跨海大桥装配式栈桥结构设计与施工

蔡 田,吴凯军

（中交二公局泉州湾跨海大桥A3合同段项目经理部，福建泉州 362122）

0 前言

泉州湾跨海大桥南岸深水区引桥（N089#～N123#墩），共有35个桥墩位。施工均需搭设支栈桥至墩位处才能进行，栈桥工程数量大。合理地设计支栈桥结构形式，提高施工效率，减少成本投入，保证施工工期，成为该项目施工的重点之一。为了解决以上难题，从支栈桥结构设计出发，以装配式施工为理念，对支栈桥结构型式进行优化设计，并形成一套标准化施工工艺流程，为今后类似工程提供参考。

1 工程概况

泉州湾跨海大桥工程起于晋江南塘，终于塔埔，在石狮蚶江跨越泉州湾，为泉州市环城高速公路三期工程。桥位处海面开阔，海平面平均潮位下普遍水深1.4～5.7 m，海区潮流性质为正规半日潮流，呈往复流特征，最高潮水位3.36 m，最低潮水位-2.85 m。

桥址位于滩涂区，受潮汐影响大，水上船舶施工组织管理难度大、风险高，因此该工程采用在桥位下游侧搭设主栈桥，然后根据墩位位置搭设支栈桥及钻孔平台的方法组织施工，实现海上施工陆地化。

2 支栈桥结构形式

按照支栈桥常规的施工工艺，结构自下而上分为钢管桩、下横梁、主梁（贝雷纵梁）、上层横向分配梁、纵向分配梁及面板，共6层结构。

为了达到施工快捷、节约成本的目的，该项目将支栈桥结构进行了优化，使用钢筋混凝土预制板代替上层横向分配梁、纵向分配梁及面板，将支栈桥结构由6层变为4层。

3 支栈桥设计

支栈桥作为海上施工主要通道，以满足施工作业为原则来确定支栈桥平面尺寸。支栈桥从施工主栈桥接出，因此顶面标高设置为与主栈桥相等，其长度需根据已建主栈桥与桥梁墩位之间的距离确定，宽度不小于施工机具的最大宽度。该项目支栈桥尺寸确定为长×宽×高为：44 m×6 m×7.5 m。

3.1 设计原则

（1）满足施工要求；（2）安全；（3）施工方便快捷；（4）节约成本。

3.2 结构形式设计

支栈桥采用φ720×10 mm的钢管桩排架基础，排架横向间距为4.0 m，纵向间距为9 m、12 m不等，桩基之间设[20槽钢双扣进行连接。桩顶分配横梁采用2根I45b型钢并联，设置2组贝雷梁，每组4榀。贝雷梁上铺设20 cm厚的钢筋混凝土面板，平面尺寸为6.4 m×2 m，桥面两侧设置1.2 m高的防护栏杆。具体结构形式如图1所示。

3.3 钢筋混凝土预制板设计

混凝土预制面板内设置钢筋，每块预制板设两层钢筋，钢筋层间距15 cm，钢筋保护层厚2 cm，钢筋绑扎前使用∠50×50×5的角钢焊接成6.4 m×2 m×0.2 m的矩形框架，然后将钢筋与角钢焊接成型。

4 支栈桥受力计算

4.1 预制板受力分析

预制面板铺设在贝雷片上，面板与贝雷片未进行连接，面板尺寸6.4 m×2 m×0.2 m。将面板近似为梁，满载混凝土搅拌车单侧车轮行驶在桥面板中心位置时为最不利荷载。搅拌车满载时自重荷载按30 t计，后轮分配荷载最大，每个轮子按10 t计，计算简图如图2所示，计算结果如图3所示。

图1 支栈桥横断面设计图（单位：cm）

图2 面板受力计算简图

图3 混凝土罐车荷载作用下混凝土面板计等模型图

由以上计算结果可以看出：混凝土面板最大弯矩出现在混凝土罐车荷载作用下，最大正弯矩值为：M1=29.1 kN·m，最大负弯矩值为：M2=22.6 kN·m。

C25混凝土抗拉强度设计值为1.23 MPa，为了使受力满足要求，必须对混凝土面板进行配筋，上侧设置直径为12 mm的钢筋，下层设置直径为16 mm钢筋，钢筋保护层厚20 mm。

混凝土面板按单向板进行受力分析，应假定受压区混凝土的合力C通过受压钢筋的重心，即令受压区混凝土高度x=2as’，此时可直接对受压钢筋重心取矩，计算受拉区钢筋面积，计算公式如下：

混凝土面板钢筋骨架使用L50×5mm角钢封边，角钢断面面积为S’=4.8×10-4m2，设长度方向上下侧配筋面积为S1，上侧配筋面积为S2，则S1、S2应满足下式：

混凝土面板下侧配φ16 mm钢筋，断面面积2.011 cm2，上侧配φ12 mm钢筋，断面面积1.131 cm2，则2 m宽板上下侧各需设置6根钢筋才能满足受力要求。为了提高安全系数，上下侧各配置8根钢筋能满足受力要求。具体钢筋布置见图4所示。

图4 混凝土预制板钢筋布置图

4.2 支栈桥受力分析

采用MIDAS/CIVIL建立支栈桥有限元模型进行数值模拟计算，计算取两跨，面板自重以荷载的形式施加在模型上，计算过程如下。

4.2.1 计算荷载取值

水平向荷载：风荷载取基本风压600 Pa；按设计流速v=1 m/s，计算得钢管桩流水压力为2.95 kN，作用点位于设计水位以下0.3倍水深处；波浪力根据《海港水文规范》相关计算公式计算得钢管桩受波浪力大小为28.24kN，作用点距海床面6.64 m。

竖向荷载：支栈桥自重由程序自动计入；履带吊自重约50 t加吊重30 t；施工荷载按2.5 kN/m2取值；面板自重荷载按0.39 t/m均布荷载直接加载在贝雷梁上。

4.2.2 建立模型计算

在MIDAS/CIVIL建模中，钢管桩、平联、斜撑、贝雷，以及各种型钢均以一般梁单元建立，混凝土面板使用板单元建立。为保证模型与实际情况一致，各层分配梁之间设刚性连接，并释放一般梁单元在长度方向的位移约束，钢管桩在嵌固点位置固结。

贝雷模型的建立：由于立杆及斜撑近似于二力杆，只承受轴力，不承受弯矩，故建模过程中，将立杆与弦杆接触的一端进行端部约束释放。

按照以上荷载组合加载，分别在车至跨中和车至桩顶时进行计算，计算结果如图5、图6所示。

图5 车至跨中支栈桥应力图

图6 车至桩顶支栈桥应力图

将两种工况的计算结果进行汇总，见表1所列。

表1 支栈桥计算结果一览表

由表1可知，支栈桥各杆件受力均小于允许应力，受力满足要求，履带吊行至桩顶时，贝雷梁受力最大，最大应力为压应力，出现在贝雷梁竖向立杆上，值为241.7 MPa，小于允许应力273 MPa。

根据模型计算结果，履带吊行走至跨中位置时，支栈桥主梁出现最大竖向位移，值为13.2 mm，允许最大位移[L]=L/400=30（mm），满足规范要求。

5 支栈桥施工工艺

支栈桥以既有主栈桥为施工平台进行施工，先插打前两排钢管桩，安设桩间连接、贝雷梁及铺设面板，然后履带吊行驶至支栈桥上进行下一排钢管桩插打施工，直至支栈桥搭设完成。

5.1 测量定位

在进行钢管桩插打施工前根据设计图纸进行测量放线，找准每个钢管桩桩位，安设导向装置并调整垂直度，固定导向装置，然后进行复测，复核导向架垂直度和空间位置满足设计要求后，方可进行钢管桩插打施工。

5.2 钢管桩插打施工

使用履带吊提升沉桩锤进行钢管桩插打施工，插打过程中随时监测桩位与桩的垂直度，发现偏差及时纠正。每排钢管桩下沉到位后，应进行桩之间的连接，增加桩的稳定性，具体措施为桩间剪刀撑及平联的焊接，所需材料尺寸需根据现场尺寸下料，焊缝质量满足设计及规范要求。

5.3 下横梁焊接

在钢管桩顶焊接分配横梁，横梁采用I45b型钢双拼，单根长6.4 m。在焊接横梁前需对桩顶标高进行复测，把高出设计标高部分割除，并在桩顶焊接桩帽，下横梁直接焊接在桩帽上。

5.4 贝雷梁拼装

贝雷梁在后场拼装，每4榀为一组，每组拼装长度9 m或12 m，贝雷梁之间用花架连接好。将拼装好的贝雷梁采用履带吊或汽车吊在栈桥上进行安装。使用小槽钢将贝雷梁与下分配梁之间进行固定，限制横向位移。

5.5 面板铺设

贝雷梁拼装完成后进行面板铺设，混凝土预制面板与贝雷纵梁之间需铺垫1 cm厚橡胶垫块，每块预制面板垫4块。面板铺设完成后使用钢板将相邻两块面板之间进行焊接加固，钢板与面板封边角钢焊接。

5.6 栏杆安装

在支栈桥四周设置高为1.2 m的防护栏杆，采用Φ48焊接钢管焊接在混凝土面板封边角钢上，立柱间距1.5 m。栏杆采用红白相间的反光油漆进行涂刷，长度为每段颜色油漆20 cm。

6 对比分析

若采用传统结构形式进行支栈桥施工，为满足施工荷载要求，该项目支栈桥结构形式应做如下变化：贝雷纵梁及以下结构可不做调整，将混凝土预制面板更换为间距为50 cm的I25横向分配梁、间距为30 cm的I12.6纵向分配梁及1 cm厚钢板为面板的组合结构。现针对两种结构形式进行比较，来分析该项目采用优化后支栈桥施工的优缺点。

6.1 施工功效分析

根据以往的施工经验，采用传统支栈桥结构进行施工单跨施工平均需要19 h的有效工作时间，将结构优化后，减少了两道施工工序，单跨平均需要13.5 h有效工作时间，具体分析情况见表2所列。

表2 支栈桥施工功效（单跨）分析表

该项目共投入支栈桥12个，每个支栈桥4跨，相比传统结构，该项目单个支栈桥搭设可节省22 h的有效工作时间。由此可见，将支栈桥结构进行优化可有效提高工作效率。

6.2 成本分析（见表3、表4）

表3 钢面板支栈桥施工成本分析表

表4 钢筋混凝土面板支栈桥施工成本分析表

取一个标准支栈桥44 m作为一个计算单元，每种材料价格按照施工时市场价计算。钢管桩按海域地质情况平均取值26 m。

由表3和表4可以看出，通过优化支栈桥结构形式，搭设单个支栈桥可节省成本21.53万元，累计搭设12个支栈桥可节省成本投入258.36万元，经济效益显著。

6.3 施工可操作性分析

该项目将栈桥结构进行了优化，将栈桥结构层数减少至4层，相比传统栈桥施工减少了2道施工工序，使栈桥的搭设及拆除更加快捷，提高了施工效率。整个栈桥搭设过程中仅有3道工序需要施工人员在水面上进行高空作业，相比与传统栈桥施工大大减小了施工人员落水的概率，提高栈桥施工安全性。

6.4 使用性能分析

作为海上工程，若使用钢板作为桥面板，海水腐蚀可加速钢板锈蚀，影响钢板强度，而使用混凝土预制板可有效防止海水腐蚀，耐久性更高。因此从抗腐蚀角度看，混凝土预制板比钢面板更具有优越性。

7 总结

本文对装配式栈桥结构形式进行了优化设计，使用钢筋混凝土预制面板直接在栈桥贝雷纵梁上进行拼装，进行了受力分析保证了施工的安全要求。通过工程实践验证了该施工工艺的可行性，并通过与传统栈桥结构形式施工的比较得出该施工工艺具有操作方便、节省工期、节约成本等优点，为类似工程的施工累计了经验。

[1]王维琴，龚韬.贝雷桁架栈桥设计与施工[J].城市道桥与防洪，2011，(4)：143-146.

[2]陈雄峰.平潭海峡大桥全栈桥辅助施工技术的应用[J].交通科技，2010，(4)：30-33.

[3]JGB50017-2003，钢结构设计规范[S].

[4]TJ 213-1998，海港水文规范[S].

[5]GB50010-2010，混凝土结构设计规范[S].