考慮流凌效應的大跨徑梁橋最大懸臂施工狀態作用響應分析＊

韓成林 張謝東 崔 凱 商 敏

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (內蒙古交通設計研究院有限責任公司2) 呼和浩特 010010) (內蒙古東達蒙古王集團公司3) 鄂爾多斯 014300)

包樹黃河特大橋位處黃河從西南流向東北進入內蒙古,由于從低緯度進入高緯度區,氣溫降低,造成黃河內蒙古段封河自下而上,開河自上而下的特殊情況.當下游封河而上游尚未封河時,上游產生的大量冰花在下游封河河段冰蓋下發生堆積,縮小過水斷面面積,阻塞了上游冰水去路,造成上游水位涌高,容易形成冰塞;然而當上游開河,冰水逐漸釋放,而此時下游還未達到自然開河條件,冰下過流能力不足以通過上游凌峰,經常形成水鼓冰裂的武開河形勢.開河后,冰塊在大水強流的推動下向下游流動,遇河道狹窄段或淺灘彎道,則容易形成卡冰結壩.在開河凌汛期間,大面積冰排在洪水的驅動下整體移動,必然對阻礙冰層相對運動的橋墩等結構物產生沖擊,致使橋墩等水中結構物產生較大內力及變形[1-2];此外,冰層在流動過程中發生連續碰撞破碎,大面積流冰體的流動對結構物產生長期擠壓和沖擊,以致大量的冰塊堆積到冰與結構物的接觸面上,這在一定程度上會加劇了結構物的變形及安全性.

鑒于黃河流凌期間洪水和流冰對橋梁可能的沖擊破壞作用,特別是本橋冬季停工時處于最大懸臂施工最不利狀態,一方面單T構的線性和內力直接影響到其與相鄰T構的順利合龍;另一方面單T構的內力狀態也直接影響成橋后箱梁混凝土的應力儲備.因此有必要對該橋最大懸臂狀態流凌期的受力進行分析驗算,以保證該橋安全度過流凌期,同時保證后續合攏施工和順利成橋.

1 工程概況

本黃河特大橋主橋位于西部開發省際通道跨越包頭市和鄂爾多斯之間黃河的重要橋梁工程,主橋上部采用85 m+6×150 m+85 m變截面預應力連續箱梁,總長1 070 m,如圖1所示.

圖1 主橋立面布置圖(單位：m)

單幅橋寬13.75 m,翼緣板懸臂長3.3 m,箱梁底寬7.15 m;根部梁高8.5 m,跨中梁高3.8 m,梁高曲線采用1.5次冪拋物線;跨中底板厚度0.3 m,根部底板厚度1.2 m,采用1.5次冪拋物線;箱梁頂板厚度0.35 m;箱梁采用直腹板,腹板厚度0.5,0.6 m;0號塊長10 m,懸臂澆筑段梁段劃分為8×3 m+5×4 m+5×5 m,最大懸臂長度接近79 m,最大塊件重量182 t;箱梁采用三向全預應力結構,縱向預應力采用大噸位群錨體系,橫向預應力采用扁錨群錨體系,豎向預應力采用精軋螺紋粗鋼筋錨固體系.

主橋下部采用鋼筋混凝土薄壁空心墩,橋墩截面外形為10.65×7 m不等邊長的六邊形截面,面向迎水側三角部分兼有破冰棱和防撞作用,并外包鋼板防護,橋墩薄壁厚度0.7 m.左右幅橋采用一個承臺基礎,平面采用32.5 m×12 m不等邊長的六邊形截面,兩側三角部分兼有破冰棱和防撞作用,承臺厚度為4 m,采用22根直徑1.8 m鉆孔樁基礎,樁長90 m,樁基礎均按摩擦樁設計.見圖2所示.

圖2 主橋橫向及破冰棱結構布置圖(單位：cm)

2 數值仿真模型

2.1 T構樁-墩-梁結構模擬

采用空間梁單元對包樹黃河特大橋主橋建立三維有限元數值模型,該橋變截面主梁采用符合Timoshenko梁理論的兩節點梁單元,較好地模擬外荷載作用下主梁的剪切變形和翹曲變形.本橋23#中墩為制動墩,采用KZQZ37500-GD型抗震支座;20,21,22,24,25,26#墩墩頂均采用LQZ37500型普通滑動支座,并附加設置2 100 kN FLUID VICOUS DAMPER抗震阻尼器.19,27#過渡墩墩頂采用LQZ4000-SX型普通雙向滑動支座.

考慮到本橋22號墩采用了2 100 kN FLUID VICOUS DAMPER抗振阻尼器,建立了粘彈性消能器Maxwell模型,各參數取值如下：消能器阻尼;參考速度;阻尼指數s=0.5;連接彈簧剛度取為極大值(無限剛);有效阻尼為2 500 kN.樁身柔度和樁周圍土進行模型簡化處理,將樁-地基體系按土層厚度離散成一個理想化的參數系統,用彈簧和阻尼器模擬土介質的動力性質,形成一個地下部分的多質點體系,然后和上部結構近質點體系聯合建立整體耦聯的動力微分方程組進行求解.假設土介質為線彈性的連續介質;等代土彈簧的剛度由土介質的m值計算.

圖3 主橋22號墩最大雙懸臂數值模型

2.2 流冰荷載

目前我國對冰荷載及其產生的外力計算問題,對不同地區尚缺乏一些具體的規定[3].對收集黃河封冰資料的研究,了解到本河段平均封凍日期為11月中下旬,平均解凍日期為4月上中旬.包頭市水文大隊在黃河岸邊設有冰情研究所,斷面位于本橋下游500 m處,成立于1981年,控制集水面積為355 961 km2,流凌一般開始于11月底或12月初,開河于3月中下旬,最大冰厚1.02 m,(1965年和1966年).一般情況下,開河期間冰塊流速在2 m/s以上,開河時最大流冰塊為3 m ×5 m,其速度在3.5 m/s以下.最大流冰塊為“冰滑塊”.1983年以來最大冰凌流量為3 000 m3/s,發生于1989年9月21日,頻率為7%.

通過對內蒙古黃河地區流凌期間最高、最低流冰水位、流冰厚度、有效冰厚度、流冰強度以及溫度等相關因素的實際調查統計分析,提出了適應于該地區的豎直墩流冰撞擊荷載計算公式為

根據包樹黃河特大橋施工圖設計及橋位處實測流冰調查資料[4],最大懸臂狀態冰排最大流速、冰排厚H=0.8 m、冰排面積A= 10 004 m2、局部擠壓系數I=1.414、單軸抗壓極限強度形狀系數m=1、接觸條件系數K=0.8、內蒙古包頭市地處北緯40.6°,故地區系數Kn=2.0.根據該公式得到的冰荷載公式計算得6 732.437 kN.該冰荷載的作用位置在黃河特大橋的最高設計流冰水位處.

2.3 冰凌洪水荷載

本橋位處于中高緯度地區內,黃河由較低緯度地區流向較高緯度地區(河段),在冬春季節因上下游封凍期的差異或解凍期差異,可能形成冰塞或冰壩而引起.冰凌洪水是由大量冰凌阻塞,形成冰雪或冰壩,使上游水位顯著壅高.當冰雪融化,冰壩突然破壞時,河槽蓄水量下泄,形成流凌洪水.冰凌洪水往往造成嚴重災害.

根據橋位處實測水流速度、水流形態、水溫以及河道河槽實際狀況,結合本橋橋墩實際破冰棱體結構形態,擬合出該橋22號墩冰凌洪水壓力公式為[5-6]

式中：R為橋梁對水的阻力,即洪水對橋梁的水平作用力的反作用力;Δ h為橋梁結構阻水造成的壅水高度;γ為流水容重分別為考慮泥沙影響的修正系數,考慮河床縱坡影響的修正系數,考慮河槽邊坡影響的修正系數,考慮洪水頻率的修正系數,考慮洪水流向的修正系數和橋墩形狀修正系數.

據式(2)可計算得到包樹黃河特大橋單墩承受的流凌洪水荷載為：327.48 kN.

2.4 風荷載

考慮到最大懸臂狀態期,墩梁及臨時固結結構的橫向剛度為經受最大考驗,故計算風荷載僅分析橫向作用效應.另考慮到本橋橋墩較矮,亦忽略其受風影響.根據《公路橋涵設計通用規范(JTG D60-2004)》進行橋位處各受風單元承受的橫向風荷載.

根據包樹黃河特大橋施工圖設計及現場實測數據,確定各系數取值.由規范附表1查得百年一遇包頭市基本風壓為;橋梁所在地區的設計基本風速(m/s)本橋取v10=33 m/s;迎風面積按各箱梁截面尺寸分別計算進而獲得各受風單元風荷載標準值[7].

2.5 荷載工況

大跨度連續梁施工階段在最大懸臂主梁處和墩梁固結根部處對橫向作用較為敏感,如流凌期的流冰沖擊、流凌洪水及橫向風荷載等.因此正確而準確地評價最大懸臂狀態主橋橫向安全穩定性極為重要;同時對于主梁的實時應力和線形的監控也是保證過冬后與相鄰T構平順合龍的關鍵.根據實際情況,選取以下荷載組合作為驗算工況：組合I：恒載+風荷載;組合II：恒載+風荷載+洪水荷載;組合III：恒載+風荷載+洪水荷載+冰荷載.

3 結果分析

3.1 位移效應

在各荷載組合作用下,主橋安全性監控工作主要驗算的關鍵部位如表1、表2所列,即為主梁根部截面(懸澆1號塊端部)、橋墩墩頂和承臺頂.由表1分析可知,首先考慮的重要橫向荷載是風荷載,其影響度大約占組合III的69%.在考慮洪水荷載的組合II與未考慮洪水荷載的組合I相比,洪水荷載產生的各關鍵截面的橫向位移相對較小,主梁增量均為0.1 mm,橋墩頂和承臺頂分別為1.72 mm和0.05 mm.比較組合II和組合III可知,冰荷載的沖擊作用對主梁橫向位移較大[8].圖4顯示了各組合工況下,最大懸臂的一側橫向位移變化情況,表明懸臂主梁各節段橫向位移的差異和發展情況,同時也說明各工況下主梁各節段位移變化的平順性.

表1 各工況關鍵部位橫向位移狀態 mm

圖4 各工況主梁懸臂節點橫向位移變化情況

表2 各工況關鍵部位內力狀態

3.2 內力效應

由表2可看出,在主梁各控制關鍵部位中,風荷載對根部截面的影響最大,而洪水荷載和冰荷載的響應相對較小.由此可以得到主梁混凝土橫向應力水平主要受風荷載控制.由于冰荷載和洪水荷載作用于橋墩設計最高水位處,因此二者對橋墩截面的沖擊效應較為明顯,其中尤以冰荷載的響應為大.

4 結 論

1)大跨徑梁橋在最大懸臂狀態經過流凌期間,流冰對空心帶破冰棱體結構橋墩位移及內力響應較小,同時T型結構的內力及線形均滿足施工監測監控的精度要求,具有足夠的安全儲備.

2)通過對橋墩破冰棱體結構的數值模擬,并與實測流冰荷載數據的比較,表明矩形實體橋墩附加三角形破冰體結構可有效抵抗流冰的沖擊破壞.

3)黃河流凌期,在各荷載工況下,最大懸臂狀態箱梁橫向位移較橋墩和承臺影響大,因此期間除了對T構進行必要縱向線性監測外,還應進行必要的橫向軸線偏位監測.

4)黃河流凌期,特別是洪水和流冰同時沖擊作用下,也即黃河開河中后期.最大懸臂狀態箱梁根部及橋墩墩底橫向彎矩較大,因此應加強對臨時固結措施監控,確保墩梁整體剛度足以抵抗橫向和縱向的不平衡彎矩效應.

[1]胡 虎.大跨徑連續梁橋大懸臂施工階段靜風荷載與靜風穩定性分析[J].中外公路,2007,27(6)：97-99.

[2]鄒 虎,羅小峰,劉海彬.涇河特大橋考慮風荷載影響的最大懸臂狀態穩定性分析[J].公路,2010(2)：14-17.

[3]中華人民共和國交通.JTG D60-2004公路橋涵設計通用規范[S].北京：人民交通出版社,2004.

[4]中交公路規劃設計院.西部開發省際通道包樹黃河特大橋施工設計[R].北京：中交公路規劃設計院, 2010.

[5]陳政清.橋梁風工程[M].北京：人民交通出版社, 2005.

[6]陳艾榮,項海帆.懸臂施工中的剛構橋梁鳳荷載計算方法[J].公路,1998(3)：22-26.

[7]內蒙古自治區水利水電勘測設計院.西部開發省際通道包頭至樹林召公路黃河特大橋防洪評價報告SC2005-99-(H)-33/3[R].呼和浩特：內蒙古自治區水利水電勘測設計院,2010.

[8]郭俊峰.凌汛期大跨徑橋梁的安全性評價[D].武漢：武漢理工大學交通學院,2008.