钢结构设计规范[S].
[8] GB/T232-1999，金属材料弯曲试验方法[S].