北海铁山港刚架桥施工栈桥研究

周宝满

(中铁十六局集团路桥工程有限公司，北京密云区新北路29号 101500)

广西北海铁山港1-4号泊位铁路专用线(即北海铁山港进港铁路)是连接玉铁铁路铁山港火车站和铁山港公共码头的进港铁路，铁路等级为Ⅲ级、双线铁路、电力牵引，设计时速60km/h，线路正线全长3.6km，投资总概算62918.85万元。该铁路专用线的桥梁包括464.6m刚架桥结构1座、38m框架结构桥1座。其中，464.6m刚架桥是该项目的关键性工程，桥址于滨海中，且大部分位于弯道上。全桥共5联，每联均为15.7m+20m+20m+20m+15.7m刚架结构，起讫里程为DK0+865.7～DK1+330.3。

该桥桥址所处区域属于亚热带海洋性季风气候区，气候宜人，温暖湿润，四季无寒，夏无酷暑，季节变化不明显，四季常青，雨量充沛。5～9月份为雨季，降水量占全年降水量的70%以上。年平均降水量1636.2mm，年平均蒸发量为1812.3mm。年平均气温22.6℃,极端最高气温37.1℃，最低气温2℃。历年相对湿度为81.6%。常年主导风向为北风，占全年频率21%；夏季主导风向为东南风，占全年频率16%。7～9月份为台风季节，年影响约0～6次，风力一般为5～6级，最大在12级以上；最大风速40m/s，平均风速3.1m/s。该区域灾害性天气相对较多，主要为热带气旋、暴雨、强风、大风、龙卷风、冰雹等。

该桥桥址处水文情况为5年一遇水位3.66m，海底高程-0.2～2.5m左右，涨潮时水深1～5m。

该桥桥址内土层由第四系人工堆积层(Qml)、第四系海相沉积层(Qm)、新近系泻湖相沉积层(N)组成，无不良地质。海水区域的土层基本上就是2层。一是表面淤泥层，厚度为0.3～0.4m，灰色，软塑～流塑状，饱和，含有机质，具腥臭味，土质较均匀，局部混细、粗砂。二是砂层，总厚度约为19～25m，以细砂、中砂为主，局部为砾砂，灰白色、黄色，成分以石英为主，颗粒不均匀，中密状。陆地区域地表土层为素填土，黄色，松散状，为护岸边缘人工填土，厚度为0.5～2.5m，按其成分差异分为粘土、砾砂，其下土层与海水区域相同。

刚架桥的许多桥墩位于滨海中，为了进行海水中桥墩和相应基础的施工，需要在桥梁纵轴线的一侧修筑一座临时栈桥，方便车辆和人员的通行，从而将施工设备、机具、人员、材料等运送到相应位置，这就需要对栈桥进行设计和计算。

1 栈桥方案设计

桥梁施工的主栈桥常采用钢管桩、贝雷梁(或六四军用梁)作为主梁结构。但是该栈桥位于海湾地区，且栈桥长度很大，同时大风、强风较多，虽然贝雷梁、六四军用梁属于桁架结构，便于风在梁体中间穿行，但是由于桁架杆数量较多，迎风面积总和还是较大，相应风阻也较大。经过权衡分析，最终决定采用型钢作为主栈桥的主梁。主栈桥总长468m，设置在刚架桥里程方向的右侧。而对于长度较小、顺桥向的支栈桥则采用贝雷梁作为主梁。[1]

1.1 栈桥布置形式

主栈桥宽度为6m，跨度为2×6m一联的连续梁结构，共39联。主栈桥的构造自下而上依次为基础、横梁、主梁、桥面、护栏，其横断面布置如图1(a)所示。

(1)基础采用单排2根φ478×10mm钢管桩，横向间距5m，采用14a槽钢焊接成横向连接系。钢管桩顶距离河床最大距离为4.5m，水深最大3m[2-3]。

(2)钢管桩上横梁采用双拼的40b型号工字钢，长度6m，横向放置。

(3)主梁采用间距300mm的32b型号工字钢，宽度方向布置20根，两跨一联。主梁和下面的横梁连接如下：每一联主梁的中间横梁位置采用焊接进行固定，两侧的横梁位置不得焊接，只设置横向限位装置，保证这一联主梁纵向可以自由伸缩。

(4)桥面面板采用厚度10mm花纹钢板，与横梁上翼缘板采用焊接进行连接。为了尽量保证主梁的自由变形，焊缝只在钢板的顺桥向两侧设置两道即可。

(5)护栏采用8号槽钢作为立杆，采用直径48mm壁厚3.5mm的钢管作为纵向水平杆件。

支栈桥宽度同样为6m，因其长度较小，每个支栈桥只有一联，其主梁采用贝雷梁(片)。支栈桥的断面构造在横梁以下部分与主栈桥完全相同。横梁的上方一共设置6片贝雷片作为主梁，贝雷片之间用75#角钢通过螺栓连接成一个整体。横梁的上翼缘板表面(贝雷片的两侧)焊接限位装置，防止贝雷片产生横向移位。贝雷片的上方为间距300mm的22b工字钢分配梁，分配梁与贝雷片上弦杆用U型卡扣固定。分配梁上方铺设桥面钢板，焊接栏杆，分配梁与钢板的焊接方式与主栈桥相同。支栈桥的横断面布置如图1(b)所示。

(a)主栈桥(a)Main trestle

(b)支栈桥(b)Branch trestle图1 栈桥横断面图(单位：cm)Fig.1 Trestle cross section (unit: cm)

1.2 栈桥设计荷载

栈桥设计荷载包括栈桥自重和车辆荷载2部分。

对于栈桥的车辆荷载，应根据施工现场使用的车辆情况确定，重载车辆荷载主要有以下2种。

(1)12m3混凝土罐车(搅拌车)。按照车辆参数要求混凝土罐车的总重为250kN(只能装5～6m3混凝土)，但是施工中超载严重，车辆实际都装载12m3的混凝土，车辆载重叠加上车辆自重140kN，其总重为12×23kN+140kN=416kN。栈桥上虽然限速10km/h，但为了安全仍需计算冲击效应，计算时考虑冲击系数1.1。最终，混凝土运输车(混凝土罐车)总荷载按450kN计算。混凝土运输车纵向的3个轴重依次为70kN，190kN，190kN，其纵向轴距为4m，1.4m，横向轴距为1.8m，混凝土运输车荷载如图2所示。

图2 混凝土运输车参数Fig.2 Concrete truck parameters

(2)自重500kN的履带吊车。考虑起吊重200kN，按照总重700kN计算。起吊作业动作缓慢，因此不考虑冲击系数。

1.3 荷载组合

在进行设计计算时采用极限状态法，因此根据以上分析考虑2种荷载组合。荷载组合一为栈桥自重+1.1×混凝土运输车(1.1为冲击系数)，车辆总荷载为450kN。荷载组合二为栈桥自重+履带吊车(含吊重200kN)，履带吊车总荷载为700kN，不计冲击。荷载组合中的自重采用1.2、车辆荷载采用1.4的荷载安全分项系数。

2 栈桥计算

2.1 模型建立

设计计算中采用midas进行整体建模。

2.1.1 主栈桥计算模型

对于主栈桥的计算建立整体模型，在钢管立柱与横梁交界处施加边界条件，建立一联的栈桥计算模型。建模中除桥面板采用板单元外，其余均采用梁单元，模型中一共有5082个节点，2580个梁单元，2400个板单元。主梁和横梁接触位置采用共用节点处理，约束施加在钢管立柱位置，一共6个约束。约束的施加按照宽桥连续梁的支座约束布置，这样的处理方法不仅保证了横梁能够自由伸缩，而且还能保证主梁能够自由伸缩。按照上述处理所建立的模型能够确保纵、横梁的工作状态与实际相一致。[4-5]

32b工字钢主梁与桥面钢板的链接采用一般弹性连接和刚性连接2种。在栈桥中线上的钢板和主梁对应的节点之间采用刚性连接；其他位置的对应节点则采用一般弹性连接，释放弹性连接横桥向线位移，保证钢板横桥向线位移自由，保证钢板的位移与实际相符合。[6-8]最终建立的主栈桥有限元模型如图3(a)所示。

2.1.2 支栈桥模型

支栈桥的荷载按照移动荷载施加。由于板单元采用移动荷载时计算速度太慢，且存在应力集中现象，不能反应结构的实际受力状态，所以有限元模型中不包含桥面钢板，只建立分配梁、贝雷片、横梁的整体模型。建模中均采用梁单元模拟，在钢管立柱与横梁接触位置施加约束，约束的施加和主栈桥一致。模型一共有874个节点，1140个梁单元(包括虚拟纵梁)。

为了保证分配梁、贝雷片和横梁的位移与栈桥的实际工作状态相一致，分配梁和贝雷片上弦杆之间、贝雷片下弦杆与横梁之间对应的节点都采用一般弹性连接，从而方便定义弹性连接的平动和转动刚度，保证横梁、主梁和分配梁应有的平动和转动自由。此外，为了解决移动荷载的加载车道定义问题，在桥跨中线中间建一个虚拟纵梁(采用刚度极小的角钢单元)。最终建立的支栈桥有限元模型如图3(b)所示。

(a)主栈桥(a)Main trestle

(b)支栈桥(b)Branch trestle图3 栈桥有限元模型Fig.3 Finite element model of trestle

2.2 主栈桥加载计算

模型建立完成后就需要进行加载计算。

对于主栈桥的车辆荷载，根据混凝土运输车的轮胎、50型履带吊车的履带与桥面板的接触面积，将车辆压力荷载换算成均布荷载施加在钢板单元上。

(1)混凝土运输车：190kN的后轴重，单轮荷载95kN，轮胎(双轮胎)接触面积0.2m×0.6m，钢板的荷载集度为791kN/m2；一个前轮(单轮胎)荷载350kN，接触面积0.2m×0.3m，荷载集度为583kN/m2。

(2)履带吊车：单侧履带作用面积4.5m×0.6m，两侧履带的中心距2.5m，履带下钢板的荷载集度为130kN/m2。

考虑荷载对结构的抗弯和抗剪的最不利效应，混凝土运输车、履带吊车均采用了作用在跨中和中支座2种方式，同时考虑横向0.5m的偏载，即：工况1为混凝土运输车2个后轮重心作用在跨中、履带吊车的履带重心作用在栈桥跨中；工况2为混凝土运输车2个后轮重心作用在中支点、履带吊车的履带重心作用在中支点。由于篇幅所限以下只给出混凝土运输车2个工况的计算结果截图，如图4、图5所示。计算结果如表1所示。

(a)主梁和横梁组合应力(a)Combined stress of main beam and cross beam

(c)主梁位移(c)Displacement of main beam

(a)主梁和横梁组合应力(a)Combined stress of main beam and cross beam

(c)主梁位移(c)Displacement of main beam

表1 主栈桥计算结果

从表1可以看出，2种重载车辆荷载下，主栈桥结构的组合应力(弯曲应力和轴向应力之和)和剪切应力均满足要求。在刚度方面，主梁的最大位移为14.7mm<6000/400=15mm，横梁的最大位移为10.4mm<5000/400=12.5mm，满足要求(刚度计算不计荷载安全分项系数)。

2.3 支栈桥加载计算

支栈桥均为梁单元，可采用软件直接利用虚拟纵梁进行车道加载，活载的计算工况为混凝土运输车和履带吊车(含吊重)2个移动荷载工况。因篇幅所限，计算结果截图只给出了混凝土运输车荷作为移动荷载加载的计算结果，如图6所示。2种移动荷载(混凝土运输车和履带吊车)作用下的贝雷梁和横梁的计算结果汇总如表2所示。

(a)贝雷梁组合应力(a)Combination stress of Berey beam

(c)贝雷梁位移(c)Displacement of Berey beam

(e)横梁剪应力(e)Shear stress of cross beam

表2 支栈桥计算结果

从表2可以看出，在自重和2种重载车辆荷载作用下，桥的强度和刚度均满足要求。在强度方面：贝雷梁(Q345)的组合应力最大值均小于设计值305MPa，抗剪强度最大值均小于设计值210MPa；横梁(Q235)抗弯强度均小于设计值215MPa，抗剪强度均小于设计值125MPa。在刚度方面，贝雷梁和横梁的最大位移远小于主栈桥的位移值，故刚度肯定满足要求。

3 结论

针对北海铁山港海湾地区风大、强风特多的特点，对海水区域的刚架桥施工栈桥方案进行了设计和计算，确定了主栈桥和支栈桥的详细构造，采用midas软件对栈桥建立了整体的有限元仿真模型。模型准确处理了主梁与横梁、主梁与分配梁的接触，并按照不同工况进行加载计算。计算结果表明，主栈桥和支栈桥的抗弯、抗剪强度均满足要求，主梁和横梁的位移也均满足要求。

目前栈桥已经拆除，在整个施工过程中，栈桥的工作状态良好，保障了桥梁施工过程中人员、车辆安全通行，这对相似地区的施工栈桥的设计和计算具有借鉴意义。