跨海施工棧橋穩(wěn)定性研究

摘 要：該文結合某特大橋施工棧橋工程實例，建立施工棧橋計算模型，以靜力分析為基礎，運用有限元分析軟件Midas/civil分別對各設計狀態(tài)的棧橋結構進行屈曲分析，從整體穩(wěn)定的角度保證了棧橋結構的安全。

關鍵詞：棧橋 設計方法 工作狀態(tài) 穩(wěn)定性

中圖分類號：TU74文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2013）05（a）-0108-05

1 概述

在近海或江河進行橋梁下部結構施工時，一般會面臨潮位變化大、水流急、浪高等不利因素的影響，施工過程中的水上運輸比較困難。在這種情況下，架設臨時棧橋可以有效地解決上述問題。臨時棧橋可作為施工中的運輸通道，也可作為下部結構的施工平臺，使水上施工變成路上施工，保證了在惡劣環(huán)境下施工的正常進行，大大縮短了施工工期，所以臨時棧橋在橋梁施工工程中得到了廣泛地應用。

1.1 棧橋應用和研究現(xiàn)狀

由于要保證施工過程中的水上運輸?shù)恼＿M行，所以臨時棧橋通常具有一些比較特殊的服務功能。一般來講，臨時棧橋應具有承載能力大、施工快捷、拆除方便、臨時性及可重復利用等特點。

從理論上來講，棧橋的上部結構形式并無特殊要求，但為了滿足施工快捷及拆除方便的需要，通長采用便于拼裝和拆除的結構形式，如桁架梁、鋼箱梁等。與上部結構相似，棧橋的下部結構也要考慮施工與拆除的方便，從而普遍采用鋼管樁基礎或預應力混凝土管樁基礎等。

一般情況下臨時棧橋的施工環(huán)境比較惡劣，棧橋施工受周圍環(huán)境的影響也比較大。特別是對于跨海臨時棧橋，受風、浪、流等環(huán)境荷載復雜的作用，計算參數(shù)較多，在棧橋設計和施工中應盡量全面考慮。

目前我國修建了多種形式的臨時棧橋，并且隨著更多跨海、跨江大橋的修建，今后的橋梁施工將更多地采用臨時施工棧橋。另一方面，國內外對臨時棧橋工程很少有比較系統(tǒng)研究，現(xiàn)有的參考文獻也多為針對某具體工程的介紹。為促進臨時施工棧橋工程的發(fā)展，使棧橋的設計和施工更加科學合理化，有必要對臨時棧橋的設計和施工進行系統(tǒng)地研究。

1.2 工程背景

1.2.1 工程概況

此特大橋是跨海大橋，全長2436.3 m。 下部有墩臺75座，樁基594根，均為Ф1.25 m鉆孔灌注樁基礎，群樁式承臺，圓端式橋墩，矩形空心橋臺。上部均為32.6 m預應力鋼筋混凝土簡支箱梁。

全橋范圍內大部分位于海灣、海灘和養(yǎng)殖場內，小部分在山坡邊緣；橋址范圍基巖均為強、弱風化花崗巖。兩岸覆蓋層為素填土、粉質粘性土，灘涂部分為流塑淤泥、中密飽和中砂，軟硬塑粉質粘土；橋址位于云淡門海域，水中和海灘部分的墩位每天都有一日兩潮海水往返通過，最高時潮水位在3～4 m，每月月初及月中潮水位較高，每年農歷八月中旬前后潮水位最高，最高潮水位+4.9 m。最大浪尖高度為黃海標高+9.0 m。

1.2.2 工程特點

此特大橋是一座跨海的水上大橋，該橋施工點多線長，管理難度較大。而且橋址處受潮汐影響，每日兩次漲落潮，施工范圍在漲潮時處于海水中，落潮后又位于漁民的養(yǎng)殖灘上。其施工方法既不同于完全的水上作業(yè)，也不同于陸上施工。

根據(jù)特大橋所處的地理位置和設計勘探所揭示的水文地質狀況，結合現(xiàn)有材料及施工設備，并考慮到環(huán)境保護因素，確定水中墩及基礎作業(yè)時沿橋梁邊緣設置重型棧橋作為縱向施工通道。并在沿線適當位置搭設橫向棧橋與縱向棧橋連接，樁基施工則搭設水上施工平臺，與縱向棧橋連接。

2 棧橋結構設計及計算參數(shù)的選擇

棧橋體系一般由上部結構、下部結構和橋面系三部分構成。棧橋作為臨時結構，考慮施工與拆除的方便，其上部結構多采用便于工廠化拼裝的結構形式，如桁架梁、鋼箱梁等，下部結構則普遍采用鋼管樁基礎或預應力混凝土管樁基礎。

2.1 棧橋結構的設計

結合特大橋的水文地質條件，沿橋梁前進路線右側10 m搭設通長施工棧橋一座。棧橋按折線型布置，中心線為半徑4512.31 m的左偏曲線，棧橋縱軸線基本與大云特大橋縱軸線平行。

棧橋下部樁基為橫向兩排φ80cm鋼管樁基礎，樁頂橫梁采用I32工字鋼，樁間采用[20槽鋼剪刀撐連接；縱向設兩排承重梁，每排承重梁由2片HM588×300工字鋼組焊而成；橋面橫向分布梁采用I16工字鋼，間距30 cm，橋面鋪設6 mm壓花鋼板。

棧橋按單向通行考慮，橋面寬度4.5 m，人行道設于曲線外側。橋上會車僅在棧橋會車平臺上；履帶吊機應盡量居中行，以保證棧橋的穩(wěn)定性。為抵抗車輛行駛制動力，每7～8孔設一制動墩。棧橋2#、10#、26#、42#、57#、70#墩及錯車平臺上設置固定支座以抵抗水平力，其余均為活動支座；其中0#臺、7#、14#、22#、30#、38#、45#、53#、61#、67#、72#臺均設伸縮縫，伸縮縫按4 cm設置。

棧橋主要結構圖如圖1～3所示，圖中尺寸除注明外均以mm計。

2.2 棧橋穩(wěn)定性分析

棧橋設計一般考慮三種狀態(tài)：即工作狀態(tài)、非工作狀態(tài)和災難狀態(tài)。

對于一般的結構設計而言，強度計算是一項基本要求。通過強度計算可以判斷界面的最大應力是否達到了材料的允許應力，而穩(wěn)定分析則是要找出結構內部抵抗力之間的不穩(wěn)定平衡狀態(tài)，結構達到這一狀態(tài)時，其變形便開始劇增長，結構區(qū)域破壞。而此時結構內力或許并沒有達到強度極限，所以有必要對結構進行穩(wěn)定性分析。

本文既是在棧橋強度和剛度計算基礎上，以靜力分析為基礎，運用有限元分析軟件Midas/civil分別對各設計狀態(tài)的棧橋結構進行屈曲分析，得出棧橋結果的穩(wěn)定性能，從整體穩(wěn)定的角度保證棧橋結構的安全。

2.2.1 棧橋工況組合

“工作狀態(tài)”時棧橋允許施工人員、施工車輛和機械自由通過。此時棧橋所處環(huán)境不會發(fā)生影響施工的風、雨、潮、浪等災害。“工作狀態(tài)”的棧橋承受的荷載有結構自重、混凝土罐車荷載、履帶吊荷載、對應工作狀態(tài)的風、波浪和潮流荷載。工作狀態(tài)時棧橋的風、浪、潮等自然荷載的重現(xiàn)期取5年。

“非工作狀態(tài)”時棧橋承受較大的風、潮汐和波浪荷載，此時棧橋不允許車輛通行。棧橋承受的荷有結構自重、對應非工作狀態(tài)的風、波浪和潮流荷載。非工作狀態(tài)時棧橋的風、浪、潮等自然荷載的重現(xiàn)期取10年。

“災難狀態(tài)”指棧橋可能經(jīng)受的最不利極端狀態(tài)。災難狀態(tài)棧橋承受很大的風、潮汐和波浪荷載。棧橋模型的荷載有結構自重、對應災難狀態(tài)的風、波浪和潮流荷載[18]。災難狀態(tài)時棧橋的風、浪、潮等自然荷載的重現(xiàn)期取20年。

以上3種狀態(tài)具體化為4種荷載工況，見表1。

2.2.2 工作狀態(tài)下棧橋穩(wěn)定性分析

（1）第一工況下棧橋的穩(wěn)定性計算

通過有限元軟件對工作狀態(tài)第一工況作用下棧橋的穩(wěn)定性進行分析，得到棧橋的屈曲模態(tài)和臨界荷載，如圖4～6和表2所示。

由圖4～6可知，在工作狀態(tài)第一工況下棧橋的I階失穩(wěn)模態(tài)形態(tài)為跨中內側主梁向相同方向屈曲失穩(wěn)，同一位置處外側主梁發(fā)生屈曲范圍相對較小；II階失穩(wěn)模態(tài)失穩(wěn)形態(tài)為跨中內側主梁向相反方向失穩(wěn)，同一位置處外側主梁發(fā)生屈曲范圍相對較小；III階失穩(wěn)模態(tài)與I階相似，同為跨中內側主梁向相同方向屈曲失穩(wěn)，同一位置處外側主梁發(fā)生屈曲范圍相對較小。I階模態(tài)失穩(wěn)系數(shù)為10.08，大于設計要求的棧橋穩(wěn)定性限值。

（2）第二工況下棧橋的穩(wěn)定性計算

改變棧橋的邊界條件，通過有限元軟件計算工作狀態(tài)第二工況作用下棧橋的穩(wěn)定性，得到第二工況作用下棧橋的屈曲模態(tài)和臨界荷載，如圖7～9和表3所示。

由圖7～9可知，在工作狀態(tài)第二工況下棧橋的I階失穩(wěn)模態(tài)形態(tài)為棧橋四根主梁均向一側橫向屈曲；II階失穩(wěn)模態(tài)失穩(wěn)形態(tài)與I模態(tài)相似，棧橋四根主梁向與I階模態(tài)屈曲相反一側橫向屈曲，且失穩(wěn)系數(shù)相近，為6.5～6.8。III階模態(tài)與前兩階模態(tài)屈曲形式差別較大，為跨中雙向橫向失穩(wěn)，橫向呈三角函數(shù)狀，失穩(wěn)系數(shù)為14.76，約為前兩階失穩(wěn)系數(shù)的兩倍。由表3可知，棧橋I階模態(tài)的失穩(wěn)系數(shù)為6.56，大于設計要求的棧橋穩(wěn)定性限值。

2.2.3 非工作狀態(tài)下棧橋穩(wěn)定性分析

非工作狀態(tài)下棧橋主要承受自重、風荷載和水流荷載，其中水平荷載在總荷載中占有較大比重。運用有限元軟件Midas/civil對非工作狀態(tài)下棧橋的穩(wěn)定行進行計算，得出相應的屈曲模態(tài)和臨界荷載，如表4所示。

通過分析可知，非工作狀態(tài)下棧橋的I階失穩(wěn)模態(tài)為棧橋邊跨縱梁豎向失穩(wěn)，中跨完好；II階失穩(wěn)模態(tài)與I階相似，為同一側邊跨縱向失穩(wěn)，失穩(wěn)系數(shù)近似相等。III階模態(tài)與前兩階模態(tài)相差很大，為另外一側邊跨橫向失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)為8.89 m，三階模態(tài)棧橋的中跨均完好，說明在非工作狀態(tài)下，棧橋的邊跨是結構的薄弱環(huán)節(jié)。由表4可知，棧橋I階模態(tài)的失穩(wěn)系數(shù)為7.62，大于設計要求的棧橋穩(wěn)定性限值。

2.2.4 災害狀態(tài)下棧橋穩(wěn)定性分析

災害狀態(tài)下棧橋承受罕見的風荷載和水流荷載，水平荷載相對于棧橋自重進一步擴大，橋梁發(fā)生整體失穩(wěn)的可能行增大。本文對在災害狀態(tài)的下的棧橋進行屈曲分析，得出災害狀態(tài)下棧橋的屈曲模態(tài)和臨界荷載，如表5所示。從而確定棧橋在災害狀態(tài)下的整體穩(wěn)定性能。

通過分析可知，災害狀態(tài)下棧橋的I階失穩(wěn)模態(tài)和II階模態(tài)與非工作狀態(tài)下相似，為棧橋邊跨縱梁豎向失穩(wěn)，中跨完好，穩(wěn)定系數(shù)為4.3～4.7，約為非工作狀態(tài)的1/2。III階模態(tài)與本狀態(tài)前兩階模態(tài)相差很大，與非工作狀態(tài)的III階模型也不盡相同，為中跨完好，兩側邊跨豎向失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)為4.74。災害狀態(tài)下三階模態(tài)中棧橋的垮均完好，說明災害狀態(tài)下棧橋的邊跨同樣是結構的薄弱環(huán)節(jié)。由表5可知，棧橋I階模態(tài)的失穩(wěn)系數(shù)為4.35，大于設計要求的棧橋穩(wěn)定性限值。

3 結語

（1）本文以溫福鐵路大云特大橋施工棧橋為工程背景，從概率論的角度闡述了棧橋設計標準的確定方法；提出棧橋的三種設計狀態(tài)，并給出三種設計狀態(tài)的下的六種工況組合，使棧橋設計荷載參數(shù)化。

（2）運用大型有限元軟件Midas/civil分三種設計狀態(tài)分別對棧橋進行屈曲分析，對棧橋的穩(wěn)定性能進行評價，計算結果現(xiàn)實，棧橋在三種狀態(tài)下穩(wěn)定性滿足設計要求。

（3）對于屈曲分析，彈力系數(shù)的取值對計算結果的影響較大，在屈曲分析中如何模擬桿件之間的耦合關系今后需要進一步研究。

參考文獻

[1]史聰慧.新長鐵路長江輪渡北岸棧橋基礎施工綜述陰[J].鐵道建筑技術，2000（1）.

[2]覃文元.在水位升降幅度大條件下深水公路大橋基礎施工平臺和水下錨碇的設計與定位[J]。公路交通科技，2007（6）.

[3]鐵道部第三勘測設計院.鐵路橋涵設計基本規(guī)范（TBl0002.1—2005）[s].北京：中國鐵道出版社，2005.

[4]童根樹，施祖元.非完全支撐的框架結構的穩(wěn)定性[J].土木工程學報，1998，131（4）：31-37.

[5]李玲芳，席超.橋梁建設施工平臺及棧橋驗算分析[J].交通標準化，2012（7）.