林子鑫，陽維華，李世文，李增源，張玉龍

(1.廣西交通投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530022；2.中鐵大橋局集團(tuán)，湖北 武漢 430050)

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，橋梁跨徑不斷加大，橋址處水文地質(zhì)情況愈加復(fù)雜，橋梁深水基礎(chǔ)施工成為橋梁建設(shè)的重中之重。為方便水上基礎(chǔ)施工，保障樁基、承臺的施工質(zhì)量，具備構(gòu)件快速拼裝、材料可周轉(zhuǎn)、安全可靠等優(yōu)點的裝配式鋼棧橋及鋼平臺在深水大跨橋梁基礎(chǔ)施工作業(yè)中廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)鋼棧橋不同的是，在綜合考慮施工作業(yè)需要、建造成本的前提下，還要滿足跨越航道的通航需求，因而將其中一跨設(shè)置為可提升的形式。本文對提升式鋼棧橋開展結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對不同荷載組合作用進(jìn)行驗算，確保結(jié)構(gòu)的整體安全性。

1 工程概況

某特大橋位于廣州市南沙區(qū)，全長1 126 m，主橋及部分引橋跨越北江干流出海水道，為Ⅳ級航道，規(guī)劃通行500噸級船舶。為便于主橋及引橋下構(gòu)施工，提高資源調(diào)配效率，實現(xiàn)統(tǒng)一管理，該水道采用鋼棧橋貫通，并設(shè)置可提升跨以滿足通航需要。經(jīng)與海事部門協(xié)商，并結(jié)合其他工程項目的類似應(yīng)用案例，本項目提升式鋼棧橋順橋向跨徑為33 m、通航凈空為8 m、凈寬為30 m，通航狀態(tài)下由4臺15 t卷揚(yáng)機(jī)將整跨提升至預(yù)設(shè)高度，供船舶通行。

2 提升式鋼棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

提升式鋼棧橋主體結(jié)構(gòu)和提升系統(tǒng)，其橫截面及立面詳見圖1、圖2。

圖1 提升式鋼棧橋橫截面圖(cm)

圖2 通航狀態(tài)下提升式鋼棧橋立面布置圖(mm)

2.1 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

提升式鋼棧橋基礎(chǔ)設(shè)置單側(cè)共6排管樁，為φ630 mm×10 mm鋼管樁，主要承受鋼棧橋主體結(jié)構(gòu)的荷載，兼做提升系統(tǒng)支撐柱。主要承重鋼管樁頂依次設(shè)置順橋向分配梁F5(2HM588×300型鋼)、橫橋向分配梁F6(2HM488×300型鋼)。上方采用貝雷梁，貝雷縱梁梁端安裝有貝雷鋼橋?qū)Ｓ枚酥?，橋梁荷載通過端柱傳遞至安裝在型鋼橫梁上的貝雷鋼橋?qū)Ｓ脴蜃?，再通過橫梁將荷載傳遞至鋼管立柱。橋面寬9 m，橋面板采用Ⅰ14與10 mm花紋鋼板整體焊接結(jié)構(gòu)，兩側(cè)設(shè)置型鋼防護(hù)欄桿[1]。

2.2 提升系統(tǒng)設(shè)計

提升系統(tǒng)由提升橫梁、提升卷揚(yáng)機(jī)、滑車、起吊索及附屬設(shè)施耳板、銷軸組成。起吊索為φ34.5 mm普通鋼絲繩，每臺卷揚(yáng)機(jī)設(shè)起吊索150 m。卷揚(yáng)機(jī)為15 t，共設(shè)置4臺，每側(cè)兩臺。

3 結(jié)構(gòu)計算分析

3.1 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及參數(shù)

(1)結(jié)構(gòu)主要尺寸：跨徑33 m、橋面寬9 m。

(2)車輛荷載：公路-Ⅰ級荷載、135 t履帶吊機(jī)作業(yè)及走行。

(3)水流力：考慮流速0.78 m/s的水流力作用。

(4)風(fēng)載：工作狀態(tài)風(fēng)力為8級，相應(yīng)風(fēng)速為20.7 m/s；提升狀態(tài)風(fēng)力為14級，相應(yīng)風(fēng)速為43.98 m/s。

(5)材料型號：鋼構(gòu)件除貝雷梁材質(zhì)為16 Mn外，其余構(gòu)件材質(zhì)均為Q235B。

3.2 計算工況說明

橋梁水上施工鋼棧橋主要承受恒載、基本可變荷載、其他可變荷載等作用。在橋梁施工過程中，該提升式鋼棧橋具體計算工況如表1所示[2]。

表1 計算工況及荷載組合分析表

3.3 荷載計算

3.3.1 135 t履帶吊荷載

履帶吊自吊側(cè)起吊時，考慮75%的偏載，偏載側(cè)面荷載大小為135 t，履帶吊正吊時，最大工作荷載為23.5 t/m2；履帶17.9 t/m2；另一側(cè)面荷載大小為6.0 t/m2。

3.3.2 風(fēng)荷載

根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》，在橫橋向風(fēng)作用下主梁單位長度上的橫向靜陣風(fēng)荷載計算為：

(1)

式中：FH——作用在主梁單位長度上的靜陣風(fēng)荷載(N/m)；

ρ——空氣密度(kg/m3)，取1.25；

CH——主梁的阻力系數(shù)，桁架面積比0.26，阻力系數(shù)取1.75，遮擋系數(shù)取0.85；

H——主梁投影高度(m)，取1.5；

Vg——靜陣風(fēng)風(fēng)速(m/s)；

GV——靜陣風(fēng)系數(shù)，取1.29；

VZ——基準(zhǔn)高度Z處的風(fēng)速(m/s)。

橋面高度處的風(fēng)速八級風(fēng)VZ取20.7 m/s，可得風(fēng)荷載為304.1 N/m。

3.3.3 水流力

正常施工情況：根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》(JTS144-1-2010)13.0.1條規(guī)定，水流壓力標(biāo)準(zhǔn)值計算為：

(2)

式中：Cw——橋墩形狀系數(shù)，根據(jù)規(guī)范中表13.0.1-1選取，圓形取0.73；

ρ——水的重度(t/m3)，取1.0；

V——設(shè)計流速(m/s)，取0.78；

A——橋墩阻水面積(m2)，計算至一般沖刷線處。

對于鋼管樁轉(zhuǎn)化成流水壓力線荷載為qmax=CwρV2D的三角形線荷載計算棧橋鋼管樁結(jié)構(gòu)的承載力，其中D為鋼管樁直徑。

按照式(2)可以計算作用在鋼管樁上的水流力標(biāo)準(zhǔn)值：φ630 mm×10 mm鋼管樁為0.280 kN/m。

3.3.4 自重及自重分力、制動力

結(jié)構(gòu)自重按1.2倍考慮，傾斜段結(jié)構(gòu)自重分力按照坡度3.4%計算；履帶吊走行時考慮制動力荷載，大小為自重的10%，加載在樁頂位置。

3.4 有限元模型

根據(jù)鋼棧橋結(jié)構(gòu)特點，利用Midas Civil軟件進(jìn)行計算分析，采用空間桁架單元模擬貝雷梁的支撐架，采用空間梁單元模擬其他鋼構(gòu)件，鋼橋面板對結(jié)構(gòu)受力無太大影響故不建立，鋼管樁底部設(shè)置固接。具體模型如圖3所示。

圖3 提升式鋼棧橋有限元模型圖

3.5 計算成果分析

3.5.1 鋼管樁計算成果

考慮到鋼管銹蝕的影響，以φ630 mm×8 mm鋼管樁建立模型進(jìn)行計算。計算結(jié)果如下。

3.5.1.1 強(qiáng)度計算

由圖4可知，在工況2的工作狀態(tài)下，φ630 mm×8鋼管樁最大正應(yīng)力為104 MPa，<[σ]=170 MPa，滿足要求。

圖4 鋼管樁組合應(yīng)力云圖(MPa)

3.5.1.2 剛度計算

在工況1的工作狀態(tài)下，φ630 mm×8 mm鋼管樁頂水平最大位移為15.79 mm

3.5.1.3 穩(wěn)定性計算

由于桿件較多，為簡化計算取自由長度最長的鋼管樁進(jìn)行計算，受力桿件為φ630 mm×8 mm鋼管立柱，計算長度均取10.0 m，由模型計算結(jié)果分別取軸力N1=1 012.1 kN,彎矩My=103.0 kN·m，Mz=103.0 kN·m。根據(jù)兩者截面參數(shù)分別得到φ630 mm×8 mm鋼管繞X軸穩(wěn)定應(yīng)力為115.9 MPa、繞Y軸穩(wěn)定應(yīng)力為107.1 MPa，計算成果均<[σ]=170 MPa，滿足要求。

3.5.1.4 單樁承載力計算

該提升式鋼棧橋鋼管樁按打入摩擦型樁設(shè)計，結(jié)合有限元計算成果可知，φ630 mm×8最大反力為132.7 t，按150 t設(shè)計，地質(zhì)資料如表2所示。

表2 主橋橋位處土層摩阻力統(tǒng)計表

單樁軸向受壓容許承載力計算根據(jù)《港口工程樁基規(guī)范》，鋼管樁軸向抗壓承載力設(shè)計值計算如下：

(3)

式中：Qd——單樁軸向承載力設(shè)計值(kN)；

γR——單樁軸向承載力分項系數(shù)，取1.5；

u——樁身截面外周長(m)；

qfi——單樁第i層土的極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；

li——樁身穿過第i層土的長度(m)；

η——承載力折減系數(shù)，取0.5；

qR——單樁極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；

A——樁端外周面積(m2)。

則φ630 mm×8 mm入土深度為50 m，考慮2.0 m沖刷，實際入土深度為52 m，單樁軸向受壓承載力為163 t，>132.7 t，由此可知，單樁承載力均滿足要求。

3.5.2 貝雷梁計算成果

3.5.2.1 內(nèi)力計算

根據(jù)各工況計算成果，貝雷梁各桿件內(nèi)力情況整理如表3所示。

表3 貝雷梁各構(gòu)件內(nèi)力情況統(tǒng)計表

由計算成果可知，貝雷梁各桿件最大內(nèi)力均小于容許內(nèi)力值，滿足要求。

3.5.2.2 應(yīng)力計算

根據(jù)各工況計算成果，貝雷梁各桿件應(yīng)力情況整理如表4所示。

表4 貝雷梁各構(gòu)件應(yīng)力情況統(tǒng)計表

由計算成果可知，貝雷梁各桿件最大應(yīng)力均小于容許內(nèi)力值，滿足要求。

3.5.2.3 變形計算

根據(jù)各工況計算成果，公路Ⅰ級荷載車輛走行至跨中時，最大豎向變形為77.69 mm，<33 000/400=82.5 mm，滿足要求。

3.5.3 分配梁計算成果

由有限元計算成果分析，結(jié)合設(shè)置的位置及受力的特點，工況2時F5、F6存在最大應(yīng)力，其受力情況整理如表5所示。

表5 分配梁應(yīng)力情況統(tǒng)計表

由計算成果可知，各分配梁最大正應(yīng)力均小于容許值160 MPa；最大剪力均小于容許值90 MPa；組合應(yīng)力均<1.1[σ]=176 MPa；最大變形均

4 結(jié)語

通過對提升式鋼棧橋進(jìn)行有限元分析，得知該結(jié)構(gòu)在各計算工況下的受力均滿足要求；同時也發(fā)現(xiàn)，135 t履帶吊走行至跨中時豎向變形較大，需要現(xiàn)場密切監(jiān)測。本文通過對可提升式鋼棧橋設(shè)計及有限元分析，確保整體結(jié)構(gòu)在滿足通航要求的情況下，面對不同荷載組合作用是安全可靠的，對同類型有通航需求的鋼棧橋設(shè)計建造具有一定的參考意義。