跨青龙湾减河大桥施工栈桥方案设计实践

苑宗存

(中铁十八局集团第五工程有限公司,天津 300459)

1 工程概况

京滨铁路线路起自京唐铁路宝坻南站，迄于天津地区滨海站。其中的宝坻-北辰段站前工程JBSG-2标段，需要上跨青龙湾减河通过。

青龙湾减河与线路交叉里程为DK118+467，交叉角度为114°04′，河道在桥位的宽度约为240 m。京滨铁路线采用2×24 m简支梁跨越左截渗沟，1×32 m简支梁跨越右截渗沟，采用(60+100+100+60)m连续梁跨越主河道。为进行跨越河流大桥的施工，需在施工区域附近建造施工临时栈桥，以便于各种施工车辆的通行。

2 栈桥施工方案

2.1 栈桥方案选择

栈桥主体结构一般采用大号型钢(工字钢或者H型钢)、六四军用梁、321贝雷梁三种形式。三种方案的分析如下[1-2]：①大号型钢方案。由于该位置的栈桥长度大，如果采用型钢作为结构主体，因其跨度较小，则必然需要布置更多的螺旋钢管桩，增加下部工程造价；经过权衡和造价预算分析，该方案经济效益性差，且由于跨度较小，影响河流船只的通行和泄洪，安全系数大大降低。②六四军用梁方案。六四军用梁的抗弯刚度大，可以提高跨度，但是六四军用梁为以前遗留下来的旧材料，其性能会有折扣，且社会存量小，附近没有相应的货源。③321贝雷梁方案。贝雷梁的抗弯刚度界于型钢栈桥和军用梁栈桥之间，但是贝雷梁器材的购买、租赁方便、货源充足。

该栈桥需要满足施工通行需要，根据已编制的施工组织设计，施工中需要通行的重载车辆包括12 m3混凝土运输车、重型履带吊车、钻孔灌注桩重型冲击钻机等，同时桥下偶尔会有小船通过，有一定的通航要求。

基于以上分析，最终决定采用321贝雷梁作为栈桥结构的主体，既可以承载较重荷载、又可以采用较大跨度满足通航和泄洪要求。

2.2 栈桥详细构造

经过综合权衡和试算，最终决定采用8片贝雷梁作为主梁，栈桥宽度9 m，主跨为12 m，满足双车道通行要求。栈桥一共有22跨，由于栈桥两侧有1.5 m支撑在河岸路基土上，考虑河岸土强度很低，没有进行处理，该1.5 m长度按照悬臂考虑，因此栈桥跨度为(0.7+11.3+20×12+11.3+0.7)m。栈桥的布置如图1所示，栈桥主要构件的布置自下而上依次为：基础、横梁、主梁和桥面系。

图1 栈桥布置(单位：cm)

(1)基础：每个栈桥支撑处采用两根∅820 mm×10 mm的钢管桩作为基础，每排钢管2根，间距设置为5 m，栈桥钢管桩长平均约30 m。钢管桩横向平联采用[28b槽钢连接，以形成整体，增加钢管桩的整体稳定性。

(2)横梁：位于各排钢管的顶部，采用双拼45b工字钢，直接卡在安放在钢管立柱顶部的开槽上。

(3)主梁：采用“4+4”共8片贝雷片。贝雷片支撑在横梁上，为了防止贝雷片横桥向发生移位，在贝雷梁下弦杆两侧设置限位结构，限位结构焊接在横梁上，8片贝雷之间需要采用花窗连成整体。

(4)桥面系：采用分配梁+钢板结构。分配梁位于主梁上方，采用I25b工字钢横桥向布置，间距为30 cm，分配梁与贝雷梁上弦杆(双拼10号槽钢)之间通过卡板、骑马螺栓进行固定；分配梁上铺设10 mm钢板作为桥面板，10 mm厚钢板与分配梁之间焊接固定。

3 栈桥结构检算

3.1 荷载和荷载组合

通过对该栈桥通行车辆进行综合分析，以下两种车辆荷载控制设计：①施工需要通行的混凝土罐车轴重最大，且总重也比较大，三轴罐车总重达到了460 kN，两个后轴重量均为170 kN，前轴稍轻，轴重为120 kN，三个轴的轴距为3.6 m、 1.5 m。②围堰施工需要自重1 000 kN的履带吊，吊重为300 kN，履带吊的总重合计为1 300 kN，总重量远大于混凝土罐车，会控制栈桥的受力。根据履带吊厂家资料，履带吊的履带间距为3.55 m，每侧履带接触地面长度6.85 m，履带宽度0.8 m。1 300 kN按照两个履带均分计算。

计算采用极限状态法，结合桥梁规范，采用两种荷载组合：①荷载组合1，1.2恒载+1.4罐车活载，同时考虑1.2的冲击系数。②荷载组合2，1.2恒载+1.4履带吊，吊车作业时都是缓慢提升，因此吊重加载时不计冲击，且吊车保证位于栈桥中间；吊车两侧30 m内戒严，不允许再有其他荷载。以上荷载组合是强度计算时采用的，计算位移时不计1.2、1.4的系数，且不计冲击的影响。

3.2 栈桥的计算模型

栈桥计算采用midas civil建立仿真模型进行计算，由于栈桥很长，且重车通行时需要拉开距离，因此只需要建立能代表栈桥受力的代表跨度即可，因此建立的栈桥模型为0.7 m+11.3 m+12 m+12 m，既考虑了悬臂0.7 m的情况，也考虑了11.3 m+12 m和连跨12 m的情况，能够反映整联栈桥的工作状态。

栈桥的上分配梁、贝雷梁下横梁均采用梁单元进行模拟，模型中未建立桥面钢板。建模时进行如下处理：①贝雷片连接销轴位置释放相应的转动自由度。②在不同构件的接触位置，上分配梁和贝雷上弦杆、贝雷下弦杆和横梁之间进行了一般弹性连接的处理，释放相应的自由度，保证结构变形与实际工作状态相一致，防止产生附加内力。③为了方便移动荷载加载，还在上分配梁中心建立了一个小纵梁(最小型号角钢)，方便车道定义和车道加载。④约束施加在贝雷下横梁的支撑位置，并释放相应自由度，保证贝雷纵向自由伸缩。模型如图2所示。

图2 栈桥模型

3.3 栈桥上部结构计算

3.3.1 主体结构计算

根据荷载重量，通过定义移动荷载、车道并加载计算，其中混凝土罐车加载时考虑了0.5 m的车道偏心，且考虑施工要求，按照双车道加载计算。履带吊按照单车道加载，不考虑车道偏心。两个荷载组合的计算结果如图3、图4和表1所示。

表1 栈桥主结构仿真分析结果(极值)

图3 荷载组合1计算结果

图4 荷载组合2计算结果

从计算结果可以得到：①Q345材质的贝雷梁的组合应力最大为285.7 MPa，小于材料的设计值305 MPa；剪应力最大158 MP，小于设计值175 MPa；最大竖向位移14.3 mm，小于限值30 mm (12 m/400)。②Q235材质横梁的组合应力最大为143.1 MPa，小于材料的设计值215 MPa；剪应力最大87.6 MP，小于设计值125 MPa；最大竖向位移6.1 mm，小于限值12.5 mm (5 m/400)。均满足要求。

3.3.2 上分配梁和钢板计算

由于罐车荷载轴载大，罐车+自重的荷载组合控制设计。

(1)分配梁计算：荷载组合1(罐车+自重)下横梁的受力控制设计，其计算结果如图5所示。

根据图5，上分配梁的最大组合应力为143.09 MPa<215 MPa，最大剪切应力为82.57 MPa<125 MPa；上分配梁的竖向位移，需要消除贝雷梁支撑处位移影响，选取中墩下横梁上方位置进行截图：2.7 mm<2 060 mm/400=5.15 mm。

图5 荷载组合1上分配梁计算结果

(2)钢板计算：桥面钢板按照厚度1 mm的单向板进行计算，荷载根据轮胎与钢板的接触面积0.6 m(横桥向)×0.25 m(纵桥向)施加，查表计算，钢板组合应力196 MPa<215 MPa，剪切应力15 MPa<125 MPa，最大竖向位移0.7 mm<300 mm/400=0.75 mm(分配梁的间距300 mm)。

3.4 栈桥下部结构计算

栈桥下部结构为∅820 mm×10 mm的钢管桩，计算钢管桩需要根据上部结构的反力数据，上述2个工况中，履带吊吊重300 kN，且履带中心位于中间跨横梁中心位置时，钢管桩受压力最大，其计算结果如图6所示。

图6 钢管最大反力

根据《港口工程桩基规范》，按弹性长桩计算，钢管桩的嵌固点深度：t=1.8×T=1.8×2.43 m=4.4 m。

根据栈桥和河床面的高程，叠加嵌固深度4.4 m，计算得到钢管桩顶到嵌固点的最大长度11.164 m，不考虑桩周土的约束，长度计算系数取2，计算钢管长细比为79，钢管压弯稳定性计算的应力：σ=N/A=38.4 MPa<φf=151 MPa。式中：A为钢管截面积，为25 447 mm2；φ为钢管压弯稳定系数，按长细比查表为0.701；f为钢材设计强度，215 MPa。

(2)轴向承载力计算：根据各土层厚度、侧阻和端阻标准值、钢管桩的截面特性，计算单钢管桩的轴向承载力公式如下：Quk=μ∑qsikli+λpqpkAp。式中：μ为桩周长，根据桩径0.82 m，μ=2.57 m；li为各层土厚，深入河床23 m，穿越淤泥、细沙嵌入中砂层，土层厚依次为10.3 m淤泥、7.5 m细砂、5.2 m中砂；qsik、qpk分别为各土层侧阻、端阻标准值，不计淤泥层摩阻，细砂层qsik=45 kPa，中砂层qsik=61 kPa，qpk=245 kPa；λp为桩端土塞效应系数，根据规范，取值0.8；Ap为桩端面积，按照闭口桩计算，为0.53 m2。计算得到：Quk=1 787 kN>978 kN，达标。

4 结束语

跨青龙湾减河大桥的栈桥通行荷载大，最重吊车(含吊重)总重量高达1 300 kN，同时双车道通行460 kN的混凝土罐车，且桥下有一定的通行要求，通过分析确定了主跨12 m的贝雷栈桥方案。对栈桥采用midas软件对栈桥的上部结构进行了仿真分析，并且对钢管桩进行了稳定性和承载能力检算，均满足要求。

目前该栈桥已经拆除，且整个施工期间，栈桥最大竖向位移12.2 mm，与计算值14.3 mm非常接近，此外测得的钢管桩沉降量仅为0.5 mm。这些数据表明栈桥的检算准确、桥面平顺，栈桥的工作状态良好，这为大吨位栈桥的方案设计提供了参考。