梁 雪

(中鐵十六局集團第三工程有限公司，浙江 湖州 313000)

0 前 言

近年來，我國經(jīng)濟發(fā)展迅速，新建或者改建橋梁顯著增多，絕大多數(shù)橋梁為跨河或者跨軟土地基而設計。在開展橋梁下部結構施工中，往往需在指定施工部位使用大型機械以及大量的材料，若通行條件無法滿足相關要求，此時可利用鋼棧橋。作為一種大型臨時設施，鋼棧橋僅僅用于階段性使用，但是仍然需要保證其功能、安全等滿足相關要求。在確保鋼棧橋功能性以及安全性的基礎之上，如何盡可能地優(yōu)化并控制成本，提升經(jīng)濟效益，是值得思考以及研究的問題。

1 鋼棧橋設計

1.1 鋼棧橋構造設計

鋼棧橋結構形式涉及上承式以及下承式兩種，其主要包括橋面結構、橋跨結構、下部結構以及基礎。

1.1.1 結構選型

當前，國內的鋼棧橋結構形式主要包括鋼桁架棧橋以及鋼網(wǎng)架棧橋兩種，相比較而言，鋼桁架棧橋應用范圍更為廣闊。若要求棧橋下部具備寬闊的空間，同時其需要跨越較多的建筑物，棧橋與地面間的高度需超過8 m，則非常適宜鋼棧橋。棧橋跨度多集中于15～40 m，無論是低于15 m還是超過40 m，所建設鋼桁架棧橋均較不經(jīng)濟。尤其是超過40 m的鋼棧橋，在風荷載的作用下，極容易發(fā)生較大位移，若加大桁架剛度、減少位移，鋼棧橋經(jīng)濟性將受到較大影響。

1.1.2 橋面結構

橋面結構一般包括橋面板、分配梁以及護欄等。橋面板主要用于承受車輛荷載，在其結構設計中，需注意減少自重，通常可采用厚度為5 mm的花紋鋼板，亦可采取滿鋪槽鋼方式。實際上，鋼板整體性要優(yōu)于滿鋪槽鋼，鋼板整體性的應用可避免因車輛沖擊荷載而引發(fā)變形或者跳動。分配梁一般采取型鋼，絕大多數(shù)采取工字鋼。對于上承式鋼架橋，通常僅設置橫向分配梁；而對于下承式鋼棧橋，因縱梁間距離過大，需在橫向分配梁基礎之上設置縱向分配梁。利用U型螺栓將橋面板以及分配梁連接為整體，亦可將其焊接為整體。若棧橋坡度較大，大于12°，為確保操作人員便利通行，可分別在其兩側做踏步。在墻面以及屋面，可選擇輕鋼檁條加夾芯板，需注意保溫層厚度應超過50 mm，為保證冬季棧橋內溫度超過了5℃，需在棧橋底部做好相關外保溫工作。另外，還需對鋼桁架以及其他承重構件做好防火涂料的涂刷以及處理工作，嚴格遵循鋼結構防火涂料規(guī)定選擇適宜的防火涂料，同時需注意確定適宜的土層厚度。

1.1.3 支 架

對于鋼棧橋，橋跨結構是其主要承載構件，同時是鋼棧橋設計中的一項重點內容。在橋跨設計中，其結構形式、材料選擇、跨徑大小、布置方式、縱梁數(shù)量均是需要重點考察的內容。當前，鋼棧橋橋跨結構一般采用的是貝雷片，若跨徑較小，亦可采用型鋼。采用連接框將貝雷片連接為整體，可有效提升鋼棧橋的穩(wěn)定性。

若棧橋過長，需設置多跨，此時需設置鋼支架以支撐中間跨。鋼支架包括平面支架以及空間支架兩種。平面支架主要設計2根鋼柱，需注意在2根鋼柱間分別設置水平支撐以及斜支撐，此時即可形成一榀豎起來的桁架，需注意柱距與棧橋寬度相同，此時棧橋桁架立柱正好利于柱頂上，若支架高度過高或者棧橋寬度過窄，可將底部柱距適當放寬，維持兩柱間距呈上寬下窄，亦可直接設置空間支架。為防止棧橋側向出現(xiàn)過大變形，或者在棧橋中間部位存在拉緊裝置，需設置空間支架。空間支架一般指由4個或者超過4個的鋼柱組成鋼框架支架，在風載以及水平力作用下空間支架仍然具備良好的穩(wěn)定性。棧橋支架柱通常為H型鋼、鋼管，亦可采用組合截面。在對鋼棧橋支架基礎進行深埋時，需確保其滿足相關洞深要求，注意其不得過淺，同時需注意做好柱下筏板基礎以及獨立基礎工作。

1.1.4 下部結構

下部結構一般指基礎以及橋跨間的結構部分。在設計鋼棧橋時，下部結構一般指其下橫梁，其主要作用為支撐橋跨結構。若鋼棧橋采用的是樁基礎，其下橫梁材料通常為型鋼；若采取鋼筋混凝土擴大基礎，無需設置下橫梁。

1.1.5 基 礎

在鋼棧橋設計中，基礎是最為關鍵的一個部分，可結合當?shù)氐鼗约暗刭|情況，選擇適宜的基礎，通常基礎主要包括鋼管樁技術、混凝土預制管樁技術、混凝土擴大基礎等。

1.1.6 棧橋內排水

需對鋼棧橋做好相關排水溝，在支架處通過外排水管路以排出所收集水分。鋼棧橋在使用過程中會涉及部分水分，在冬季常引發(fā)排水補償問題，導致棧橋內部結冰，此時橋體自重將顯著增大，同時鋼結構構件將面臨腐蝕[1]。在為鋼棧橋設置安全出口時，需結合施工現(xiàn)場實際情況規(guī)范進行，通常每75 m需設置一個安全出口，除棧橋過長，可在各支架部位設置安全出口。

1.2 鋼棧橋設計驗算

鋼棧橋設計驗算即通過分析荷載情況以及工況，從而對各個構件具體應力應變以及穩(wěn)定性進行計算的過程。荷載主要涉及恒載、活載以及偶然荷載。恒載即鋼棧橋自重；活載即鋼棧橋上的車輛荷載、人群荷載、風力荷載、雨雪荷載以及流水作用；偶然荷載一般是指鋼棧橋受到的船只或者河道漂浮物所造成的地震以及撞擊等。針對各種偶然荷載，在設計鋼棧橋時，需對防撞墩等相關措施的設置加強重視，以避免船只或者漂浮物撞擊，與此同時因鋼棧橋僅為臨時設施，一般會忽略其地震作用，因而在具體驗算中可不考慮偶然荷載。

工況通常指各種荷載的全部可能情況，主要包括鋼棧橋搭設以及使用中的荷載組合。工況分析的最終目的即探尋最不利的荷載組合情況，以確保在最不利的情況下鋼棧橋仍然能夠得到安全使用。

在荷載作用下，鋼棧橋常會產(chǎn)生彎曲應力以及剪切應力，同時極有可能出現(xiàn)各種變形。材料自身的強度具備一定的極限值，又被稱為容許應力，這一極限值一般由截面尺寸以及所采取材料自身材質所確定；在荷載作用下，材料剛度直接決定著其變形情況，在同一工況內，材料剛度越高，其可能發(fā)生的變形越小。在設計以及驗算鋼棧橋時，主要是計算最不利工況作用下，所采用的構件能否滿足相關應力以及應變要求。

鋼棧橋的穩(wěn)定性通常是指其抗傾覆性能，即在荷載偏心作用、流水作用各種側向推力下，鋼棧橋可能面臨側翻或者倒塌現(xiàn)象。其具體計算措施為，對豎向恒載以及橫向力所產(chǎn)生彎矩間的平衡來對鋼棧橋抗傾覆系數(shù)進行驗算，若抗傾覆系數(shù)超過1，鋼棧橋即可滿足相關要求。

1.3 鋼棧橋施工設計

1.3.1 棧橋、鉆孔平臺施工

1)施工準備。在鋼棧橋施工中，需充分考慮當?shù)氐乩硖攸c、氣候條件以及水文特征等，同時做好相關工程全過程管理工作。以施工計劃工期為基礎，合理安排作業(yè)面，特別需安排好相關施工人員、材料以及設備的進場工作，保證鋼棧橋建設工作有計劃開展[2]。

2)測量平臺搭設以及放線。要想保證鋼棧橋準確定位，在施工前，需要沿著棧橋軸線兩側方向每間隔500 m搭設1個測量平臺，測量平臺以及棧橋間的垂直距離需達到300 m。由于鋼棧橋長度較長，同時其絕大部分位于海水當中，因而在測量平臺設計中，需保證棧橋面標高以及平臺面標高相符，一般為正方形，其邊長為4.5 m。在測量平臺基礎內，一般采用Φ820螺旋管，同時在管樁基礎間設置剪力撐，鋼管樁基礎的入土深度需達到12 m，接著對其固定焊接，在平臺周圍采用Φ50鋼管焊接護欄。在測量平臺施工中，可利用GPS對平臺上某一頂點坐標以及高程測定，采用全站儀測量平臺上全部的測量定位作業(yè)。待平臺測量結束后，需結合設計圖紙對管樁技術的實際位置精確定位，采取定位船以實現(xiàn)定位。在起吊前，需對桁架試吊，確保桁架起吊位置與地面間的高度差達到200～300 mm，同時檢查鋼絲繩受力情況，對其下沉情況仔細觀察，若無任何問題，即可正式起吊。采取吊車將成型連接平臺以及鋼桁架轉移至長臂挖掘機整平路線上適宜位置，將其依次吊裝至鋪裝路線上，同時對鋼絎架底部加固，做好鋼板焊接工作[3]。

3)棧橋橋臺施工。在棧橋橋臺位置，一般采取填土筑島方式施工，將管樁基礎雙排中心間距控制為1.5 m，同時在樁頂鋪設工字鋼承壓，橫向分配梁亦選用工字鋼。在棧橋橋臺以及便道連接部位設置填土過渡段，在其兩側設置拋石護坡，在端部因一側管樁外側擋土鋪位鋪襯兩層荊芭，在橋臺外側填土直至橋面標高位置。

1.3.2 上部結構施工

1)外觀檢查及坡口打磨。在焊縫坡口部位打磨時，需仔細檢查管樁本身及管口焊縫坡口質量情況，確保打磨后坡口外表具備金屬光澤[4]。若對坡口進行切割修正，需對其氧化皮直接清除，采取打磨平整的方式達到焊接目的。

2)焊縫表面質量。焊縫表面高度通常為1～3 mm，同時其寬度一般為23～30 mm。待焊接結束后，需徹底清除焊縫表面存在的焊渣以及各種金屬飛濺物，仔細檢查焊縫表面的外觀質量，避免焊接部位出現(xiàn)咬邊、裂紋、弧坑等問題。對成品直線控制時，應當采取經(jīng)緯儀以及水準儀對胎架安裝，確保其全長度范圍高于30 mm。

綜上所述，在設計鋼棧橋時，需充分考慮當?shù)厮牡乩砬闆r，對鋼棧橋搭設方案以及施工方法合理設計，以提升鋼棧橋設計的合理性，保障其穩(wěn)定性。基于此，相關工作人員必須熟練掌握鋼棧橋具體施工方法。鋼棧橋工程施工量較大，在具體施工中需嚴格遵循各項安全技術操作規(guī)程，同時落實好各項特殊安全防護措施，以保障鋼棧橋施工安全管理工作質量。

2 鋼棧橋成本構成

在鋼棧橋施工中，其成本主要包括人工費用、機械費、材料費用以及輔助施工費用等。人工費用主要包括勞務人員工資以及管理人員工資等。機械費用一般指各種施工機械所需消耗費用，通常包括吊車臺班費用、自卸汽車臺班費用以及挖機臺班費用等。鋼棧橋使用中，絕大多數(shù)構件需要采取吊車安裝，因而吊車臺班費用在機械費用中所占比例最大[5]。材料費用在鋼棧橋成本中所占比例最大，甚至超過了70%。鋼棧橋所使用的材料主要為鋼材以及適量的其他材料，因而鋼棧橋用鋼量直接決定著其最終成本。輔助施工費用一般設計安全防護費用、電費、在施工過程中人員伙食費用等。

3 設計優(yōu)化以及成本關系

在鋼棧橋成本內，相當一部分成本可通過設計優(yōu)化以降低，尤其是用鋼量，其直接由設計深化程度而決定。設計優(yōu)化即對比并分析鋼棧橋材料選擇、結構類型以及橋跨布置等，確保鋼棧橋具備足夠的安全性，保證其功能性滿足相關需求，在此基礎之上以做到經(jīng)濟合理。在鋼棧橋施工中，用鋼量是主要成本，因而降低用鋼量是當前鋼棧橋設計優(yōu)化的一項重要內容。鋼棧橋是一項大型臨時設施，通常按照平方或者延米的方式以計算其清單價格，若按照延米計算，通常會將其寬度注明，其本質上仍然是按照平方計價格[6]。基于此，在相同面積下，將用鋼量降低是最為有效的一種降低成本的途徑。

在優(yōu)化用鋼量時，主要采取的方式是調整材料型號以及間距，在保證材料應力應變滿足相關要求的基礎之上，選擇最為適宜的材料型號以及間距，以盡可能減少用鋼量。荷載工況直接決定著材料型號以及間距的選擇，工況越不利、荷載越大，需選擇越大的材料型號以及越小的間距，以保證應力應變要求得到滿足。基于此，首先需要深入地分析、研究荷載工況，以明確在最不利工況下鋼棧橋實際荷載情況。分析荷載可能出現(xiàn)的不同組合實際情況，在確保結構具備足夠安全性的同時，避免因盲目疊加荷載而導致所計算荷載量超過實際荷載，否則極容易導致用鋼量的增加。另外，安全系數(shù)也直接決定著鋼棧橋的用鋼量，若安全系數(shù)較小，很難保證在特殊情況下結構仍然具備較強的安全性，若安全系數(shù)過大，極容易引發(fā)材料浪費，導致成本的增加[7]。因此，在設計優(yōu)化過程中，需選擇適宜的安全系數(shù)，盡可能把總額和應力應變數(shù)值與容許值保持相近，以防出現(xiàn)富余量過大問題。

待確定荷載工況以及相關安全系數(shù)后，應當通過分配梁間的間距以確定橋面板的厚度，以自身間距以及貝雷片間距確定分配梁的型號。隨著分配梁間距的不斷增加，需適當增加橋面板的厚度，同時加大分配梁的型號。在橋面板用鋼量控制中，橋面板以及分配梁總重量之和及分配梁間的間距最佳平衡點是關鍵因素。當前，貝雷片可以劃分為普通型以及加強型兩種，加強型就是在普通貝雷片基礎之上增加了加強弦桿。與普通型貝雷片相比，加強型貝雷片用鋼量增加了不到1/2，但是其容許彎矩、抗彎截面模量、慣性矩以及抗彎強度增加量均超過了一倍。基于此，在縱梁設計時，更適宜采取加強型貝雷片。貝雷片是橋跨結構中較為重要的構件，待確定其縱向程度后，通過其間距決定其用量，與此同時間距的布置量也會對分配梁的布置造成直接影響，另外跨徑布置也是鋼管樁數(shù)量的直接影響因素。因此，在設計縱梁時，除了需要設計優(yōu)化材料外，還需優(yōu)化相關跨徑以及間距。

基礎主要用于承受全部的上部荷載，鋼棧橋跨徑的大小會對單墩最大荷載量造成直接影響，在相同荷載工況下，跨徑越大其所需承載力越大。待確定單墩最大荷載后，應結合地質情況做好基礎形式的設計工作，若持力層埋深較大，同時其上部地層較好，此時采用混凝土擴大基礎，所需要的成本低于鋼管樁基礎。但是，如果軟弱底層較厚，或者為水中基礎，更適宜采取鋼管樁基礎，同時其更為經(jīng)濟[8]。待確定荷載后，可結合地層特性優(yōu)化鋼管樁間距、直徑以及壁厚等，進而優(yōu)化鋼管樁的用量。直徑越大，單位長度摩擦力越大，此時單根樁承載力越大；若壁厚越厚，鋼管樁剛度越大，則抗彎能力更強，此時其用鋼量會顯著增加。若鋼棧橋采取鋼管樁基礎，在總用鋼量中，鋼管樁所占比重較大，因此對其優(yōu)化可有效降低成本。

4 結 語

在施工過程中，鋼棧橋作為常見的臨時設施，其造價較高，所需要的成本較大。通過優(yōu)化設計鋼棧橋，不僅使其結構受力更為合理，而且使其安全性顯著提升，成本有所降低。基于此，在鋼棧橋成本控制方面，其設計優(yōu)化意義重大。

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