重载型贝雷梁钢栈桥和钢平台结构研究与方案设计

黄文武

摘要：文章结合田阳县东江二桥5号主墩水中桩基施工实例，针对重型旋挖钻在水上钢平台施工所面临的结构安全问题，根据确定的荷载组合作用及现场施工条件，阐述了重载型贝雷梁钢栈桥和钢平台的结构研究与方案设计，可为类似工程结构设计提供借鉴。

关键词：重载型;贝雷梁;钢栈桥;钢平台;旋挖钻;结构安全

0 引言

重载型贝雷梁钢栈桥和钢平台在桥梁施工中作为临时辅助工程应用较少，与常规载重钢栈桥和钢平台相比，本重载型设计考虑自重118t的重型旋挖钻作用，对桥墩和主梁的承载能力及稳定性要求高。本文根据重型旋挖钻施工作业时的荷载组合作用，优化结构受力设计，提高桥墩承载能力，充分发挥贝雷梁性能，保证结构使用安全且总体经济合理。对于水中桩基工程，设计一种满足重型旋挖钻施工作业的重载型贝雷梁钢栈桥和钢平台，应用旋挖钻施工工艺可以加快施工速度，节省工期，对控制关键性工程的进度具有重要意义。

1 工程概况

田阳县东江二桥全桥长464.3m，主桥设计为（80+145+80）m预应力混凝土变高连续梁桥，主桥墩采用群桩基础。其中东江二桥5号主墩位于右江河道中，距离岸边约90m，采用搭设钢栈桥和钢平台作为通道和平台施工基础及下构。

桥址区域常水位为99.77m，水面宽度约236m，最大水深约7m，5年一遇水位为105.41m，10年一遇水位为106.10m。根据河床、河面宽度、通航要求及往年水文资料，结合实际施工需要，拟定钢栈桥桥面高程为104.0m，钢平台与栈桥桥面等高设计。

2 重载型贝雷梁钢栈桥和钢平台设计

2.1 跨度选择与贝雷梁组数确定

在栈桥跨度的选择上，结合其他工程项目的类似应用案例，根据贝雷梁受力特点与强度和刚度的最优组合，贝雷梁栈桥多采用12m跨设计。综合栈桥施工、使用期间的荷载以及栈桥的拆除，本重载型钢栈桥选择单跨12m跨径。重载型钢平台跨度则根据承台桩基分布情况采用单跨6m和4.5m跨径。

贝雷梁钢栈桥常见结构形式有：单排单层、双排单层、三排单层、双排双层、三排双层以及上述五种组合结构的加强型。本工程采用单排单层不加强型贝雷梁。根据《装配式公路钢桥多用途使用手册》中的载重跨径组合表，单排单层不加强的12m跨径贝雷梁钢栈桥可承受履带-400kN荷载。本工程使用的旋挖钻机在非工作状态下自重1180kN，考虑1.4倍的安全系数，则钢栈桥荷载设计为1652kN，理论上需设置2×1652/400=8.3排贝雷梁。综合考虑栈桥宽度、旋挖钻履带宽度和轨距及施工安全，钢栈桥采用10排贝雷梁：每侧轮带下布置4排，中间布置2排，共10排。

桩基施工钢平台，因桩基的分布和钢护筒的设置，在钢护筒两侧设置贝雷梁，旋挖钻工作最大起拔力为334kN，加上自重1180kN，工作最大荷载为1514kN，考虑1.4安全系数，旋挖钻钢平台设计荷载为2120kN，按12m跨度理论上需设置2×2120/400=10.6排贝雷梁。综合考虑旋挖钻施工荷载、钢平台跨度及施工安全，每侧轮带下布置5排贝雷梁，即5排一组。

本重载型钢栈桥和钢平台均采用连续梁设计，考虑实际施工情况，当旋挖钻行进或作业时，会限制其他车辆或机械在旋挖钻路线的前后活动。旋挖钻履带实际接地长度即荷载作用长度为6.33m，对于12m跨钢栈桥，按简支梁模型进行受力分析;对于6m跨钢平台，则按两等跨连续梁模型进行受力分析。按简化模型分析贝雷梁受力情况，得到最大弯矩、最大剪力和最大挠度分别为493.51kN·m、184.50kN、15.20mm，设计允许值分别为788.2kN·m、245.2kN、30mm，故贝雷梁满足要求。

2.2 桥墩结构形式设计

在常规钢栈桥应用案例中，桥墩多数采用双排桩和单排桩间隔设计，横向设计为3根，桩顶直接设置横梁以承受贝雷梁荷载，这种形式的桥墩应用广泛。本重载型钢栈桥和钢平台由于旋挖钻重量大，在作业状态下未考虑安全系数时最大荷载已达到1514kN，若采用排桩形式，如图1所示，旋挖钻在行进或作业时，与旋挖钻距离近的排桩承担了大部分施工荷载，对于双排桩设计的桥墩可能会出现受力不均、单桩承载大的情況，对地基软弱或打入深度难以保证的钢管桩承载力和稳定性极为不利。

若采用板凳式桥墩，上部荷载通过横梁与桩顶扁担梁分配再传递，使同一桥墩各桩均衡受力，避免单桩承载过大。板凳式桥墩各桩通过桩顶扁担梁、三角撑、剪刀撑及横联形成整体，四桩共同受力，稳定性好，同时也能减少钢管桩用量，如图2所示。

2.3 重载型钢栈桥设计

下部结构：采用板凳式桥墩，用[WTBX]630×10mm螺旋钢管设置，桥墩管桩间距为横桥向405cm，纵桥向300cm。在桥墩上部设置剪刀撑和横撑连接加强管桩整体性，管桩顶部顺桥向设置扁担梁，扁担梁上设置横梁。墩顶联接系采用对口双拼20号槽钢，扁担梁和横梁采用双拼Ⅰ40a工字钢。

上部结构：钢栈桥跨径为12m。纵梁采用10排单层贝雷梁组，贝雷梁间距为（3×45）cm+（3×90）cm+（3×45）cm，贝雷梁间用支撑架联结。将分配梁铺设在贝雷梁上，采用Ⅰ20a工字钢，间距为30cm。桥面板采用10mm厚钢板。重载型钢栈桥结构见下页图3。

2.4 重载型钢平台设计

钢平台根据承台尺寸及后续施工工艺进行布置和分区设计。承台范围内为旋挖钻作业区，设计为重载型钢平台，承台前后为吊装作业区，按常规钢平台设计。

重载型钢平台下部结构与钢栈桥进行同样设计，钢管桩采用[WTBX]529×8mm规格。平台跨径分为6m和4.5m两种，适应于承台桩基分布设计。钢平台长宽尺寸为（45×17）m。在每排桩两侧设置贝雷梁组，每组由5排组成，中间两组各排贝雷梁间距为4×45cm，两侧边组贝雷梁间距为90cm+（3×45）cm，贝雷梁间用支撑架联结。分配梁设置在贝雷梁上，采用Ⅰ20a工字钢，间距为30cm。桥面板采用10mm厚钢板。重载型钢平台结构见图4。

2.5 重载型钢栈桥和钢平台Midas模型验算

在重载型钢栈桥和钢平台Midas模型中的贝雷梁采用16Mn钢，其他钢材采用Q235钢。建立Midas模型如图5和图6所示。

设计考虑118t旋挖钻施工（作业时最大起拔力为33t，最大扭矩为36t·m）、25t汽车吊吊装及40t运输车辆（混凝土罐车或自卸货车）组合荷载，进行强度验算时，考虑旋挖钻作业时的扭矩，将扭矩转换为水平均布荷载q=1.74kN/m施加在履带范围内的贝雷梁上。强度验算的荷载组合为1.2自重+1.4车辆荷载+1.0水平荷载，刚度及稳定性验算的荷载组合为1.0自重+1.0车辆荷载+1.0水平荷载。

对结构受力共分四种工况进行验算。对钢栈桥，工况一为运输车及混凝土车等车辆通过栈桥时结构的安全性;工况二为旋挖钻通过栈桥时结构的安全性。对钢平台，工况一为旋挖钻在边排桩基作业区作业时结构的安全性;工况二为旋挖钻在中排桩基作业区作业时结构的安全性。

对模型进行加载分析，综合四种工况最不利情形，得到运算结果为：16Mn钢结构组合最大应力[WTBX]σmax=300.1MPa

通过计算结果可以看到，重型载钢栈桥和钢平台结构在强度、刚度及稳定性方面均能满足规范及施工要求。

3 结语

（1）通过优化桥墩结构形式，变传统的双排式桩为板凳式桩，并通过设置横梁和加扁担梁将上部荷载进行再分配，有利于钢管桩均衡承载，提高承载能力，以防单桩承载过大，造成不均衡沉降，形成不利的受力状态。

（2）根据旋挖钻轨距大小确定合理的贝雷梁布置间距，结合现场情况选择最优跨度，充分发挥贝雷梁性能，使结构安全经济，满足现场施工要求。

参考文献：

[1]黄绍金.装配式公路钢桥多用途手册[M].北京：人民交通出版社，2001.