钢便桥设计与施工技术研究

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1工程概况

新建津保铁路大北环线是天津铁路枢纽货运环线的主骨架，两端分别连接京沪、津霸、津山和蓟港铁路。线路全长47.5km。其中永定新河特大桥是全线控制性工程。津保铁路永定新河特大桥在铁路里程BHDK23+103.79（188#墩）至铁路里程BHDK23+365.39（196#墩）跨越永定新河，永定新河汛期平均水位标高约为+2.2m，设计流量200m3/s，设计流速0.43m/s。永定新河特大桥线路中心线与永定新河水道交角77°，189#~195#墩为水中墩。现以跨越永定新河钢便桥施工为例，介绍钢便桥的设计与施工。

2钢便桥设计方案

钢便桥是跨越河流施工的便道，建设中所有的运输车辆及人员通行的“便道”。施工位置临近海河堆积平原，地基承载力较低，便桥布置在桥址右侧，与桥轴线平行，中心线距桥中线约15m。便桥净宽为5.5m，设计荷载65吨，可以满足12m3混凝土搅拌车和55T履带吊的通行。2.1钢便桥结构说明。钢便桥设计净宽5.5m，从桥台向河中间方向跨径组合依次为6+17×12m，共210m。桥顶面高程为+7.5m。钢便桥在大、小里程方向各设置一个桥台，桥台及桩基础均采用准529×8mm钢管桩。桩基础为单排桩形式，每4根准529×8mm钢管桩为一排。因永定新河为海河堆积地区，淤泥质土较厚，淤泥质承载力仅为65kPa，所以钢管桩入土深度需根据现场实际地质承载力进行受力验算确定，钢管桩顶采用700*700*10mm钢板，上垫梁采用双拼I25b工字钢。主梁采用单层双排共4片贝雷梁，贝雷梁上横向I25b工字钢，间距350mm，桥面系纵向为I10工字钢，间距10cm，顶面设置5mm花纹钢板。桥面两侧设准钢管防护栏杆。设计图如图1。活载取值：履带吊轨距4.3m，接地长度4.6m，履带的宽度76cm，钢便桥根据此参数进行计算。履带吊进行吊装作业，取总吊重10t。因此，线性荷载集度为（550+100）/4.6=141.3kN/m，计入冲击系数1.2及偏载系数1.15后，其线荷载为195kN/m。单辆载重12m3砼运输车荷载为3个集中荷载分别是84kN、168kN和168kN，纵向轮距为400cm，横向轮距为135cm，计入冲击系数1.2及偏载系数1.15后，其集中荷载分别为116kN、232kN和232kN。2.2主要工况验算。钢便桥施工及运行时有两种不利工况：①钢便桥进行施工时，履带吊在钢便桥最前沿打钢管桩施工；②混凝土运输车12m3混凝土满载运输。2.3钢面板计算。2.3.1结构型式。本平台面板为5mm厚花纹A3钢板，焊接在沿便桥I10工字钢纵梁上，I10工字钢间距150mm，净距50mm。2.3.2荷载履带吊机履带宽度（760mm）及12m3混凝土砼运输车轮胎宽度（前轮宽300mm，中后轮宽600mm）荷载作用在I10工字钢上，5mm面板及I10工字钢不作检算。2.4I25b工字梁横梁计算。2.4.1结构型式。横梁采用I25b工字钢，工字钢横梁安装在净跨距2700mm的单层双排贝雷梁上，按照2700mm跨径简支梁计算。最大受力位置出现在履带吊转向区域打钢管桩时。2.4.255t履带吊集中荷载。55t履带吊进行振动打桩施工时，计入冲击系数1.2及偏载系数1.15后，总重（550+100）×1.2×1.15=897kN，履带长度4.6m，考虑震动拔桩时履带按前点2m范围受力，单条履带的作用范围：6（2.3/0.35）根I25b工字钢跨中位置，那集中荷载为：897÷2÷6=74.8kN。2.4.3砼运输车荷载砼运输车前轮着地宽30cm（由两根横梁承受），中后轮着地宽60cm（由三根横梁承受）。则单根横梁在前轮或后轮作用下受集中力为：232÷2=116kN。116kN＞74.8kN，作用于2.7m跨径I25b工字钢跨中，此力值大于履带吊荷载，以砼运输车荷载进行验算。2.4.4力学验算。砼运输车作用于跨径2.7m简支梁，其荷载图示如图2。M=1/4pl=0.25×116×2.7=78.3kN•m；Q=58kN；W=423cm3S=M/W=78.3/423=185MPa＜[s]=203MPa，满足要求。t=Vx*Sx/（Ix*Tw）=58*246300/52800000/10.0*1000=27MPa＜[τ]=119MPa，满足要求。2.5贝雷梁验算。主梁采用两组双排单层贝雷梁组成，间距为3.6m，安装在2根I25b工字钢横梁上。跨径为12m。根据钢便桥布置及使用情况，55t履带吊进行振动打桩施工时，计入冲击系数1.2及偏载系数1.15后，总重（550+100）×1.2*1.15=897kN。2.5.1荷载。结构自重：桥面板：12×5.5×0.01×7850=5181kg=5.181t；I25b横梁：32*42*5.5=7392kg=7.392t；贝雷梁自重：16×270=4320kg=4.32t；12m跨径贝雷梁上恒载总重：5.181+7.392+4.32=16.89t其他构件按1.2系数考虑，贝雷梁恒载为16.89t×1.2=20.27t。故单片贝雷梁恒载为20.27÷4÷12=4.22kN/m。活动荷载：①履带吊集中荷载。履带吊进行振动打桩施工时，计入冲击系数1.2及偏载系数1.15后，总重（550+100）×1.2*1.15=898kN，履带长度4.6m，单条履带作用于13根I25b工字钢上，单根工字钢集中荷载为：898÷2÷13=34.54kN。按均布荷载计算，单片贝雷梁所受荷载为898÷4÷4.125=54.4kN/m。②混凝土运输车荷载。12m3混凝土运输车前轮着地宽30cm，中后轮着地宽60cm。砼运输车轮胎集中荷载为单片贝雷梁所受荷载为116/4=29kN，232/4=58kN，232/4=58kN。履带吊及砼运输车走行至贝雷梁跨中时，主梁贝雷梁弯矩最大，履带吊及砼运输车走行至主梁贝雷梁跨端时，主梁贝雷梁剪力最大，履带吊及砼运输车走行至墩顶时，钢管桩基础反力最大，履带吊荷载898kN大于混凝土砼运输车荷载580kN。2.5.2力学计算。履带吊走行至主梁跨端位置自重及活载作用下受力图示如图3。履带吊跨越钢管桩墩顶位置自重及活载作用下受力图示如图4。根据《装配式公路钢桥多用途使用手册》查表得，单排单层不加强贝雷片的容许弯矩788.2kN•m，容许剪力为245kN。故：M总=633.5kN•m＜788.2kN•m，合格。Q总=211.2kN＜245kN，合格。2.62I25b墩顶横梁计算。根据以上计算可知，在最不利荷载作用下，单片贝雷梁剪力为211.2kN，钢管桩顶分配梁采用双拼I25b工字钢。贝雷梁对双拼I25b工字钢的作用点位于桩顶支点位置，故验算双拼I25b工字钢的抗剪性能。单片贝雷剪力为211.2kN。t=Q×Sx/（Ixt）=211.2×246.3/（5280×10）=98.5MPa＜[τ]=119MPa，满足要求。2.7钢管桩计算。钢管桩入土深度按照摩擦桩进行验算，根据《路桥施工计算手册》公式得：式中：k—安全系数；[P]———单桩轴向受压容许承载力（kN）；U———桩周长；l———桩在冲刷线以下有效长度（m），冲刷深度按照1m计算；A———桩底横截面面积；τp———桩壁土的平均极限摩阻力（kPa）；σR———桩尖处土的极限承载力（kPa）。根据以上计算，12m跨径贝雷梁桥主跨支点处反力荷载为285.3kN，此竖向荷载均由钢管桩桩基承担，设4排钢管支墩，单墩按285.3kN竖向承载设计。根据永定新河特大桥地质报告，洪水水面6.4m，现水位2.7m，设计桥面标高7.5m，局部冲刷线-4m，设计钢管桩桩长20m，埋深12.5m。P=1.66×0.5×（6.5×20+2.0×40+4.0×45）=323.7kN>285.3+20×102.8/100=305.86kN。

3施工方法

采用钓鱼法搭建便桥，通过55T履带吊配合ZD60型图4振动锤由岸边开始向河中逐孔进行施工，施工时先打设钢管桩，再安装桩顶分配梁、主梁，最后铺设桥面系，安装防护栏杆。3.1下部结构施工。钢管桩构件统一在场内加工，进场后按标准进行抽检，复验。根据钢管桩使用的先后顺序分类堆存。钢便桥从岸边开始，采用“钓鱼法”施工，用履带吊配合ZD60型振桩锤施打钢管桩。履带吊停放在钢便桥桥台，吊装悬臂导向支架，利用导向支架精确打入钢管桩，测量桩位偏差±5cm，桩的垂直度≤1%。开动振桩锤下沉到位。桩顶焊接钢板，铺设贝雷梁及桥面板后，再将履带吊前移，进行插打下一组钢管桩。按此方法，逐孔施工。施工过程中用设计桩长和桩贯入度双向指标进行双控，对于淤泥质土较厚处，加深桩基贯入长度，保证钢便桥桩基稳定性。每个墩位处钢管桩施工完成后，立即进行钢管桩间平联、剪刀撑、桩顶垫梁施工。现场实测桩间平联长度，同步进行剪刀撑、加劲板等构件加工、焊接的施工。将钢管桩施工所需半成品吊装至施工墩位处。用履带吊悬吊平联，到位后焊接。将贯入深度较大的桩基进行现场焊接，焊缝饱满并加焊8块10*30cm加劲板，保证钢管桩竖向稳定。钢管桩施打就位后，立即将与已沉放完毕的钢管桩连成整体。3.2便桥上部结构安装。在钢管桩顶垫梁上测量放样，定出贝雷梁位置。按设计拼接贝雷梁，一组拼装好后用履带吊分组起吊安装，贝雷梁牢固安防在桩顶横梁上，然后进行下一组贝雷梁吊装，直至完成整跨贝雷梁的安装。桥面系横向为I25b工字钢，间距35cm；顶面为5mm钢板面板。材料汽运至施工现场，吊装就位，工字钢与贝雷片间使用凹形钢板连接，工字钢、槽钢、钢板间采用焊接。

4施工要点

①便桥由永定新河南堤向大里程方向延伸，采用“钓鱼法”———边打桩边架梁的方法施工。②当遇到沉桩容易及软弱基础时，加大贯入深度，直至钢管桩难以沉入时停止，防止软弱基础钢管桩贯入深度不足，使钢便桥失稳，造成危害。③为适应便桥钢构件温度变化，便桥每隔45m设一道温度缝，即温度缝处便桥所有钢构件均需断开，贝雷梁的阴阳头断开，但阳头仍套在阴头内。④钢便桥严格按设计要求组织施工。钢管桩制作，必须符合设计及规范要求，钢管桩沉桩偏位控制在±5cm，以保证结构受力可靠，便桥施工每跨的各种构件安装可靠后，才能上重载。⑤每排钢管桩施打完毕，应立即进行桩间连接，钢联撑焊接质量可靠，以保证桩的稳定性。

5结束语

钢便桥施工在永定新河特大桥跨越永定河施工中得到了成功运用。该施工工艺不但操作简单，而且提高了施工速度，节约了成本，打通了跨永定新河南北运输的要道。通过永定新特大桥钢便桥施工，顺利解决了永定新河水中墩施工的难题。由于施工后的钢便桥稳固牢靠，通行效果良好，且一次施工到位，得到了参建各方的一致好评。通过对永定新河钢板桥施工的经验总结，也为施工类似工程提供了宝贵经验。

参考文献：

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[2]徐关尧，田静，李和，朱杰.观音湖圣莲岛贝雷式钢便桥的设计与使用[J].国防交通工程与技术，2012（06）.

[3]钱涛.中兴路北延下穿南京长江三桥高速公路组合钢便桥设计与施工[J].铁道标准设计，2011（11）.

作者:魏占坡 单位:中铁十四局集团第三工程有限公司