孟中友誼八橋長(zhǎng)大鋼便橋方案研究及經(jīng)濟(jì)比選

李夢(mèng)潔LI Meng-jie

（中鐵十七局集團(tuán)第一工程有限公司，太原030032）

0 引言

為將材料、機(jī)具及人員快速、安全地運(yùn)達(dá)橋梁中水墩的施工處，需修建能夠安全通行重載車(chē)輛的鋼便橋。便橋修筑處往往水文地質(zhì)條件復(fù)雜、外部環(huán)境差，且施工對(duì)便橋的重載車(chē)輛通行能力要求高。便橋設(shè)計(jì)時(shí)需全面考慮地質(zhì)因素、海洋因素、氣候因素及經(jīng)濟(jì)成本的影響，故對(duì)便橋方案設(shè)計(jì)要求高，安全保證壓力大。本文依托受潮汐影響、臺(tái)風(fēng)頻繁、海水腐蝕、地基條件差的河流入海口處鋼便橋方案設(shè)計(jì)，詳細(xì)闡述了不同類(lèi)型鋼便橋的經(jīng)濟(jì)比選及方案確定過(guò)程，鋼便橋結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)、承載驗(yàn)算及鋼管柱支墩入土深度的計(jì)算。以期為此類(lèi)復(fù)雜條件下鋼便橋的方案比選及設(shè)計(jì)提供參考。

1 項(xiàng)目概況

孟中友誼八橋工程位于孟加拉國(guó)南部巴里薩爾大區(qū)布羅杰布爾市（Pirojpur）以東約5 公里處，主橋采用（72+7×122+72）m 剛構(gòu)連續(xù)梁在柏克提亞（Bekutia）跨越庫(kù)察河（Kocha）。橋址處水位較深，且受潮汐影響，水體中鹽份較高。地質(zhì)條件主要以淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)砂層組成，地質(zhì)條件較差。為了進(jìn)行水中墩的施工，需修建長(zhǎng)達(dá)750m 的鋼便橋，鋼便橋需通行的最大荷載車(chē)輛為9m3的混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)，且當(dāng)?shù)囟嗯_(tái)風(fēng)，鋼便橋需具備防臺(tái)風(fēng)能力。由于修建鋼便橋的型鋼、鋼構(gòu)件等在孟加拉國(guó)非常缺乏，故修筑鋼便橋的材料從國(guó)內(nèi)進(jìn)口為主。由于鋼便橋長(zhǎng)達(dá)750m，需要的材料投入大，造價(jià)占比高，故本項(xiàng)目不僅要設(shè)計(jì)能夠通行重載汽車(chē)，還需在可行方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比選，以達(dá)到降低造價(jià)的目的。

2 鋼便橋方案與經(jīng)濟(jì)比選

經(jīng)多次比選及評(píng)估，便橋采用螺旋鋼管柱作支墩。經(jīng)可行性研究，初擬了型鋼、六四軍用梁、貝雷桁架等3 種梁跨結(jié)構(gòu)進(jìn)一步進(jìn)行技術(shù)及經(jīng)濟(jì)方面的比選，如表1 所示。

表1 便橋不同類(lèi)型梁跨技術(shù)及經(jīng)濟(jì)比選表

從表1 可看出，3 種不同梁跨材料從技術(shù)方面均能滿足施工使用要求。但因?yàn)樨惱阻旒艹休d能力為最強(qiáng)[1]，故需設(shè)置的鋼管柱支墩最少，且貝雷桁架結(jié)構(gòu)緊湊，堆放時(shí)占用空間少。且相對(duì)其它兩種梁跨而言，鋼管柱、梁跨材料的使用數(shù)量，施工工程量及運(yùn)輸成本均要低，總費(fèi)用最為節(jié)約。故選用貝雷桁架作梁跨的鋼便橋方案。

3 鋼棧橋布置方案

便橋布置在橋位左側(cè)，與橋梁中軸線平行。便橋與橋梁中-中距離為15m，鋼棧橋共設(shè)置2 段；西岸淺灘處主橋2#墩至6#墩段長(zhǎng)度501m；東岸岸邊至主橋7#墩段長(zhǎng)度252m，鋼棧橋均8m 寬。

鋼棧橋典型縱斷面設(shè)計(jì)詳見(jiàn)圖1。鋼棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（單、雙排墩）詳見(jiàn)圖2、圖3。

圖1 鋼棧橋典型縱斷面設(shè)計(jì)圖

圖2 鋼棧橋單排墩橫斷面設(shè)計(jì)圖

圖3 鋼棧橋雙排墩橫斷面設(shè)計(jì)圖

鋼便橋采用鋼管柱作支墩，加強(qiáng)型貝雷桁架作橋跨的形式。鋼便橋方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力、經(jīng)濟(jì)性及技術(shù)可行性等反復(fù)進(jìn)行了驗(yàn)算和評(píng)估，經(jīng)多次優(yōu)化后的鋼便橋方案如下：

①因?yàn)殇摫銟蜉^長(zhǎng)，且不便于設(shè)置錯(cuò)車(chē)臺(tái)，故鋼便橋橋面凈寬設(shè)為8m，為2 車(chē)道通行，以確保能夠供2 輛施工車(chē)輛相向通行。便橋通行最大重載車(chē)輛為國(guó)內(nèi)某品牌9m3砼攪拌運(yùn)輸車(chē)，滿載后荷載總量為400kN，根據(jù)上述荷載總量及分布情況進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。②考慮漲潮時(shí)的高水位及影響安全使用的其它因素，鋼橋面標(biāo)高為+4.61，超最高水位2.23m，鋼便橋按12m 標(biāo)準(zhǔn)跨度進(jìn)行設(shè)計(jì)。支墩采用φ720×10mm 螺旋鋼管，支墩分單排及雙排2種，單排樁為3 根間距3.3m 的螺旋鋼管。雙排墩為抵抗車(chē)輛急剎車(chē)等各種水平?jīng)_擊荷截而設(shè)[2]，每間距2 個(gè)單排墩設(shè)置1處。雙排墩每排設(shè)置4 根間距為2.2m 的螺旋鋼管，排距為3.0m。支墩頂部設(shè)置φ273×6mm 螺旋鋼管剪刀撐，以加強(qiáng)支墩的整體安全性。③支墩上擺放2I40a 承重梁。支墩頂部開(kāi)有放置承重梁工字鋼的槽口，以避免承重梁移位，承重梁兩側(cè)設(shè)置鋼板斜撐，以確保承重梁穩(wěn)定不傾倒。便橋縱梁采用4 組8 片單層加強(qiáng)型貝雷桁架，組間貝雷桁架片間的間距為1.35m，組與組的間距為1.8m。承重梁上焊有槽鋼[10 對(duì)貝雷桁架進(jìn)行限位，同時(shí)設(shè)置U 形螺栓將貝雷桁架弦桿與承重梁、其上部的I16 橫向分配梁聯(lián)結(jié)牢固，以確保不被臺(tái)風(fēng)所破壞。④貝雷縱梁上擺放I16 橫向分配梁，間距為0.3m。分配梁限位角鋼（L70×5）與鋼板焊接固定于上弦桿螺栓孔處，角鋼與分配梁焊接固定。橋面板為δ10mm 花紋鋼板，橋面鋼板與分配梁點(diǎn)焊固定。⑤鋼便橋兩側(cè)高度為1.0m 的防護(hù)欄桿，護(hù)欄立柱為I10，按2.0m 間距設(shè)置。護(hù)欄設(shè)3 道φ48×3mm 鋼管橫桿。護(hù)欄立柱及橫桿涂紅白相間的警示標(biāo)識(shí)。

4 鋼便橋結(jié)構(gòu)承載檢算

4.1 汽車(chē)荷載取值

鋼便橋通行的最重車(chē)輛荷載為9m3砼運(yùn)輸車(chē)，經(jīng)實(shí)測(cè)，滿載時(shí)重量總荷載為400kN，該車(chē)輛的荷載分布如圖4 所示。

圖4 9m3 砼運(yùn)輸車(chē)荷載分布圖

承載計(jì)算時(shí)，對(duì)車(chē)輛荷載考慮1.2 的沖擊系數(shù)，以及1.15 的偏載系數(shù)。

4.2 分配梁承載檢算

分配梁為I16 工字鋼，布設(shè)間距為30cm，I16 工字鋼材料特性如表2 所示。

表2 I16 工字鋼材料特性表

將工字鋼分配梁簡(jiǎn)化成跨度為1.8m 的簡(jiǎn)支梁，當(dāng)砼攪拌運(yùn)輸車(chē)后軸單側(cè)車(chē)輪作用在跨中時(shí)，為分配梁的最不利承載工況。由于后軸單側(cè)兩個(gè)車(chē)輪與面接觸寬度約0.5m，考慮由4 根分配梁共同承載荷載（80kN）。則單根分配梁承受的跨中集中荷載為=80×1.2×1.15/4=22.08kN。作用于分配梁的橋面系及自重按均布線性荷載考慮，計(jì)算得0.45kN/m。則有：

4.3 貝雷桁架縱梁承載檢算

12m 跨的縱梁按簡(jiǎn)支梁進(jìn)行承載驗(yàn)算，砼攪拌車(chē)荷載按由2 排貝雷桁架共同承載，查《裝配式公路鋼橋多用途使用手冊(cè)》可知，加強(qiáng)型雙排單層貝雷桁架允許承受的最大彎矩[M]為3375.0kN·m，最大剪力[Q]為490.5kN。

把砼攪拌運(yùn)輸車(chē)的全部荷載視作一個(gè)集中荷載（1.2×1.15×400=552kN），該方法的計(jì)算結(jié)果偏大，但趨于安全。縱梁自重及上部橋面系（僅計(jì)算半幅）按均布線性荷載考慮，計(jì)算得q=11.7kN/m。則有：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 承重梁承載檢算

承重梁采用2I40a 工字鋼。主要承受貝雷桁架片傳遞的集中力，根據(jù)實(shí)際承載情況，采用清華大學(xué)的“結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算器”進(jìn)行計(jì)算，得：σmax=26.5MPa＜[σ]=180MPa；fmax=1.3mm＜3300/400=8.25mm。

4.5 鋼管承載檢計(jì)算

便橋鋼管柱外徑為720mm，管壁厚度10mm，最大自由長(zhǎng)度為8.9m。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將9 立方的砼攪拌運(yùn)輸車(chē)整體作為一個(gè)集中荷載。鋼管柱支墩的最不利工況為左右幅車(chē)道均有車(chē)輛通行，且車(chē)輛荷載同時(shí)作用于一處單排墩的墩頂時(shí)。車(chē)輛荷載考慮1.2 的沖擊系數(shù)和1.15 的偏載系數(shù)[3]，作用于該支墩的橋面系、貝雷縱梁、鋼管柱自重等經(jīng)計(jì)算為458.6kN。側(cè)單根支鋼管柱承受的軸向受壓荷載為N=（1.2×1.15×2×400+458.6）/3=520.9kN。由于海水對(duì)鋼管柱具有較強(qiáng)的腐蝕作用，在施工后期，鋼管有效斷面將變小。按鋼便橋使用期為2 年，鋼管內(nèi)外壁年腐蝕速度按0.6mm/年計(jì)，則在鋼便橋使用的后期，鋼管柱外徑為717.6mm，內(nèi)徑為702.4mm。

鋼管柱承載斷面大小為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；最大自由長(zhǎng)度L=8.9m，μ 取1，則長(zhǎng)細(xì)比：λ=1×8900/252.1=35.3；穩(wěn)定折減系數(shù)查表得：φ=0.917；N/φA=（520.9）/（0.917×16.8×103）=33.8MPa＜[σ]=181MPa。由上述檢算結(jié)果可得，便橋各結(jié)構(gòu)受力檢算滿足要求。

5 支墩鋼管柱入土深度計(jì)算

鋼便橋橋址處地質(zhì)條件主要以淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)砂層組成。為了確保樁基具有足夠的承載能力，對(duì)每處支墩的地質(zhì)情況進(jìn)行勘察，并按《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG3363-2019）中沉樁的承載力容許值計(jì)算公式進(jìn)行沉樁深度的反算。沉樁的承載力容許值計(jì)算公式[4]如下：

本項(xiàng)目中，（1）式的Ra 值為上述計(jì)算單樁最大承載力（487.5kN），將各樁址處的地質(zhì)數(shù)據(jù)代入（1）式，經(jīng)多次試算，則可得出鋼管柱的最少入土深度。

6 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目在復(fù)雜及困難條件下，通過(guò)經(jīng)濟(jì)比選確定便橋類(lèi)型，并精心設(shè)計(jì)鋼便橋方案，嚴(yán)格監(jiān)控鋼便橋施工質(zhì)量。不僅使鋼便橋能夠安全、可靠地滿足施工需要，且在成本上比原施工預(yù)算節(jié)約523 萬(wàn)元，取得了良好的技術(shù)效果及經(jīng)濟(jì)效益。本項(xiàng)目鋼管柱支墩是按最不利工況進(jìn)行樁徑及壁厚選用。但本項(xiàng)目鋼便橋較長(zhǎng)，承載工況變化較大。擬在以后類(lèi)似情況下的鋼便橋設(shè)計(jì)時(shí)，承載條件較好的支墩可在確保結(jié)構(gòu)承載安全的前提下選用小樁徑及小壁厚的鋼管柱，可以進(jìn)一步達(dá)到降低成本，促進(jìn)公司的可持續(xù)發(fā)展的目的。