复杂水域曲线重型钢栈桥设计与施工技术研究

孙金烈 李小鹏

（中铁二十二局集团第三工程有限公司，福建 厦门 361000）

0 引言

随着桥梁建设的快速发展，在复杂水域中，考虑到结构施工和环境保护等方面，需要搭设水上临时钢栈桥，作为施工材料、机械设备和施工人员的主通道。钢栈桥的形式多样，其中组合式贝雷钢栈桥由于具有承载高、自重轻、安全性高、材料可回收利用等优点，被广泛应用于水域桥梁的施工中。

1 工程概况

1.1 项目概况

绍兴某智慧快速路是绍兴“六纵八横”快速路网的重要组成部分。工程采用“高架主线+地面辅道”的建设形势。该工程含1座由8条匝道组成的上、下五层互通立交，匝道最小半径为150 m，匝道总长约5.5 km。其中SW27、SW28、SW29、SW30、SW33、SW34、WS1、WS2、WS3、WS4、WS5、NW04、NW05、NW06、NW07、NW08等现浇桥墩位于水域中。

拟建场地属萧绍滨海相沉积平原地貌单元，上部为新近堆积的填土、湖沼相沉积的黏性土层和海相沉积的淤泥质软土层，中、下部为冲湖相、河潮相沉积的黏性土层及砂层，下伏基岩为白量纪下统壳山组（K1k）凝灰岩。

拟建场地100年一遇水位为+5.17 m（黄海高程），50年一遇水位为+5.14 m （黄海高程），20年一遇水位为+4.99 m（黄海高程），10年一遇水位为+4.89 m（黄海高程）。周围河水与地下潜水为互补关系。

1.2 重型钢栈桥概况

共设计重型钢栈桥两座，桥面净宽8.0 m，NW4#-NW8#墩钢栈桥长171 m，NE12#-NE14#墩钢栈桥长99m，栈桥跨径为（5.25+6+6+5.25）m，桥面标高为+7.008 m，钢栈桥每四跨设置一处3 m制动墩。

重型钢栈桥设计荷载195 t。

钢栈桥主要用于桥梁施工，主要有桥梁下部结构（基桩、承台、现浇立柱）、桥梁上部结构（现浇混凝土箱梁、钢箱梁）以及桥面铺装等施工。施工期间重型钢栈桥供材料运输、混凝土浇筑以及履带式起重机起吊钢箱梁等。

2 重型钢栈桥设计

2.1 主要技术标准

设计荷载，公路－I级荷载；控制荷载，重型钢栈桥设计荷载195 t（160 t履带吊+35 t钢箱梁）。

2.2 重型钢栈桥结构

钢栈桥基础采用直径为630 mm、壁厚10 mm的钢管桩布置，栈桥纵向6 m设置一排临时支墩，每排支墩横向设置6根钢管桩，钢管间横向间距为（1.4+1.6+1.3+1.6+1.4）m，钢管桩间采用[20#槽钢作为栈桥横向平联及斜缀，如图1所示。纵向管桩标准跨径为6 m，遇钢栈桥中部存在曲线时，将非标准跨径设置在制动墩两侧，当钢管桩轴线不在贝雷梁0、1/2、1处则需要增加加强竖杆，制动墩每四跨设置一处，纵向制动墩钢管间距3 m，如图2所示。

图1 重型钢栈桥横向布置设计图（单位：cm）

图2 重型钢栈桥纵向布置设计图

钢管桩顶设750mm×750mm×20mm钢板顶帽，顶帽与钢管间等间距设置6块三角形加劲钢板，钢板顶承重主横梁采用双拼I40#工字钢，工字钢与主横梁间采用钢板进行限位，放置后期荷载作用下横梁偏位。

纵向采用“321”型贝雷梁作为主梁，共5组10片，贝雷片间采用标准0.9 m花窗作为单组横向联系。贝雷梁间间距为83cm。贝雷梁与横梁间采用定制U型螺栓呈“八”字形加固。

贝雷梁顶部采用I20工字钢作为分配梁，分配梁中心间距30 cm，单根长度9.0 m，分配梁与纵向贝雷梁间采用定制U型螺栓呈“八”字形加固。

桥面采用组合式钢桥面板（主骨架为I12.6工字钢、面板为5 mm压花纹钢板）。栈桥两侧设置钢护栏，护栏高度为1.2 m、立柱每隔2 m设置，两道栏杆采用Φ48×3.5 mm钢管，钢管与立柱间采用锁扣连接。

2.3 重型钢栈桥结构计算

强度验算的荷载组合为1.3恒载+1.5活荷载；刚度及稳定性验算的荷载组合为1.0恒载+1.0活荷载。

=1.3×（桥面板自重+分配梁自重+贝雷梁自重）+1.3×1.5×[（履带式起重机荷载 160t+ 钢箱梁分段重 35t）/履带宽]（考虑汽车冲击系数1.3）

=1.0×（桥面板自重+分配梁自重+贝雷梁自重）+1.3×1.0×[（履带式起重机荷载 160t+ 钢箱梁分段重 35t）/履带宽]（考虑汽车冲击系数1.3）

本钢栈桥前期主要供下部结构基桩、现浇立柱施工期间混凝土浇筑、材料运输，由于下部结构施工期间钢栈桥所受荷载较小，仅考虑上部结构钢箱梁履带式起重机吊装施工期间钢栈桥工况分析。

根据履带式起重机型号参数对应履带长、宽，通过电脑制图软件进行工况辅助模拟，可知本重型栈桥结构受力主要有以下2种施工工况：工况一，为履带式起重机履带作用于一排临时支墩上，如图3所示；工况二，为履带式起重机履带作用于两排临时支墩上，如图4所示。

由上述2个工况分析图可知，工况一（图3）中所有荷载均作用于单排钢管桩上，工况二（图4）中所有荷载作用于两排钢管桩上，由此可见，当所有荷载均作用于单排钢管桩上时，工况一（图3）为最不利工况，因此针对工况一进行钢栈桥受力荷载分析。

图3 工况一（单位：cm）

图4 工况二（单位：cm）

根据荷载标准组合，钢栈桥所受组合荷载=525.632 kN/m，运用结构力学求解软件计算得工况一最大支反力为3669.6 kN，计算时取3670 kN，该重型钢栈桥由10片贝雷梁组成，计算时简化计算，按每片贝雷受力367 kN均等考虑。

运用力学求解软件模拟贝雷梁荷载作用双拼I40工字钢主横梁上，从而验证主横梁强度、刚度，计算栈桥钢管桩最大受力等，贝雷梁作用于双拼I40主横梁受力模型如图5所示。

图5 横梁受力模型（长度单位：m；荷载单位：kN）

由上模型通过力学求解软件计算，当重型钢栈桥处于最不利状态下单排单根钢管桩的最大支反力为555.6 kN。

该重型钢栈桥基桩按摩擦桩考虑设计。承载力计算考虑桩外侧土对钢管的摩阻力和考虑桩端土承载力，根据根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363—2019）和《路桥施工计算手册》，摩擦桩单桩承载力计算公式如下。

式中：[]为单桩垂直极限承载力设计值，kN；为桩的有效长度，m；τ为桩壁土的平均摩阻力，kPa；为桩身截面周长，m；σ为桩底持力层土的极限承载力标准值，kPa，不预计算；为桩底截面面积。

桩身周长=2π=1.978 m。

根据地勘资料，桥址区域内的地质从河床面由上而下的分布情况主要为素填土、粉质黏土、黏质粉土、粉质黏土，各土层的分布情况、层厚及物理特性见表1。

表1 栈桥桥位处地质勘察资料

振动锤的振动力，应能克服桩在下沉中土的摩阻力（＞）；振动锤系统的总质量大于振沉构件的动端阻力；振动锤系统的工作振幅大于振沉构件到要求深度所需最小振幅。

式中：为土单位面积的动摩阻力，kPa/m，=65 kPa/m；为桩的周边长度，m；为桩的入土深度，m；为桩沉入深度土层的最大标准贯入击数，次；为桩的横截面面积，cm；e为自然对数。

通过理论计算及现场单桩锚固试验，选择符合沉桩要求激振力的振动锤。综上所述，DZJ-90型振动锤满足栈桥施工使用要求。

3 重型曲线栈桥施工

3.1 施工流程

施工准备→测量放样→“钓鱼法”施工钢管桩→安装桩间平联、斜缀→安装桩顶桩帽及承重双拼I40工字钢横梁→安装“321”贝雷纵梁→安装I20工字钢分配梁→安装标准军用桥面板→安装栏杆→进入下一循环。

3.2 原材料准备

进场原材料须要求厂家提供质量保证书和产品合格证及相关检验、试验报告。所用钢管桩等钢制件在进场前应严格复检壁厚、管径，检查是否为翻新管等。现场材料堆放应按场布进行堆放，堆放时不得超过1.5m、离周围施工基坑间距不小于2m，钢管间采用木楔塞紧，防止钢管桩受扰动产生滚动，造成人身财产损失。

3.3 “钓鱼法”钢管桩施工

钢栈桥钢管桩的施打采用“钓鱼法”，即在部分已施工完成的钢栈桥桥面上，使用履带吊逐跨前进，振动捶打钢管桩。每跨钢管桩施工完成后，架设承重结构体系和桥面系，然后履带式起重机向前移动，进行下一跨的施工。该工程采用75t履带式起重机携带DZJ－90型号振动锤进行钢管桩的水下施工。在已经架设好的栈桥上，将1组长度为12 m的贝雷梁悬挑架设起来，在端头安装临时导向定位架，由测量班使用测量仪器准确放样，准确定出钢管桩所在的位置。将钢管桩吊入定位架内，利用全站仪把控钢管桩的偏移距离和垂直误差，对钢管桩入土深度进行控制，最后由现场技术员对钢管桩插打深度进行校核。

栈桥钢管桩由履带吊和振动锤采用“钓鱼法”逐排振动下沉，全站仪和经纬仪交汇法控制其平面偏位，用水准仪控制管桩顶标高。根据结构受力计算的结果，栈桥在工作状态下单桩承载力为555.6 kN，现场施工时存在不可控因素，实际施工按单桩承载力为600 kN进行控制。桩位平面位置控制在±50 mm内，桩顶高程偏差为±30mm。当钢管桩在振动下沉过程中贯入深度与理论相差较大，应按现场实际进行控制。

钢管桩插打施工完成后，进行钢管桩间平联和剪刀撑的安装。用[20槽钢进行钢管桩间的平联，采用焊接的方式进行连接，槽钢与钢管桩必须满焊。考虑到钢管桩插打过程中存在一定误差，在平联时，须根据实际量测桩间距进行下料。在对槽钢进行加工前，一定要进行除锈处理，以保证槽钢表面清洁干净无污染。

在平联施工过程中，测量班组放样牛腿的准确位置，施工班组进行焊接处理。插打钢管桩会造成水平位移误差，导致实际牛腿的部位与设计的部位不能吻合。因此，应该采取补强措施，以保证钢栈桥的施工质量。

桩顶主横梁采用双拼I40a#工字钢。在施工时，应根据工字钢的尺寸和规格，提前在加工厂加工成品。在钢管桩插打操作完成后，进行桩顶横梁的吊装作业和加固作业。在加工过程中，一定注意精确标记好加劲焊板的位置。如果牛腿与桩顶横梁未能密贴在一起，为了使桩顶横梁更加牢固，可在间隙处堵塞相同厚度的钢板，进行平整度调节。

当双拼I40工字钢主横梁安装完成后，采用75t履带式起重机将拼装完成的贝雷梁按放样位置准确放置于主横梁上。首先，栈桥施工班组在加现场拼装好贝雷梁，贝雷梁拼装完成后由专业监理进行试拼验收，贝雷梁试拼验收完成后，进行后续贝雷梁拼装。拼装完成的贝雷梁通过轮式起重机将其吊至拖车上运输至栈桥施工现场，用75t履带式起重机将每组贝雷梁架设、安放于桩顶双拼I40主横梁上。根据前期放样调好贝雷梁位置后，加装限位装置，将贝雷梁与桩顶主横梁进行限位固定。为防止贝雷梁横向失稳，为提高贝雷梁横向失稳能力，每组贝雷梁通过贝雷梁花窗连接加固，在每两组贝雷梁间进行角钢斜支撑加固，以加强横桥向连接刚度，防止后期桥梁上部结构安装过程中起重设备重心移动造成钢栈桥横向失稳。

按间距0.3 m 铺设纵向I20#分配梁，并采用“U”形螺栓把纵向分配梁与贝雷梁紧固在一起。施工班组根据设计图纸调整间距后，对每根纵向分配梁进行刷漆防锈处理。栈桥使用过程中，安排专人对“U”形螺栓进行定期的养护和检查，以避免因荷载承重和机械振动产生松动，出现螺栓脱落的现象。

重型钢栈桥桥面板采用2×4m成品桥面板，桥面板采用25 t轮式起重机进行安装，桥面板调整由人工完成，调整完成后通过专用紧固环将桥面板与纵向分配梁连接在一起。钢栈桥外侧护栏扶手采用φ48×3.5 mm钢管，每侧设置上、下2道。护栏立杆为高度1.2 m，上、下两道栏杆高度不超过0.6 m，栏杆高度不低于1.2 m。栈桥两头设置限速、限载标志，栈桥每隔10 m设置一盏施工照明、两侧每隔10m放置救生衣、求生圈等救生器材。栈桥顶部栏杆设置安全冷光源灯带，起到栈桥轮廓照明作用。

4 结语

该项目通过贝雷梁式钢栈桥，节约成本，提高了施工效率，减少了施工安全风险。该工程对复杂水域曲线重型钢栈桥的成功应用可以为公司后续类似工程提供宝贵经验。