钢管桩+贝雷桁架便桥设计研究

进行跨江河水中墩施工时，常需修建施工便桥，以便及时、顺利的将材料、机具运达河中桥墩位置。因桥梁施工需运输重型的起重机、挖掘机、桩机及混凝土运输车等，故对便桥运输承载能力要求极高，需确保在通行重载汽车时保持安全稳固。故对施工便桥的方案设计提出了较高要求，即在确保重载通行能力的同时，还要做到经济可行，降低工程造价，减少施工期间的维护费用。所以，要对施工便桥进行设计方案的研究和评估、调整及优化，确保做到技术可行、施工简便、经济合理。

1工程简介

巴中至万源高速公路第Ⅶ标段K187+940袁家湾大桥右幅采用（2-30m+21-40m）预应力砼简支T梁，左幅采用（1-30m+22-40m）预应力砼简支T梁，下构采用桩柱式桥墩及空心墩挖（钻）孔桩基础，大桥跨越回龙安河，回龙安河为非通航河道。回龙安河河床处成呈阶状台地，表层上覆第四系全新统崩坡积层（含角砾）粘土及砂、泥岩块石覆盖，厚度分布不均匀，河床两侧地带多见基岩出露，主河床底部多上覆坡洪积漂卵石土层。为了进行河中墩的施工，需修建施工便桥通达水中墩。

2便桥施工方案的研究及选定

2.1钢便桥总体设计方案。为了确保水中墩施工时机具及材料能够直接运达桥位处，本桥施工时沿桥梁左侧在回龙安河上修建一座施工便桥，根据施工需要，便桥需通行的最大汽车荷载为9m3混凝土运输车，桥面净宽不得小于5m。便桥采用在技术及经济上均具有优势的钢管桩+贝雷桁架组合的便桥形式。在进行便桥的设计时，对方案进行了多次反复承载检算、评估及优化，最终确定的便桥施工方案如下。①便桥长153m，桥面宽6m，便桥按通行最重汽车荷载为某厂商生产的9m3混凝土运输车，其总荷载为80kN，根据本项目最大汽车荷载、所需桥面宽度要求及承载检算结果，便桥纵梁采用三组单层非加强型贝雷桁架（共6片贝雷桁架）。②钢便标准桥跨跨径设计为9m；下部结构桥墩设计为单排柱式钢管桩，标准跨为12m，按6跨作一联，每联设制动墩，制动墩采用双排钢管桩，排间距为2m，其余为单排非制动墩。③综合考虑河道排洪通畅，便桥使用时间及其他各种影响因素，将钢便桥顶面标高定为231.9m。④在钢便桥右侧布置3个施工平台以进行袁家湾大桥3处水中墩的施工，平台长分别为27m、36m、36m，平台宽度为6m，跨径为9m。便桥结构设计方案如图1、图2所示。2.2便桥下部结构设计。便桥下构钢管桩按摩擦桩设计。单墩设置单排3根钢管（桩径准630mm，壁厚8mm），钢管桩采用A3钢板制作，底部及接桩处环焊10mm×100mm钢条，以加强连接处的强度。桩身中心距2.5m，排间钢管桩设置[20槽钢花架焊连，以加强承载整体性。管桩顶焊接800mm×800mm×15mm钢端帽，端帽上焊接2I36b工字钢作摆放贝雷梁的垫梁。河床平均标高为225.7m，河床以上部分钢管桩长度为6m。钢管桩长度为嵌入玄武岩的植入4m深，单根按10m计；未嵌入玄武岩的入土12m深，单根按18m计。2.3承载纵梁结构设计。单孔跨径为9m，桥宽6.0m。根据行车荷载及桥面宽度要求，采用单层三组6片贝雷桁架，贝雷桁架分成3组摆放，组间净距2.2m；同组间桁架中心距30cm，同组间桁架设置型钢框架联结。桁架与垫梁、横梁工字钢间采用“U”形螺栓联接。2.4桥面结构设计。贝雷桁架上按间距60cm摆放I36b工字钢横梁，横梁上再铺设间距为20cm的[20槽钢分配梁，分配梁上的桥面板为厚度10mm的钢花纹板。2.5防护结构设计。因便桥为上承式结构，为确保通行安全，在桥面两侧设型钢护栏，外侧再挂设安全网，防止人员翻越。护栏立柱采用长1.3m的[14槽钢制作，沿桥纵向按1.5m间距布设。沿便桥纵向通长设置护栏水平杆，水平杆采用准48×3.5mm钢管，竖向均匀布置3道。

3钢便桥施工关键技术

3.1薄覆盖层及基岩裸露处。钢管桩施工本项目部分河床为薄覆盖层，甚至为基岩裸露，持力层为完整灰岩，钢管桩无法直接插打。针对此类地质情况，国内通常采用栽桩法，即先采用冲击钻成孔，随后导管法浇筑桩体水下混凝土，在桩体混凝土尚未初凝前插打入钢管桩，并将钢管桩按设计中心线临时固定，直至混凝土凝固后方进行一下工序的施工。此施工工法具有施工周期长，费用高，施工时泥浆易对环境造成污染，钢管桩易偏位，钢管桩使用后难拔出等诸多缺点。为了确保工期及降低工程造价，本项目通过技术创新，采用“大小套管”法（施工示意如图3所示），工艺说明如下：①先在桩位处采用潜孔钻机钻设准300mm孔眼，深入完整基岩内5m，然后打入壁厚6mm的准300mm的小钢管桩。特别注意的是：小管桩直径不能出现正误差，允许5mm内的负误差，以确保小钢管能够顺利打入孔眼内，且避免桩径过小时，打入的钢管桩有松动，而导致便桥桥墩在外力作用下倾斜。②然后采用振动锤打入大管（即临时便桥的准630mm钢管桩），大管套住原打入的小管，施工时需确保大、小管中心线重合。要确保大管下沉至设计标高以达到设计承载力。③大管插打至设计位置后，用气割枪割除超过设计标高的多余部分，然后在小管桩内和大小管桩间的采用导管法浇筑C30水下混凝土，增强小钢管桩的抗弯折性能和使大小钢管桩之间联结成可靠的工作整体。④清理干净钢管桩顶部，焊接钢管桩顶端的800mm×800mm×15mm钢顶帽，以摆放双拼I36b工字钢垫梁。3.2普通地质地段插打钢管桩。①采用全站仪引导进行桩位定位，使用90kW振动锤的夹具夹紧、吊起钢管桩，放入导向架内，开启振动锤将钢管桩锤入地层。钢管桩施工需保证桩轴线准确，单桩桩位控制在5cm以内，特别要保证同排桩要在一条直线上。故在沉桩时测量人员做好放样复核并随时控制桩位，本项目使用特制悬臂导向框架以使桩体保持竖直。框架导桩孔径桩径大2～3cm。②沉桩深度除了以设计所给的数值作为参考外，还要以动力公式反算的最终贯入度来确认沉桩深度，控制标准为5cm/min。③接桩时，先在底节桩端均匀上焊接6个220×80×12mm的连接限位片，以加快接桩接桩速度及增强对中质量。接桩质量要求：相邻管节的管径偏差≤2mm，相邻管节对口板边高差＜1.0mm。接桩处还环焊10mm×100mm钢条，以加强连接处的强度。因接桩为竖向焊接，工艺及质量控制难度大，故接桩时严控焊接质量，焊接后检查焊接质量，不合格时重新焊接。3.3桩顶处理。每完成一根钢管沉桩后，按设计要求确定桩顶标高，对高出部分氧焊割除，将钢管桩找平，低于标高的桩按实际长度进行接长至桩顶标高。清理干净钢管桩顶部，焊接钢管桩顶帽。3.4焊接斜撑及平撑。按钢便桥及钢平台设计图所示在钢管桩身间焊接[20槽钢花架的斜撑及平撑，使得同排桩身间形成剪刀撑形式，互相增加稳定性。3.5安装工字钢横梁。桩顶处理完后，用吊车吊放工字钢垫梁，垫梁根据设计放置在钢管桩中心位置并调整水平，检查合格后焊接。3.6安装贝雷桁架纵梁。首先将贝雷桁架用装载机转运至河岸上，然后采用汽车吊进行预拼装。当第一跨钢管桩打设完毕安装花架及垫梁后，采用吊车架设贝雷桁架纵梁。采用[10槽钢制成U型铁件将贝雷桁架纵梁固定在垫梁上，铁件与垫梁焊接固定。3.7铺设桥面板及设置栏杆。纵梁安装完成后，按照设计间距布设横梁、分配梁及桥面钢板，横梁与贝雷桁架纵梁间设置“U”形螺栓联接，横梁与分配梁间焊接固定，面板与分配梁间用U型铁件联结以防滑动，并在面板底焊接限位角钢。最后按设计图纸安装栏杆。

4钢便桥结构受力检算

4.1汽车荷载取值。本项目通行便桥的最大车辆荷载为某厂商生产的9m3混凝土运输车，汽车荷载分布于每组轮对的数值如图4所示。4.2分配梁承载。计算支垫桥面板的分配梁为[22a槽钢，间距设为20cm，材料特性如表1所示。将槽钢分配梁的简化成简支梁，梁跨为0.6m，当9m3混凝土运输车后轴单轴单侧两个车轮作用于槽钢中间时，为槽钢最不利荷载工况。此时，后轴单轴单侧两个车轮的荷载为220.8/2=110.4kN。轮宽为50cm，按由4根分配梁槽钢共同承载，则单根槽钢承受的汽车集中荷载为110.4/4=27.6kN。同时，槽钢还承受自重及桥面自重的均布线性荷载（计算得0.41kN/m）。则有：Mmax=ql2/8+Pl/4=0.41×0.62/8+27.6×0.6/4=4.16kN•m故σmax=Mmax/W=（4.16×103）/（191×10-6）=21.7MPa＜[σ]=181MPaQmax=P/2+ql/2=27.6/2+0.41×0.6/2=13.9kN故τmax=Qmax/A=（13.9×103）/（32.837×10-4）=4.2MPa＜[τ]=85MPafmax=5qL3/384EI+PL3/48EI=（5×0.41×103×0.63）/（384×2.1×105×106×1910×10-8）+（27.6×103×0.63）/（48×2.1×105×106×1910×10-8）=0.31mm＜600/400=1.5mm4.3横梁计算便桥横梁采用I32b工字钢，设置间距为0.6m，材料特性如表2所示。将横梁的简化成简支梁，净跨2.2m，当混凝土运输车后两轴单侧四个车轮行驶在横梁跨中时，为横梁最不利荷载工况。此时，车轮荷载为220.8kN。按由3根横梁工字钢共同承载，则单根工字钢承受的汽车集中荷载为220.8/3=73.6kN。同时，工字钢横梁承受的自重及桥面自重按均布线性荷载计算得1.8kN/m）。则有：Mmax=ql2/8+Pl/4=1.8×2.22/8+73.6×2.2/4=41.6kN•m故σmax=Mmax/W=（41.6×103）/（726×10-6）=57.3MPa＜[σ]=180MPaQmax=P/2+ql/2=73.6/2+1.8×2.2/2=38.8kN故τmax=Qmax/A=（38.8×103）/（73.556×10-4）=52.7MPa＜[τ]=85MPafmax=5×qL3/384EI+PL3/48EI=（5×1.8×103×2.23）/（384×2.1×105×106×11600×10-8）+（73.6×103×2.23）/（48×2.1×105×106×11600×10-8）=1.7mm＜2200/400=5.5mm4.4贝雷桁架纵梁受力检算便桥贝雷桁架纵梁采用三排单层的形式，查《装配式公路钢桥多用途使用手册》得桁架容许内力：[M]=2246.4kN•m，[Q]=698.9kN。将12m桥跨的便桥纵梁按简支梁进行检算，且将全部汽车荷载（220.8+220.8+110.4=552kN）简化成作用于简支梁上的集中荷载，此计算方式偏于保守，利于确保结构安全。贝雷梁自重及作用其上的恒载按均布线性荷载，计算得q=11.5kN/m。当荷载作用于简支梁跨中时，产生最大弯矩：Mmax=ql2/8+Pl/4=11.5×122/8+552×12/4=2168.1kN•m＜[M]=4809.4kN•m当汽车荷载作用于便桥桥墩附近时，产生最大剪力：Qmax=P+ql/2=552+11.5×12/2=621kN＜[Q]=698.9kN4.5钢管桩承载检算便桥钢管桩外径为630mm，管壁厚度8mm，汽车荷载作用于便桥桥墩上时，钢管桩承受最大荷载，在考虑1.2的偏载系数下，单根钢管桩承受的上部荷载为1.2×（552+11.5×12）/2=345kN，钢管桩自重（最高自由长度为9.3m）及顶端封板、双拼I32b工字钢梁的重量荷载总计为17.5kN。4.5.1桩的强度验算。能够承受荷载所需的最小钢管桩截面大小：Amin=N/[σ]=（345.0+17.5）×103/181=2.00×103mm2。厚8mm的准630钢管桩承载断面大小为A=π（6302-6142）/4=15.6×103mm2＞Amin，钢管桩断面面积足够承载。4.5.2钢管压杆稳定计算A=15.6×103mm2Iz=π（6304-6144）/64=240.7×106mm4iz=（Iz/A）1/2=124.2mm钢管桩最大自由长度L=9.3m，μ取1，则钢管桩长细比：λ=1×9300/124.2=74.9稳定折减系数查表得：φ=0.721N/φA=（345.0+17.5）/（0.721×15.6×103）=32.2MPa＜[σ]=180MPa由计算可得，便桥各结构受力检算满足要求。

5结束语

本项目便桥修建工期较计划工期提前了16d，工程造价降低298.6万元。可见本项目通过结构承载检算，对便桥结构进行了调整及优化，在技术可行的基础上达到经济可行。在基岩薄覆盖或基岩裸露处采用新型工法———“大小套管”法打设钢管桩，达到了缩短工期及降低造价的目的，为便桥方案设计及施工方面提供了良好的借鉴作用。

参考文献：

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[2]黄绍金，刘伯生.装配式公路钢桥多用途使作手册[M].人民交通出版社，2001.

[3]TGTF50-2011，铁路桥涵施工规范[S].

[4]陈树辉.贝雷梁钢桥的检测与性能评估[J].福建建材，2017（6）.

作者:汪林 单位:中铁二十五局集团有限公司