乔博

摘要： 在武汉轨道交通21号线第三标段桥梁施工时，采用承载能力强、拼装简便、设计科学的贝雷桁架做主梁，钢管桩作为基础的便桥。利用既有3×1.5×1.2m贝雷桁架、？准529×8mm钢管桩，结合工程实际，对便桥结构进行承载验算及优化，满足施工荷载要求并减少施工成本。

Abstract： During the construction of the third section of the No. 21 line of Wuhan Rail Transit， the Berray truss with strong bearing capacity， simple assembly and scientific design is used as the main beam， and the steel pipe pile is used as the basic bridge. The existing 3 × 1.5 × 1.2m Berray truss and ？准529 × 8mm steel pipe piles are used， combined with the actual project， carrying out the calculation and optimization of the bearing structure of the bridge， to meet the construction load requirements and reduce construction costs.

关键词： 施工便桥；贝雷桁架主梁；钢管柱基础；承载验算；施工成本

Key words： construction bridge；Berray truss girder；steel tubular column foundation；bearing checking；construction cost

中图分类号：U448.18 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）17-0147-04

0 引言

进行桥梁水中墩施工时，因运输材料、机械及人员通行的需要，需修筑施工便桥。便桥要频繁通行施工的大型机械设备及混凝土运输车等重型车辆，故对便桥基础、主梁等结构的承载能力及安全稳定性要求非常高。但修建便桥的位置往往位于野外地质条件复杂，地基承载能力差的深水中，受外界不良因素的影响非常多，而现场施工过程中，往往为了保证安全，盲目加大安全系数，提高用料规格，加大用料数量，提高了施工隐形成本。为了达到设计所要求的重车通行及安全稳固的施工要求，选择合适材料做便桥承载结构主体，并科学进行设计，在确保便桥承载能力的基础上达到减少施工成本的目的显得尤为重要。

1 项目概况

武汉轨道交通21号线（阳逻线）起于江岸区后湖大道站，直至线路终点—新洲金台站。线路全长33.7km，共设车站15座。

第三标段起讫里程为DK34+294.949～DK45+481.949，里程长度11.187km，其中，四座车站全部为高架站，墩高为2.5m～21m。29#～32#墩为水中墩。进行水中墩施工时，需修建通行50t汽吊及9m3混凝土运输车等大型机械和材料。

便桥布置在桥址右侧，与桥轴线平行，中心线距桥中线约15m。根据长河地质报告，洪水水面标高6.4m，现水位标高2.7m，计划使用日期2015年10月至2016年5月，不在洪水期，设计桥面标高6.5m。便桥净宽为5.5m，长度120m，设计荷载50吨，以满足9m3混凝土搅拌车和50T履带吊的通行。

原设计方案主要材料表如表1。

2 断面形式与跨径布设

便桥设计净宽5.5m，小里程桥台向河中间方向跨径组合依次为10×12m，共120m。顶面标高为大沽高程系+6.5m。钢便桥在大、小里程方向各设置一个简易桥台。经对便桥进行承载检算，并根据力学计算结果进行对便桥初步设计方案进行了优化及调整，最终采用的便桥设计方案如下。

桥台及桩基础均采用？准529×8mm钢管桩。桩基础形式为单排桩，每排为4根？准529×8mm钢管桩，桩间距为1.2m+2.4m+1.2m。鋼管桩入土深度根据地质和受力验算确定，钢管桩顶垫梁采用双拼I25b工字钢。主梁采用双排单层共4片贝雷梁，桥面系横向为I18工字钢，间距30cm，顶面设置5mm钢板面板。桥面两侧设？准48mm@1000mm钢管防护栏杆。详见图1、图2。

3 便桥主要结构承载的验算

3.1 计算范围及说明

计算范围为便桥的钢管桩基础及上部结构承载能力，便桥主要包括：行车走道板5mm钢板→I18工字梁横梁→顺桥向贝雷梁→横桥向双I25b工字钢垫梁→？准529×8mm钢管桩；

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015），对于桥梁细部构件验算，主要采用车辆荷载，车辆荷载根据实际情况，取实际运营车辆。

3.2 主要计算工况及相应工况下荷载分析

3.2.1 工况分析

主要有2种工况：

①钓鱼法安装便桥，履带吊在最前沿吊装振动锤加钢管桩，打钢管桩施工；

②混凝土运输车进行9m3混凝土满载运输。

3.2.2 活载取值

①本项目采用9m3的混凝土运输车，其厂家的参数说明里没有明确标注车辆荷载分布，也无其它权威出处可查参数，故本项目按实际施工时满载情况下进行了实测。得其荷载分布如图3所示。

汽车荷载为3个集中荷载80kN、160kN和160kN，轮距为3.8m、1.35m，计入冲击系数1.2及偏载系数1.15后，其集中荷载为110.4kN、220.8kN和220.8kN。

②50t履带吊运行时，履带轨距×接地长度×履带宽度=354×470×76cm，本次设计依据此参数进行计算。50t履带吊进行吊装作业，取总吊重为10t（？准529×8mm钢管桩19m自重2t，DZ90振动锤自重6.2t，取1.2吊装系数为10t）。因此：

作为集中荷载时单侧履带集中荷载为（500+100）/2=300kN，计入冲击系数1.2及偏载系数1.15后，其集中荷载为414kN。

单侧履带线性荷载集度为（500+100）/4.7/2（接地长度）=63.8kN/m，计入冲击系数1.2及偏载系数1.15后，其线荷载为88kN/m。

3.3 钢面板计算

①结构型式。本平台面板为5mm厚花纹A3钢板，焊接在沿便梁I18工字钢横梁上，I18工字钢间距30mm，净距250mm。

②荷载。履带吊机履带宽度（760mm）、25t吊车及9m3混凝土罐车轮胎宽度（前轮宽300mm，中后轮宽600mm）荷载作用在I18工字钢上，5mm面板不作检算。

3.4 横梁I18工字梁计算

①结构型式。横梁采用I18工字钢，间距按30cm布设，其材料特性为：A=30.6cm2，W=184.4cm3，重量=24.1kg/m。

工字钢横梁安装在跨距240cm的单层双排贝雷梁上，计算时可保守按照跨径240cm简支梁。

②50t履带吊荷载。50t履带吊工作时的线荷载为176.3kN/m。横梁I18工字钢间距为30cm，履带宽度为76cm，最不利荷载为3根横梁承载。简化成受线性均面荷载的简支梁进行力学计算，如图4所示。

则跨径为2.4m的横梁I18工字梁所受均布线性荷载为：q=176.3kN/m÷2÷3=29.4kN/m

③9m3混凝土运输车荷载。混凝土运输车中后轮着地宽度为60cm，其根荷载由2根横梁承载，当单侧中或后轮位于横梁I18工字钢跨中时为最不利荷载，按受集中荷载的单跨简支梁进行承载计算，如图5所示，则集中荷载为：

P=220.8kN÷2÷2=55.2kN

④力学计算。

履带吊：Mmax=ql2/8=29.4×2.42÷8=21.2kN·m

混凝土运输车：Mmax= Pl/4=55.2×2.4÷4=33.1kN·m

此时混凝土运输车为控制荷载：

σmax=Mmax/W=（33.1×103）/（184.4×10-6）=179.0MPa<[σ]=203MPa，满足要求。

τmax=Qmax/A=（27.6×103）/（30.6×10-4）=9.02MPa<[τ]=1诺集团生产的HNJ5253GJB15MPa，满足要求。

3.5 贝雷主梁计算

主梁由两组双排单层贝雷梁组成，贝雷梁间距为120cm+240cm+120cm。

①恒载。

结构自重：

桥面板：12×5.5×0.005×7850=2590.5kg；

桥面横梁I18：24.1×41×5.5=5434.6kg；

贝雷梁主梁自重：4×4×270=4320kg；

12m跨徑贝雷梁上恒载总重： 2590.5+5434.6+4320=12345kg =12.35t

其他未计构件按1.2系数考虑，贝雷梁上恒载总重为12.35t×1.2=14.82t。

故单片贝雷梁承受的每延米恒载为148.2÷4÷12=3.09kN/m。

②活载。

当50t履带吊的履带位于桥跨中间时，贝雷梁承受此工况下的最大弯矩，将桥跨简化成受50t履带吊的集中荷载作用的简支梁进行受力计算（其结果趋于保守），则有单跨单片贝雷梁跨中承受的集中荷载为414kN×2÷4=207 kN。

当9m3混凝土运输车中后轴行驶至桥跨中间时，贝雷梁承受此工况下的最大弯矩，将混凝土运输车中后轴按集中荷载，将桥跨简化成受混凝土运输车的全部集中荷载作用的简支梁进行受力计算（其结果趋于保守），则有单跨贝雷梁跨中承受的集中荷载为552kN÷4=138kN。因9m3混凝土运输车的车体较小，当运输车紧沿便桥一侧行驶时，出现荷载严重集中于便桥一侧的情况。本项目采用清华大学的结构力学求解器进行运输车跑偏时的极端工况进行贝雷梁主梁的承载分析计算，以确保便桥结构安全。其力分析求解如图6所示。虽然其分配与贝雷梁的最大值为206.2，不是本项目的控制荷载。但承载计算结果表明，远离混凝土运输车一侧的外侧贝雷梁承受上拔力，虽经验算，贝雷梁片承受的上拔力不控制便桥的设计，但设计时需采取措施避免贝雷梁在上拔力的作用下脱离I25b工字钢垫梁，而可能出现安全风险。本项目设置了钢筋弯钩勾住贝雷桁架的下弦杆，钢筋弯钩下端焊接在钢管桩基础上。

此时50t履带吊为控制荷载：

Mmax=ql2/8+ Pl/4=3.09×122÷8+207×12÷4=676.62kN·m

根据以上计算结果，并查《装配式公路钢桥使用手册》，本项目决定采用加强型贝雷桁架，其单片桁架[M]=788.2kN·m>676.62kN·m，满足要求。

τmax=207+3.09×12÷2=225.54MPa<[τ]=245.2Pa，满足

要求。

以往大量的设计承载验算表明，贝雷桁架用作各类便桥时，控制桥梁设计的关键因素为弯矩及剪力，故本项目不需进行挠度验算。

3.6 双I25b工字钢垫梁计算

因贝雷梁中心线与钢管桩中心线重合，故荷载对双I25b工字钢不产生弯矩，也不产生剪力，故不需进行承载计算。

3.7 钢管桩计算

本栈桥所有桩基均支撑在中砂、卵石层上，按摩擦桩计算其容许承载力。根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）中的沉桩的承载力容许值公式，则桩的容许承载力为：

式中：[Ra]——单桩轴向受压承载力容许值（kN），桩身自重与置换土重（当自重记入浮力时，置换土重也计入浮力）的差值作为荷载考虑；

u——桩身周长（m），3.14×0.529=1.66m；

n——土的层数；

li——承台底面或局部冲刷线以下各土层的厚度（m）；

qik——与li对应的各土层与桩侧摩阻力标准值（kPa），宜采用单桩摩阻力试验确定或通过静力触探试验测定，当无试验条件时按规范给定值选用；

qrk——桩端处土的承载力标准值（kPa），宜采用单桩试验确定或通过静力触探试验测定，当无试验条件时按规范给定值选用；

？琢i、？琢r——分别为振动沉桩对各土层桩侧摩阻力和桩端承载力的影响系数对于锤击、静压沉桩其值均取为1.0。

A——桩端面积，3.14×0.529×0.529/4=0.22m2。

根据以上计算，12m贝雷梁上恒载总重为12.35t×1.2=14.82t，按集中荷载148.2kN计算（结果偏安全），活载考虑履带吊在排桩顶面工作状态时最大414kN，跨径贝雷梁桥主跨支点处反力荷载合计562.2kN，此竖向荷载由钢管桩桩基承担，单墩按562.2kN竖向承载设计（结果偏安全）。本项目地质勘探报告中的地质情况，并结合《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG Q63-2007）有关桩侧摩阻力取值及桩端处承载力取值的参考范围，钢管桩计算取值见表2所示。

根据长河地质报告，洪水水面标高6.4m，现水位标高2.7m，设计桥面标高6.5m，局部冲刷线-3m，便桥结构高度1.9m，空桩长度=6.5+3-1.9=7.6m。

受力桩长计算时，考虑安全性，杂填土按1m厚度计算，10-3粉质黏土按3.8-1=2.8m计算，10-3a 粉质黏土混卵砾石不考虑（结果偏安全），13残积粉质黏土厚度为8.8-3.8m=5m，[Ra]=0.5×1.66（1×20+3.8×50+5×60+0.22×2300）=843.28kN>562.2kN，满足要求。

钢管桩本身的强度、刚度不需验算，因长河常年水流速度小于5m/s，对桩身横桥向冲击力忽略，顺桥向稳定性由两侧简易桥台保证，此处不做计算。

各桩位处的桩长=1+2.8+5+7.6=16.4m，考虑安全系数1.15，最终设计钢管桩桩长统一按19m，埋深要求9m以上。施工时要求钢管桩施打过程以振动锤锤击反弹为控制依据，根据现场最终实际施工统计数据，钢管桩桩长均远小于19m，并保证便桥结构安全。

4 成本节约分析

方案前后主要材料对比表如表3。

进行结构的承載力学分析不仅能够确保便桥具有足够承载能力，使便桥结构设计更为合理，且从以上对优化后的便桥结构进行力学验算可看出，I18工字钢模梁、贝雷桁架等主要承载构件承载能力得到了充分的使用，没有造成多余的功能性浪费。相对原便桥方案而言节约了钢材及贝雷桁架使用量，降低了工程成本。

①便梁钢面板原设计为10mm钢板，案优化后调整为5mm，全桥节约钢板用量28.26t。

②原便桥设计方案的横梁采用I25b工字钢，方案优化后调整为横梁采用I18工字钢，此部位全桥节约型钢40.36t。

③原设计方案桥梁？准529×8mm钢管桩，长度22m，方案优化后调整为19m，此部位全桥节约型钢13.73t。

便桥与施工队伍签订专业承包合同，单价约6000元/t，根据力学分析计算结果调整便桥设计参数，大幅降低了施工成本49.41万元。

5 结束语

本文对武汉轨道交通21号线第三标段桥梁施工时通行重型汽车的临时施工便桥进行精心设计，采用了承载能力强、施工快速的贝雷桁架作便桥的主梁，便桥桥面采用I18工字钢作横梁，桥墩及基础采用直径为529mm的钢管桩，每处桥墩设单排4根。埋置深度为9m。经对便桥结构进行承载计算，能够承受桥梁荷载，且根据承载计算成果，对便桥结构设计参数及构件规格进行优化和调整，比初步方案节约了钢材82.35t，大幅降低了施工成本49.41万元。本项目的成功案例，以期对类似施工便桥的设计提供一些参考作用。

参考文献：

[1]JTG D63-2007，公路桥涵地基与基础设计规范[S].

[2]JTG D60-2015，公路桥涵设计通用规范[S].

[3]JTG D64-2015，公路钢结构桥梁设计规范[S].

[4]黄绍金，刘陌生.装配式公路钢桥使用手册[M].人民交通出版社.

[5]马明，黄登侠.钢栈桥的结构设计分析和计算[J].公路交通科技，2013（8）.

[6]茹先古.“321”装配式公路钢桥在交通保障应急中的应用[J].公路，2007（5）.

[7]徐维俊.浅谈贝雷栈桥及钢管桩的施工工艺及结构稳定验算[J].北方交通，2013（17）.