孟中友谊八桥长大钢便桥方案研究及经济比选

李梦洁LI Meng-jie

（中铁十七局集团第一工程有限公司，太原030032）

0 引言

为将材料、机具及人员快速、安全地运达桥梁中水墩的施工处，需修建能够安全通行重载车辆的钢便桥。便桥修筑处往往水文地质条件复杂、外部环境差，且施工对便桥的重载车辆通行能力要求高。便桥设计时需全面考虑地质因素、海洋因素、气候因素及经济成本的影响，故对便桥方案设计要求高，安全保证压力大。本文依托受潮汐影响、台风频繁、海水腐蚀、地基条件差的河流入海口处钢便桥方案设计，详细阐述了不同类型钢便桥的经济比选及方案确定过程，钢便桥结构参数设计、承载验算及钢管柱支墩入土深度的计算。以期为此类复杂条件下钢便桥的方案比选及设计提供参考。

1 项目概况

孟中友谊八桥工程位于孟加拉国南部巴里萨尔大区布罗杰布尔市（Pirojpur）以东约5 公里处，主桥采用（72+7×122+72）m 刚构连续梁在柏克提亚（Bekutia）跨越库察河（Kocha）。桥址处水位较深，且受潮汐影响，水体中盐份较高。地质条件主要以淤泥、淤泥质粉质黏土、粉砂、细砂层组成，地质条件较差。为了进行水中墩的施工，需修建长达750m 的钢便桥，钢便桥需通行的最大荷载车辆为9m3的混凝土搅拌运输车，且当地多台风，钢便桥需具备防台风能力。由于修建钢便桥的型钢、钢构件等在孟加拉国非常缺乏，故修筑钢便桥的材料从国内进口为主。由于钢便桥长达750m，需要的材料投入大，造价占比高，故本项目不仅要设计能够通行重载汽车，还需在可行方案进行经济比选，以达到降低造价的目的。

2 钢便桥方案与经济比选

经多次比选及评估，便桥采用螺旋钢管柱作支墩。经可行性研究，初拟了型钢、六四军用梁、贝雷桁架等3 种梁跨结构进一步进行技术及经济方面的比选，如表1 所示。

表1 便桥不同类型梁跨技术及经济比选表

从表1 可看出，3 种不同梁跨材料从技术方面均能满足施工使用要求。但因为贝雷桁架承载能力为最强[1]，故需设置的钢管柱支墩最少，且贝雷桁架结构紧凑，堆放时占用空间少。且相对其它两种梁跨而言，钢管柱、梁跨材料的使用数量，施工工程量及运输成本均要低，总费用最为节约。故选用贝雷桁架作梁跨的钢便桥方案。

3 钢栈桥布置方案

便桥布置在桥位左侧，与桥梁中轴线平行。便桥与桥梁中-中距离为15m，钢栈桥共设置2 段；西岸浅滩处主桥2#墩至6#墩段长度501m；东岸岸边至主桥7#墩段长度252m，钢栈桥均8m 宽。

钢栈桥典型纵断面设计详见图1。钢栈桥结构设计（单、双排墩）详见图2、图3。

图1 钢栈桥典型纵断面设计图

图2 钢栈桥单排墩横断面设计图

图3 钢栈桥双排墩横断面设计图

钢便桥采用钢管柱作支墩，加强型贝雷桁架作桥跨的形式。钢便桥方案设计过程中，对结构承载能力、经济性及技术可行性等反复进行了验算和评估，经多次优化后的钢便桥方案如下：

①因为钢便桥较长，且不便于设置错车台，故钢便桥桥面净宽设为8m，为2 车道通行，以确保能够供2 辆施工车辆相向通行。便桥通行最大重载车辆为国内某品牌9m3砼搅拌运输车，满载后荷载总量为400kN，根据上述荷载总量及分布情况进行桥梁结构的设计。②考虑涨潮时的高水位及影响安全使用的其它因素，钢桥面标高为+4.61，超最高水位2.23m，钢便桥按12m 标准跨度进行设计。支墩采用φ720×10mm 螺旋钢管，支墩分单排及双排2种，单排桩为3 根间距3.3m 的螺旋钢管。双排墩为抵抗车辆急刹车等各种水平冲击荷截而设[2]，每间距2 个单排墩设置1处。双排墩每排设置4 根间距为2.2m 的螺旋钢管，排距为3.0m。支墩顶部设置φ273×6mm 螺旋钢管剪刀撑，以加强支墩的整体安全性。③支墩上摆放2I40a 承重梁。支墩顶部开有放置承重梁工字钢的槽口，以避免承重梁移位，承重梁两侧设置钢板斜撑，以确保承重梁稳定不倾倒。便桥纵梁采用4 组8 片单层加强型贝雷桁架，组间贝雷桁架片间的间距为1.35m，组与组的间距为1.8m。承重梁上焊有槽钢[10 对贝雷桁架进行限位，同时设置U 形螺栓将贝雷桁架弦杆与承重梁、其上部的I16 横向分配梁联结牢固，以确保不被台风所破坏。④贝雷纵梁上摆放I16 横向分配梁，间距为0.3m。分配梁限位角钢（L70×5）与钢板焊接固定于上弦杆螺栓孔处，角钢与分配梁焊接固定。桥面板为δ10mm 花纹钢板，桥面钢板与分配梁点焊固定。⑤钢便桥两侧高度为1.0m 的防护栏杆，护栏立柱为I10，按2.0m 间距设置。护栏设3 道φ48×3mm 钢管横杆。护栏立柱及横杆涂红白相间的警示标识。

4 钢便桥结构承载检算

4.1 汽车荷载取值

钢便桥通行的最重车辆荷载为9m3砼运输车，经实测，满载时重量总荷载为400kN，该车辆的荷载分布如图4 所示。

图4 9m3 砼运输车荷载分布图

承载计算时，对车辆荷载考虑1.2 的冲击系数，以及1.15 的偏载系数。

4.2 分配梁承载检算

分配梁为I16 工字钢，布设间距为30cm，I16 工字钢材料特性如表2 所示。

表2 I16 工字钢材料特性表

将工字钢分配梁简化成跨度为1.8m 的简支梁，当砼搅拌运输车后轴单侧车轮作用在跨中时，为分配梁的最不利承载工况。由于后轴单侧两个车轮与面接触宽度约0.5m，考虑由4 根分配梁共同承载荷载（80kN）。则单根分配梁承受的跨中集中荷载为=80×1.2×1.15/4=22.08kN。作用于分配梁的桥面系及自重按均布线性荷载考虑，计算得0.45kN/m。则有：

4.3 贝雷桁架纵梁承载检算

12m 跨的纵梁按简支梁进行承载验算，砼搅拌车荷载按由2 排贝雷桁架共同承载，查《装配式公路钢桥多用途使用手册》可知，加强型双排单层贝雷桁架允许承受的最大弯矩[M]为3375.0kN·m，最大剪力[Q]为490.5kN。

把砼搅拌运输车的全部荷载视作一个集中荷载（1.2×1.15×400=552kN），该方法的计算结果偏大，但趋于安全。纵梁自重及上部桥面系（仅计算半幅）按均布线性荷载考虑，计算得q=11.7kN/m。则有：Mmax=ql2/8+Pl/4=11.7×122/8+552×12/4=1866.6kN·m＜[M]=4809.4kN·m；Qmax=P/2+ql/2=552/2+11.7×12/2=364.2kN＜[Q]=490.5kN。

4.4 承重梁承载检算

承重梁采用2I40a 工字钢。主要承受贝雷桁架片传递的集中力，根据实际承载情况，采用清华大学的“结构力学计算器”进行计算，得：σmax=26.5MPa＜[σ]=180MPa；fmax=1.3mm＜3300/400=8.25mm。

4.5 钢管承载检计算

便桥钢管柱外径为720mm，管壁厚度10mm，最大自由长度为8.9m。为了简化计算，将9 立方的砼搅拌运输车整体作为一个集中荷载。钢管柱支墩的最不利工况为左右幅车道均有车辆通行，且车辆荷载同时作用于一处单排墩的墩顶时。车辆荷载考虑1.2 的冲击系数和1.15 的偏载系数[3]，作用于该支墩的桥面系、贝雷纵梁、钢管柱自重等经计算为458.6kN。侧单根支钢管柱承受的轴向受压荷载为N=（1.2×1.15×2×400+458.6）/3=520.9kN。由于海水对钢管柱具有较强的腐蚀作用，在施工后期，钢管有效断面将变小。按钢便桥使用期为2 年，钢管内外壁年腐蚀速度按0.6mm/年计，则在钢便桥使用的后期，钢管柱外径为717.6mm，内径为702.4mm。

钢管柱承载断面大小为A=π（717.62-702.42）/4=16.8×103mm2；Iz=π（717.64-702.44）/64=1067.8×106mm4；iz=（Iz/A）1/2=252.1mm；最大自由长度L=8.9m，μ 取1，则长细比：λ=1×8900/252.1=35.3；稳定折减系数查表得：φ=0.917；N/φA=（520.9）/（0.917×16.8×103）=33.8MPa＜[σ]=181MPa。由上述检算结果可得，便桥各结构受力检算满足要求。

5 支墩钢管柱入土深度计算

钢便桥桥址处地质条件主要以淤泥、淤泥质粉质黏土、粉砂、细砂层组成。为了确保桩基具有足够的承载能力，对每处支墩的地质情况进行勘察，并按《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG3363-2019）中沉桩的承载力容许值计算公式进行沉桩深度的反算。沉桩的承载力容许值计算公式[4]如下：

本项目中，（1）式的Ra 值为上述计算单桩最大承载力（487.5kN），将各桩址处的地质数据代入（1）式，经多次试算，则可得出钢管柱的最少入土深度。

6 结束语

本项目在复杂及困难条件下，通过经济比选确定便桥类型，并精心设计钢便桥方案，严格监控钢便桥施工质量。不仅使钢便桥能够安全、可靠地满足施工需要，且在成本上比原施工预算节约523 万元，取得了良好的技术效果及经济效益。本项目钢管柱支墩是按最不利工况进行桩径及壁厚选用。但本项目钢便桥较长，承载工况变化较大。拟在以后类似情况下的钢便桥设计时，承载条件较好的支墩可在确保结构承载安全的前提下选用小桩径及小壁厚的钢管柱，可以进一步达到降低成本，促进公司的可持续发展的目的。