鋼棧橋設計優化與成本控制

鐘德明 張煜梓

(1.浙江宏達建設集團有限公司，浙江 諸暨 311800； 2.日照旭豐建設工程有限公司，山東 日照 276800)

隨著我國經濟的發展，我國新建或改建的橋梁很多，其中大部分橋梁是跨河或跨軟土地基而設計。在橋梁下部結構施工時，需要大型機械和大量材料到指定的施工部位，當環境條件不滿足通行要求時，鋼棧橋就成為了一種主要的施工道路形式。鋼棧橋作為一種大臨設施，雖然是階段性使用的橋梁，但必須滿足施工要求，包括功能要求、安全要求和經濟性。如何在滿足鋼棧橋的功能性和安全性的前提下，盡量節省成本、提高經濟性關鍵在于鋼棧橋的設計。因此如何通過優化設計來降低鋼棧橋成本是值得思考和研究的問題。

1 鋼棧橋設計要點

1.1 鋼棧橋的結構設計

鋼棧橋結構形式主要包括上承式和下承式，由橋面系、橋跨結構和下部結構及基礎組成。

橋面系包括橋面板、分配梁和護欄等。橋面板直接承受車輛荷載，一般面板采用壓花鋼板，也有采用滿鋪槽鋼的方式；相比而言，鋼板整體性比滿鋪槽鋼要好，可以避免車輛沖擊荷載作用的跳動或變形。分配梁通常采用型鋼且大多采用工字鋼，上承式鋼棧橋一般只設置橫向分配梁即可；下承式鋼棧橋由于縱梁間距較大，通常在橫向分配梁上再設置縱向分配梁。橋面板與分配梁之間可采用U型螺栓連接成整體，也可以焊接成整體。

橋跨結構是鋼棧橋主要承載構件，也是鋼棧橋設計的重點內容?？鐝酱笮?、結構形式、縱梁數量、布置方式和材料選擇等是橋跨設計需要考慮的主要內容。目前鋼棧橋橋跨結構通常采用貝雷片，當跨徑很小時也可以采用型鋼。貝雷片之間通常采用連接框將其連接成整體，增加穩定性。

下部結構是指基礎與橋跨之間的結構部分。在鋼棧橋設計中下部結構主要是指下橫梁，用于支撐橋跨結構。當采用樁基礎時，下橫梁一般采用型鋼；當采用鋼筋混凝土擴大基礎時，可不設置下橫梁。

基礎是鋼棧橋設計最關鍵的部分，根據地基地質情況的不同，基礎可以采用鋼管樁、混凝土預制管樁或混凝土擴大基礎等。

1.2 鋼棧橋的設計驗算

鋼棧橋的設計驗算是通過對荷載情況、工況進行分析，計算各構件的應力應變和穩定性的過程。荷載包括恒載、活載和偶然荷載。恒載主要指鋼棧橋自重；活載包括車輛荷載、風荷載、流水作用、人群荷載以及可能出現的雪荷載；偶然荷載包括河道漂浮物或船只的撞擊、地震等。對于偶然荷載，一般在鋼棧橋設計時會考慮采取設置防撞墩等措施，防止漂浮物或船只的撞擊，同時，由于鋼棧橋是臨時設施對于地震作用一般忽略，所以在驗算時一般不考慮偶然荷載。

工況主要是指各種荷載可能出現的組合情況，包括鋼棧橋搭設和鋼棧橋使用時的荷載組合。工況分析主要的目的是找出最不利的荷載組合情況，保證鋼棧橋在最不利情況下的使用安全。

鋼棧橋在荷載作用下會產生彎曲應力和剪切應力，同時會出現一定的變形。材料本身的強度有一定的極限值(即容許應力)，這由材料本身的材質以及截面尺寸確定；材料的剛度決定其在荷載作用下的變形，在同樣的工況下剛度越高變形越小。在鋼棧橋的設計驗算中，主要通過計算在最不利工況作用下所選擇的構件是否滿足應力應變要求。

鋼棧橋穩定性主要是指抗傾覆，在荷載偏心作用及流水作用下的側向推力可能導致棧橋側翻或倒塌。主要通過計算豎向恒載和橫向力所產生彎矩之間的平衡來驗算其抗傾覆系數，當系數大于1時可以滿足要求。

2 鋼棧橋的成本構成

鋼棧橋的成本主要包括材料費、機械費和人工費以及輔助施工費幾部分。材料費在幾項費用中占比最大，達70%以上。鋼棧橋所用材料以鋼材為主，其他材料為輔，所以鋼棧橋用鋼量是決定成本的關鍵因素。機械費主要指吊車臺班費、挖機臺班費、自卸汽車臺班費等。在鋼棧橋施工過程中，大部分構件的安裝需要使用吊車，所以在機械費中占比最大。人工費包括管理人員工資和勞務人員工資等。輔助施工費包括電費、安全防護費用和施工期間人員伙食費等。

3 設計優化與成本關系

在鋼棧橋的成本中有許多可以通過設計的優化得到降低，特別是用鋼量更是由設計的深化程度決定。設計優化是指通過對橋跨布置、結構類型、材料選擇方面進行對比分析，在保證結構滿足安全性和功能性的前提下做到經濟合理。用鋼量作為鋼棧橋的主要成本，如何降低用鋼量是設計優化的重要內容之一。鋼棧橋作為大臨設施，其清單價格一般按照平方或者延米進行計算，而按照延米計算時一般會注明寬度，其實質還是按照平方進行計價。因此，在同樣面積下降低用鋼量是降低成本的主要途徑。

用鋼量的優化主要通過調整材料型號和間距的手段，在滿足材料應力應變的前提下，選擇最合適的型號和間距來達到最低用鋼量的目的。荷載工況是選擇材料型號和間距的決定條件，荷載越大、工況越不利所需材料型號越大、間距越小才能滿足應力應變要求。因此首先要對荷載工況進行認真的分析研究，確定最不利工況下的荷載情況。通過對荷載可能出現的不同組合情況進行分析，既可以保證結構安全也可以避免盲目疊加荷載情況造成計算荷載大于實際荷載而導致用鋼量的增加。其次，安全系數也是決定用鋼量的重要因素，當安全系數偏小時無法保證在特殊情況下的結構安全，而安全系數過大又會造成材料的浪費和成本增加。因此在設計優化時，應選擇合理的安全系數，盡量使應力應變數值接近于容許值，避免富余量過大。

在荷載工況和安全系數確定之后，橋面板的厚度由分配梁的間距來決定，分配梁的型號由自身間距和貝雷片的間距決定。分配梁間距越加大，橋面板的厚度需要增加，相應的分配梁的型號也要加大。在橋面板和分配梁總重量之和與分配梁間距之間的最佳平衡點是控制橋面系用鋼量的關鍵所在。貝雷片型號包括普通型和加強型，加強型貝雷片是在普通貝雷片增加加強弦桿。相比之下加強型貝雷片與普通貝雷片增加的用鋼量不到1/2，但容許彎矩、抗彎截面模量、慣性矩和抗彎剛度都增加了一倍。所以在設計縱梁時，加強型貝雷片比普通貝雷片要好。貝雷片作為橋跨承重構件，在縱向長度確定后其用量主要由其間距決定，同時其間距布置也影響到分配梁的布置，而其跨徑布置直接決定鋼管樁的數量。因此，在縱梁設計時不僅要對材料進行設計優化，也需要對其跨徑和間距進行優化。

基礎承受所有上部荷載，單墩最大荷載量主要受棧橋跨徑影響，跨徑越大，在同樣的荷載工況下其所需承載力也越大。當單墩最大荷載量確定后，需要根據地質情況來設計基礎形式，對于持力層埋深較大且上部存在較好地層時采用混凝土擴大基礎比鋼管樁基礎成本低。但對于水中基礎或軟弱地層較厚時，采用鋼管樁基礎則比較經濟。鋼管樁的用量在荷載確定后，可以結合地層特性通過對其壁厚、間距、直徑等進行優化。直徑越大其單位長度的摩阻力也越大，相應單根樁承載力也越大；壁厚越厚，其剛度越大，抗彎能力越強，相應用鋼量也增加。對于采用鋼管樁基礎的鋼棧橋，鋼管樁用鋼量在總用鋼量中所占比重較大，因此基礎的優化有助于降低成本。

4 工程案例

4.1 工程概況

03省道東復線諸暨江藻至王家井段工程浦陽江二橋為跨浦陽江新建的大橋。為貫穿施工道路，便于橋梁下部結構施工，需搭設棧橋。棧橋總長141 m，橋面凈寬4.0 m，采用下承式鋼棧橋形式。

設計荷載為：自重+60 t車輛荷載；自重+25 t汽車吊機施工荷載?？赡墚a生的工況如表1所示。

表1 鋼棧橋的工況表

浦陽江河床土的力學性能如表2所示。

表2 河床土的力學性能

4.2 設計優化對比

本次鋼棧橋的主要優化內容包括橋面板、分配梁、縱梁以及基礎等。橋面板小楞采用Ⅰ16a間距0.3 m，相應面板需采用12 mm厚鋼板，優化后采用Ⅰ14a間距0.2 m，相應面板需采用8 mm厚鋼板。通過優化采用Ⅰ16a工字鋼時最大彎曲應力為156 MPa<1.3[σ]=188.5 MPa,采用Ⅰ14a時工字鋼最大彎曲應力為116 MPa<[σ]=145 MPa，面板和小楞合計節約鋼材8.2 t。分配梁原設計采用Ⅰ25a間距0.6 m，優化后采用Ⅰ28a間距0.75 m，相應最大彎曲應力由98.6 MPa變為83.3 MPa，節約鋼材4.6 t，安全系數更高。縱梁由原設計單側3片普通貝雷片改為單側2片貝雷片，其性能提高1.3倍，節約鋼材12.7 t。鋼管樁基礎由單墩2根φ630×10 mm優化為單墩3根φ500×8 mm，樁長由21 m調整至18 m，節約鋼材15.4 t。橋臺由鋼管樁改為擴大基礎，增加混凝土82 m3，減少鋼管樁5.3 t。故本次優化共計節約鋼材46.2 t，增加混凝土82 m3，節約費用約20萬元。

5 結論

鋼棧橋作為施工過程中的常用臨時設施，造價比較高，成本大。鋼棧橋的設計主要由荷載工況以及材料選擇和間距布置來決定。通過設計的優化可以達到降低用鋼量從而降低成本的目的。文章結合03省道東復線諸暨江澡至王家井段工程浦陽江二橋鋼棧橋的設計優化，實際節約鋼材約46.2 t，降低成本約20萬元。通過鋼棧橋的設計優化不僅使結構受力更為合理，安全性更高，而且降低了成本。因此，鋼棧橋的設計優化對于鋼棧橋成本控制有著至關重要的作用。