跨引水灌溉渠钢栈桥设计浅析

骆子瑾

（中铁十六局集团第四工程有限公司，北京 101400）

1 引言

在跨江、跨河、跨海公路施工过程中，难免遇到在水中铺设桥墩。水中桥墩施工可采用多种方法，有筑捣法、钢栈桥法，其中钢栈桥法又分为上承式钢栈桥和下承式钢栈桥等，贝雷架的组合形式也多种多样。钢结构栈桥法具有材料强度高、抗震性能好、自重轻、施工方便且易于维护等优点，已成为一种发展趋势。国内外对钢栈桥很少有系统化的设计和施工成果，大部分是依托于施工经验，因为施工环境不同，钢栈桥设计和施工的安全性、经济性难以做到统一。常见的钢栈桥是用钢管桩打入河道基础，在上方搭建贝雷架、横梁、面板等结构，本项目结合实际地质和工程造价情况，采用另一种方法进行了钢栈桥的设计和施工。

2 工程概况

2.1 工程基本概况

大功河是一条大型引黄灌溉渠道，正常设计流量70m3/s，河道宽度约80m，里程为K21+116.5～K21+206.5。濮卫高速滑卫段HWSG-1标滑县南互通A匝道1号桥3#～6#墩，H匝道桥4#～5#墩、I匝道桥3#～4#墩、G230分离式立交4#～5#墩位于该河道，施工场地受限，材料运输车辆、机械等通行不便，距离便民出行的圬工桥较远，且存在临时征地较多、手续办理麻烦、无法保证车道承载力、安全隐患较大等问题。为保证场地施工期间大功河河道排水的通畅，便于人员、运输车辆及机械通行，在河道间搭设钢栈桥方便施工。

2.2 水文地质条件

大功河所在区域地下水主要为松散岩类孔隙水，属于潜水，局部因有稳定的隔水层而从微承压水到承压水。其主要含水层为粉土层和砂类土层，补给来源为大气降水、灌溉回归水，含引黄灌区的侧渗水等，其消耗主要为开采、蒸发和一部分由河流排泄。

本地区地层为冲积地层中的更新统地层：主要岩性为棕黄、浅棕、黄棕色粉质黏土，砂层厚薄不均，颗粒上细下粗，分选磨圆较好，矿物成分为石英、长石和少量暗色矿物。河底露出区域为砂类土及粉质黏土，呈层状胶结，强度较高。

3 钢栈桥结构设计

3.1 钢栈桥结构形式

钢栈桥位置经现场实地勘察选定为G230分离式立交左侧。栈桥根据河道宽度确定为9m×4贝雷架结构，宽度为6m，两端设桥台。据了解，河道底部为砂类土及粉质黏土，呈层状胶结，强度较高，若采用传统的钢管桩支撑存在以下几个问题：

（1）钢管桩需打破胶结层，按照摩擦桩设计，施工难度大、成本高。

（2）大功河水质较差，矿化度也较高，主要为重碳酸硫酸型水、氯化物硫酸型水、硫酸氯化物型水和硫酸型水，矿化度多1～3g/L，多属微咸水，若采用钢管桩抗腐蚀性较差，存在安全隐患。鉴于以上两点，该钢栈桥采用扩大基础桥墩方式作为支撑结构。

3.2 基础设计

按照现场地质情况，设置扩大基础，中间墩柱采用8.0m×3.5m×1.5m（长×宽×高）条形扩大基础，底面设置混凝土垫层，各边尺寸比条形基础大0.5～1.0m，垫层厚20cm。条形基础全部嵌入河道岩层中。墩柱采用7m×2.5m×4m（长×宽×高）。顶面预埋钢板焊接三拼25工字钢垫梁。

3.3 纵向主梁设计

纵向主梁采用“321”贝雷桁架结构，采用保险销作连杆，其间距为3m。贝雷梁与垫梁之间采用U型卡连接。

3.4 分配梁及桥面设计

贝雷梁上分配横梁采用I16的工字钢，长6m，间距30cm，I16工字钢横梁与贝雷梁间采用U型螺栓连接固定,横梁上铺设δ=10mm的花纹钢板作桥面板。

3.5 桥面系设计

为了行人安全，在桥面两侧、人行道车行道中间设置防护栏杆。栏杆立柱采用Φ48×3.5钢管，钢管高度1.2m，纵向间距布置为2m；防护栏杆设横杆2道，间距60cm，横杆也采用Φ48×3.5钢管。立杆焊接在钢板上，横杆与立柱间采用对接焊连接。栈桥上每侧间隔6m设置一个救生圈。所有型钢连接均采用焊接，焊缝厚度不小于8mm。

3.6 桥台设置

栈桥南北两端设置桥台，桥台基础为混凝土扩大基础。两边桥台采用8m×3.5m×1.5m扩大基础，桥台宽7m，截面尺寸2.5m×4m。桥台采用C30混凝土，桥台台身顶部为三拼25工字钢垫梁，通过预埋在台身内的钢板焊接固定。

4 结构计算

4.1 设计荷载的选定

根据实际施工情况，栈桥通过车辆有10m3混凝土搅拌运输车、55t自卸车（满载22立方碎石前四后八轮土石方车辆）、25t吊车、40辆拉钢筋车。其中考虑最重荷载情况为两台55t自卸车（满载）错车时，则考虑1.15安全系数（考虑动荷载系数）后取126.5t。

4.2 上部结构恒重（6m宽计算）

（1）10cm花纹钢板：

6m×0.01m×7.85t/m3×10g/s2=4.71kN/m。

（2）I16横向分配梁：2.29kN/根。

（3）贝雷梁：6.12kN/m。

（4）三拼25工字钢垫梁：10.5kN/根。

4.3 结构内力计算

4.3.1 桥面钢板内力

荷载分析（计算宽度取0.5m）：

①自重均布荷载：

q1=0.5m×0.01m×10g/s2×7.85t/m3=0.39kN/m。

②施工及人群荷载：不考虑与混凝土搅拌车同时作用。

③两台55t自卸车轮压：126.5t÷16m×10g/s2=79kN/m。

由荷载分析可确定，自重荷载及施工人群荷载可忽略不计。

跨中弯矩

满足强度要求。

4.3.2 I16横向分配梁内力计算

一台55t自卸车单边车轮作用在右幅栈桥跨中时，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（计算宽度取0.75m）：

①自重均布荷载：忽略不计。

②施工及人群荷载：不考虑。

③55t自卸车单边车轮轮压：

单边车轮布置在跨中时弯矩最大：

两台55t自卸车单边车轮作用在栈桥跨中时，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（计算宽度取 0.75m）：

①自重均布荷载：忽略不计。

②施工及人群荷载：不考虑。

③两台55t自卸车单边车轮轮压：

单边车轮布置在跨中时弯矩最大：

选用I16则A=48.54cm2W=402cm3

4.3.3 贝雷梁内力计算

计算跨径取跨最大跨L=12m，按照简支计算。

①弯矩M:

A.两台55t自卸车布置在跨中时：前排轮重210kN，后排轮重422kN。

B.支座反力：

R左=561.7kN，R右=492.3kN

Mmax=R左×4.5m-210kN×4.2m-422kN×1.35m=1 075.95kN·m

C.自重均布荷载：q=4.71kN/m+3.56kN/m+6.12kN/m+2.29kN÷0.75m=17.44kN/m

Mmax=1/8×17.44kN/m×（9m）2=176.58kN·m

②对支点剪力Q：

A.两台55t自卸车行驶临近支点时：

Vmax=476.53kN

B.恒载内力

Vmax=0.5×17.44kN/m×9m=78.48kN

③贝雷梁的计算参数：

荷载组合：根据《公路桥涵设计通用规范》4.1.6-1条，贝雷梁上最大内力两台55t自卸车与恒荷载的组合，贝雷梁选用双排单层加强型：容许弯矩3 375kN·m，容许剪力490.5kN。

满足要求。

综上所述，钢栈桥设计满足结构要求。

5 结语

通过濮卫高速项目滑卫段历时一年的施工，大功河钢栈桥未出现任何异常状态，在雨季依然能正常通行，说明该钢栈桥设计与施工成功，可以为类似地质引水灌溉渠钢栈桥施工提供参考。