鋼棧橋設(shè)計優(yōu)化與成本控制

鐘德明 張煜梓

(1.浙江宏達(dá)建設(shè)集團有限公司，浙江 諸暨 311800； 2.日照旭豐建設(shè)工程有限公司，山東 日照 276800)

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，我國新建或改建的橋梁很多，其中大部分橋梁是跨河或跨軟土地基而設(shè)計。在橋梁下部結(jié)構(gòu)施工時，需要大型機械和大量材料到指定的施工部位，當(dāng)環(huán)境條件不滿足通行要求時，鋼棧橋就成為了一種主要的施工道路形式。鋼棧橋作為一種大臨設(shè)施，雖然是階段性使用的橋梁，但必須滿足施工要求，包括功能要求、安全要求和經(jīng)濟性。如何在滿足鋼棧橋的功能性和安全性的前提下，盡量節(jié)省成本、提高經(jīng)濟性關(guān)鍵在于鋼棧橋的設(shè)計。因此如何通過優(yōu)化設(shè)計來降低鋼棧橋成本是值得思考和研究的問題。

1 鋼棧橋設(shè)計要點

1.1 鋼棧橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋼棧橋結(jié)構(gòu)形式主要包括上承式和下承式，由橋面系、橋跨結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)組成。

橋面系包括橋面板、分配梁和護欄等。橋面板直接承受車輛荷載，一般面板采用壓花鋼板，也有采用滿鋪槽鋼的方式；相比而言，鋼板整體性比滿鋪槽鋼要好，可以避免車輛沖擊荷載作用的跳動或變形。分配梁通常采用型鋼且大多采用工字鋼，上承式鋼棧橋一般只設(shè)置橫向分配梁即可；下承式鋼棧橋由于縱梁間距較大，通常在橫向分配梁上再設(shè)置縱向分配梁。橋面板與分配梁之間可采用U型螺栓連接成整體，也可以焊接成整體。

橋跨結(jié)構(gòu)是鋼棧橋主要承載構(gòu)件，也是鋼棧橋設(shè)計的重點內(nèi)容。跨徑大小、結(jié)構(gòu)形式、縱梁數(shù)量、布置方式和材料選擇等是橋跨設(shè)計需要考慮的主要內(nèi)容。目前鋼棧橋橋跨結(jié)構(gòu)通常采用貝雷片，當(dāng)跨徑很小時也可以采用型鋼。貝雷片之間通常采用連接框?qū)⑵溥B接成整體，增加穩(wěn)定性。

下部結(jié)構(gòu)是指基礎(chǔ)與橋跨之間的結(jié)構(gòu)部分。在鋼棧橋設(shè)計中下部結(jié)構(gòu)主要是指下橫梁，用于支撐橋跨結(jié)構(gòu)。當(dāng)采用樁基礎(chǔ)時，下橫梁一般采用型鋼；當(dāng)采用鋼筋混凝土擴大基礎(chǔ)時，可不設(shè)置下橫梁。

基礎(chǔ)是鋼棧橋設(shè)計最關(guān)鍵的部分，根據(jù)地基地質(zhì)情況的不同，基礎(chǔ)可以采用鋼管樁、混凝土預(yù)制管樁或混凝土擴大基礎(chǔ)等。

1.2 鋼棧橋的設(shè)計驗算

鋼棧橋的設(shè)計驗算是通過對荷載情況、工況進行分析，計算各構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變和穩(wěn)定性的過程。荷載包括恒載、活載和偶然荷載。恒載主要指鋼棧橋自重；活載包括車輛荷載、風(fēng)荷載、流水作用、人群荷載以及可能出現(xiàn)的雪荷載；偶然荷載包括河道漂浮物或船只的撞擊、地震等。對于偶然荷載，一般在鋼棧橋設(shè)計時會考慮采取設(shè)置防撞墩等措施，防止漂浮物或船只的撞擊，同時，由于鋼棧橋是臨時設(shè)施對于地震作用一般忽略，所以在驗算時一般不考慮偶然荷載。

工況主要是指各種荷載可能出現(xiàn)的組合情況，包括鋼棧橋搭設(shè)和鋼棧橋使用時的荷載組合。工況分析主要的目的是找出最不利的荷載組合情況，保證鋼棧橋在最不利情況下的使用安全。

鋼棧橋在荷載作用下會產(chǎn)生彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力，同時會出現(xiàn)一定的變形。材料本身的強度有一定的極限值(即容許應(yīng)力)，這由材料本身的材質(zhì)以及截面尺寸確定；材料的剛度決定其在荷載作用下的變形，在同樣的工況下剛度越高變形越小。在鋼棧橋的設(shè)計驗算中，主要通過計算在最不利工況作用下所選擇的構(gòu)件是否滿足應(yīng)力應(yīng)變要求。

鋼棧橋穩(wěn)定性主要是指抗傾覆，在荷載偏心作用及流水作用下的側(cè)向推力可能導(dǎo)致棧橋側(cè)翻或倒塌。主要通過計算豎向恒載和橫向力所產(chǎn)生彎矩之間的平衡來驗算其抗傾覆系數(shù)，當(dāng)系數(shù)大于1時可以滿足要求。

2 鋼棧橋的成本構(gòu)成

鋼棧橋的成本主要包括材料費、機械費和人工費以及輔助施工費幾部分。材料費在幾項費用中占比最大，達(dá)70%以上。鋼棧橋所用材料以鋼材為主，其他材料為輔，所以鋼棧橋用鋼量是決定成本的關(guān)鍵因素。機械費主要指吊車臺班費、挖機臺班費、自卸汽車臺班費等。在鋼棧橋施工過程中，大部分構(gòu)件的安裝需要使用吊車，所以在機械費中占比最大。人工費包括管理人員工資和勞務(wù)人員工資等。輔助施工費包括電費、安全防護費用和施工期間人員伙食費等。

3 設(shè)計優(yōu)化與成本關(guān)系

在鋼棧橋的成本中有許多可以通過設(shè)計的優(yōu)化得到降低，特別是用鋼量更是由設(shè)計的深化程度決定。設(shè)計優(yōu)化是指通過對橋跨布置、結(jié)構(gòu)類型、材料選擇方面進行對比分析，在保證結(jié)構(gòu)滿足安全性和功能性的前提下做到經(jīng)濟合理。用鋼量作為鋼棧橋的主要成本，如何降低用鋼量是設(shè)計優(yōu)化的重要內(nèi)容之一。鋼棧橋作為大臨設(shè)施，其清單價格一般按照平方或者延米進行計算，而按照延米計算時一般會注明寬度，其實質(zhì)還是按照平方進行計價。因此，在同樣面積下降低用鋼量是降低成本的主要途徑。

用鋼量的優(yōu)化主要通過調(diào)整材料型號和間距的手段，在滿足材料應(yīng)力應(yīng)變的前提下，選擇最合適的型號和間距來達(dá)到最低用鋼量的目的。荷載工況是選擇材料型號和間距的決定條件，荷載越大、工況越不利所需材料型號越大、間距越小才能滿足應(yīng)力應(yīng)變要求。因此首先要對荷載工況進行認(rèn)真的分析研究，確定最不利工況下的荷載情況。通過對荷載可能出現(xiàn)的不同組合情況進行分析，既可以保證結(jié)構(gòu)安全也可以避免盲目疊加荷載情況造成計算荷載大于實際荷載而導(dǎo)致用鋼量的增加。其次，安全系數(shù)也是決定用鋼量的重要因素，當(dāng)安全系數(shù)偏小時無法保證在特殊情況下的結(jié)構(gòu)安全，而安全系數(shù)過大又會造成材料的浪費和成本增加。因此在設(shè)計優(yōu)化時，應(yīng)選擇合理的安全系數(shù)，盡量使應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值接近于容許值，避免富余量過大。

在荷載工況和安全系數(shù)確定之后，橋面板的厚度由分配梁的間距來決定，分配梁的型號由自身間距和貝雷片的間距決定。分配梁間距越加大，橋面板的厚度需要增加，相應(yīng)的分配梁的型號也要加大。在橋面板和分配梁總重量之和與分配梁間距之間的最佳平衡點是控制橋面系用鋼量的關(guān)鍵所在。貝雷片型號包括普通型和加強型，加強型貝雷片是在普通貝雷片增加加強弦桿。相比之下加強型貝雷片與普通貝雷片增加的用鋼量不到1/2，但容許彎矩、抗彎截面模量、慣性矩和抗彎剛度都增加了一倍。所以在設(shè)計縱梁時，加強型貝雷片比普通貝雷片要好。貝雷片作為橋跨承重構(gòu)件，在縱向長度確定后其用量主要由其間距決定，同時其間距布置也影響到分配梁的布置，而其跨徑布置直接決定鋼管樁的數(shù)量。因此，在縱梁設(shè)計時不僅要對材料進行設(shè)計優(yōu)化，也需要對其跨徑和間距進行優(yōu)化。

基礎(chǔ)承受所有上部荷載，單墩最大荷載量主要受棧橋跨徑影響，跨徑越大，在同樣的荷載工況下其所需承載力也越大。當(dāng)單墩最大荷載量確定后，需要根據(jù)地質(zhì)情況來設(shè)計基礎(chǔ)形式，對于持力層埋深較大且上部存在較好地層時采用混凝土擴大基礎(chǔ)比鋼管樁基礎(chǔ)成本低。但對于水中基礎(chǔ)或軟弱地層較厚時，采用鋼管樁基礎(chǔ)則比較經(jīng)濟。鋼管樁的用量在荷載確定后，可以結(jié)合地層特性通過對其壁厚、間距、直徑等進行優(yōu)化。直徑越大其單位長度的摩阻力也越大，相應(yīng)單根樁承載力也越大；壁厚越厚，其剛度越大，抗彎能力越強，相應(yīng)用鋼量也增加。對于采用鋼管樁基礎(chǔ)的鋼棧橋，鋼管樁用鋼量在總用鋼量中所占比重較大，因此基礎(chǔ)的優(yōu)化有助于降低成本。

4 工程案例

4.1 工程概況

03省道東復(fù)線諸暨江藻至王家井段工程浦陽江二橋為跨浦陽江新建的大橋。為貫穿施工道路，便于橋梁下部結(jié)構(gòu)施工，需搭設(shè)棧橋。棧橋總長141 m，橋面凈寬4.0 m，采用下承式鋼棧橋形式。

設(shè)計荷載為：自重+60 t車輛荷載；自重+25 t汽車吊機施工荷載?？赡墚a(chǎn)生的工況如表1所示。

表1 鋼棧橋的工況表

浦陽江河床土的力學(xué)性能如表2所示。

表2 河床土的力學(xué)性能

4.2 設(shè)計優(yōu)化對比

本次鋼棧橋的主要優(yōu)化內(nèi)容包括橋面板、分配梁、縱梁以及基礎(chǔ)等。橋面板小楞采用Ⅰ16a間距0.3 m，相應(yīng)面板需采用12 mm厚鋼板，優(yōu)化后采用Ⅰ14a間距0.2 m，相應(yīng)面板需采用8 mm厚鋼板。通過優(yōu)化采用Ⅰ16a工字鋼時最大彎曲應(yīng)力為156 MPa<1.3[σ]=188.5 MPa,采用Ⅰ14a時工字鋼最大彎曲應(yīng)力為116 MPa<[σ]=145 MPa，面板和小楞合計節(jié)約鋼材8.2 t。分配梁原設(shè)計采用Ⅰ25a間距0.6 m，優(yōu)化后采用Ⅰ28a間距0.75 m，相應(yīng)最大彎曲應(yīng)力由98.6 MPa變?yōu)?3.3 MPa，節(jié)約鋼材4.6 t，安全系數(shù)更高?？v梁由原設(shè)計單側(cè)3片普通貝雷片改為單側(cè)2片貝雷片，其性能提高1.3倍，節(jié)約鋼材12.7 t。鋼管樁基礎(chǔ)由單墩2根φ630×10 mm優(yōu)化為單墩3根φ500×8 mm，樁長由21 m調(diào)整至18 m，節(jié)約鋼材15.4 t。橋臺由鋼管樁改為擴大基礎(chǔ)，增加混凝土82 m3，減少鋼管樁5.3 t。故本次優(yōu)化共計節(jié)約鋼材46.2 t，增加混凝土82 m3，節(jié)約費用約20萬元。

5 結(jié)論

鋼棧橋作為施工過程中的常用臨時設(shè)施，造價比較高，成本大。鋼棧橋的設(shè)計主要由荷載工況以及材料選擇和間距布置來決定。通過設(shè)計的優(yōu)化可以達(dá)到降低用鋼量從而降低成本的目的。文章結(jié)合03省道東復(fù)線諸暨江澡至王家井段工程浦陽江二橋鋼棧橋的設(shè)計優(yōu)化，實際節(jié)約鋼材約46.2 t，降低成本約20萬元。通過鋼棧橋的設(shè)計優(yōu)化不僅使結(jié)構(gòu)受力更為合理，安全性更高，而且降低了成本。因此，鋼棧橋的設(shè)計優(yōu)化對于鋼棧橋成本控制有著至關(guān)重要的作用。