马来西亚某铁路钢栈桥的设计优化研究

中交天津港湾工程设计院有限公司，天津 300450

随着中国交通运输行业的大力发展，桥梁工程成为铁路、公路等基础建设的重要一环，其中钢栈桥作为桥梁临时工程，作用不可忽视。钢栈桥不但要求结构合理，而且要求经济适用，因此钢栈桥的设计优化尤为重要[1-2]。

1 工程概况

马来西亚某铁路栈桥为9m标准跨的钢栈桥，位于马来西亚半岛，该区域降雨充沛，河流水系较为发育。根据施工需求及河流条件，设置钢栈桥的主要用途为铁路施工车辆的通行。

（1）地质：整体线路岩石覆盖层较浅，覆盖层厚度大多在15m以下，软岩以泥岩、砂岩、页岩和板岩为主，硬岩以花岗岩为主。

（2）水文：沿线地表水主要存在于河流沟渠内，沿线河流均发源于中央山地带，向东流入南海。钢便桥跨越的河流多为小型河流，无通航要求，河流宽度≤30m。

（3）抗震：根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015）和《建筑抗震设计规范（2016年版）》（GB 50011—2010）[3-4]，该工程场区所属的设计地震分组为第一组，设计地震加速度为0.04g，且该项目为临时工程，不考虑地震工况。

（4）设计高程：根据雨季河流水位涨落情况，钢栈桥桥下净空基于雨季常水位取1.5m，则桥面标高=雨季常水位水面标高+150cm净空+0.825m结构高度。

2 技术标准及主要控制参数

2.1 技术标准

（1）钢栈桥宽度为6.0m，计算跨径为9m，桥面高程根据洪水位确定。

（2）结构安全等级为5级。

（3）设计使用年限5年。

2.2 主要控制参数

（1）钢材容重为78.5kN/m3。

（2）结构的挠度限值为L/400，L为计算跨径。

（3）Q235钢材的抗压弯强度设计值为190MPa，抗剪强度设计值为110MPa。

（4）S275JR钢材的抗压弯强度设计值为236MPa，抗剪强度设计值为136MPa。

3 结构设计

3.1 结构形式

钢栈桥结构从上往下依次为护栏、桥面板、横向分配梁、纵梁、桩顶主横梁、桩基础。

（1）护栏：高度为120cm，采用Φ48mm×3mm无缝钢管，强度等级为S275JR。

（2）桥面板：采用纵向18#槽钢，强度等级为S275JR，间距为23cm。

（3）横向分配梁：采用工字钢I15，强度等级为S275JR，间距为75cm。

（4）纵梁：6组双拼40#工字钢纵梁+1根40#工字钢纵梁，强度等级为S275JR。

（5）桩顶主横梁：双拼I25工字钢横梁，强度等级为S275JR，长度为5m，主横梁与桩顶结构采取焊缝连接。

（6）桩基础：采用Φ630mm×10mm钢管桩基础，强度等级为Q235；每处横梁下方布置2根桩基，每组桩基横向间距为3.8m，桩基纵向间距为9.0m。为保证钢栈桥整体稳定性，钢管桩之间设置型钢斜撑和横撑连接，斜撑采用双拼I25工字钢（强度等级为S275JR），横撑采用Φ273mm×8mm钢管，强度等级为Q235。

3.2 设计荷载及荷载组合

（1）设计荷载。钢栈桥的设计荷载：10m3混凝土灌车、55t履带吊、72t旋挖钻、水流力。

10m3混凝土灌车车荷载。10m3混凝土灌车车自重为12t，最大载重为20t（考虑装载8m3混凝土），两侧轮胎间距为1.6m，设备外宽为2.35m，前桥重P1=64kN，中、后桥重P2=128kN，前桥单侧轮着地尺寸为A1=（0.2×0.3）m2，中、后桥单侧轮着地尺寸为A2=（0.2×0.6）m2，单侧轮接地比压计算公式如下：

55t履带吊荷载。55t履带吊自重为52.5t，履带宽度为0.76m，长度为5.0m，履带中心距为4.0m，设备外宽4.8m。车辆仅在桥上行车不作业，钢栈桥采用挖机带振动锤施工。单侧轮接地比压为。

72t旋挖钻荷载。72t旋挖钻自重为72t，履带宽度为0.8m，长度为5.2m，履带中心距为3.6m，设备外宽4.4m。单侧轮接地比压为。

水流力按1m水深考虑。依据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）[5]，φ630cm钢管桩水流力为1.03kN，合力作用点位于水位线以下0.3倍水深处。

（2）荷载组合。依据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015），设计安全等级为三级，结构重要性系数为1.0。①承载能力极限状态设计基本组合。恒载作用分项系数均取1.2，可变荷载作用分项系数均取1.4。②正常使用极限状态设计准永久组合。车辆荷载效应的准永久值系数取0.4，水流力取1.0。根据栈桥使用期间车辆行驶情况，选取三种最不利计算工况。工况一：1辆满灌车在栈桥中间行驶；工况二：55t履带吊在栈桥跨中位置；工况三：72t旋挖钻在栈桥跨中位置。

3.3 计算模型

钢栈桥内力计算通过采用Midas公司的有限元分析软件Midas Civil 2019建立主栈桥三维模型进行有限元计算，计算模型如图1所示。

图1 钢栈桥计算模型

3.4 结构计算

钢栈桥基础均考虑桩土作用，根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363—2019）[6]按m法计算桩基弹簧水平刚度。钢管桩稳定性根据《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）[7]分别计算弯矩平面内稳定和弯矩平面外稳定。结构计算数据汇总如表1所示。

表1 结构计算数据汇总表

由表1可知，钢栈桥结构的强度、刚度及稳定性均符合相关规范要求，但是强度方面的利用率较低，利用率最高为127.7÷236=54.1%，结构有待优化设计。

4 结构优化设计

4.1 结构截面优化

以“结构合理、经济适用”为原则，选取合适的结构截面进行设计优化[8]。经过试算，选取的优化结构截面如表2所示。

表2 截面优化一览表

4.2 优化后结构计算

优化结构计算数据汇总如表3所示。

表3 优化结构计算数据汇总表

4.3 优化效果

（1）结构强度。对比原结构和优化结构的结构强度，组合正应力利用率如图2所示，剪应力利用率如图3所示。由图2可知，所有构件组合正应力的利用率均有提高，其中型钢纵梁的利用率最为明显，由50.4%提高到了78.5%，利用率接近80%，取得了良好的设计优化效果。由图3可知，所有构件剪应力的利用率略有提高，其中型钢纵梁的利用率由12.1%提高到了15.4%，利用率较低，说明剪应力的安全储备较高。

图2 组合正应力利用率

图3 剪应力利用率

（2）结构刚度及稳定性。在结构刚度方面，原结构变形为12.6mm，优化结构的变形为18.1mm，与原结构相比增加了5.5mm，相关规范规定的挠度限值为22.5mm，优化后的结构刚度满足规范要求且有一定的安全储备。在稳定性方面，原结构平面内弯矩为36.1MPa，平面外弯矩为35.3MPa，优化结构平面内弯矩为29.0MPa，平面外弯矩为32.0MPa，与原结构相比分别减少7.1MPa和3.3MPa，强度设计值为190MPa，优化后的结构稳定性和安全储备更高。

5 结论

（1）钢栈桥结构设计不但要求构件的强度、刚度、稳定性满足规范要求，而且要以“结构合理、经济适用”为原则，选取合适的结构截面进行结构设计优化。

（2）截面优化后的钢栈桥结构，强度利用率更高，节约成本，经济适用，取得了良好的设计优化效果。

（3）计算中各种车辆荷载只考虑单一作用状况，钢栈桥在运营过程中，严禁两辆施工车辆同时行驶在同一座钢栈桥上。