京哈高速公路拉林河特大橋鋼棧橋設(shè)計(jì)

石春龍

（中國(guó)市政工程?hào)|北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 長(zhǎng)春市 130021）

1 項(xiàng)目背景

項(xiàng)目為京哈高速拉林河（吉黑省界）至哈爾濱段改擴(kuò)建工程（高速公路），既有拉林河大橋橋跨組合為：7×35m+8×35m，橋梁全長(zhǎng)為531.12m，橋梁總寬為28m。改擴(kuò)建后的拉林河特大橋共37孔，每跨35m，橋跨布置為6×（3×35m）+4×35m+5×35m，全橋長(zhǎng)度1301.1m，橋梁角度為90°。橋梁寬度2×20.5m，最大橋高13m，橋梁全長(zhǎng)1303.2m，上部構(gòu)造預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)箱梁，橋墩為柱式墩，橋臺(tái)為肋板臺(tái)，基礎(chǔ)為鉆孔樁基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)水位141.43m，設(shè)計(jì)流量6410m3／s。

拉林河特大橋上部結(jié)構(gòu)采用35m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)箱梁。橋跨橫向全寬42.0m，雙向共八車道。橋面橫向布置為：2×0.5m（防撞墻）+19.0m（行車道）+1.0m（防撞欄）+1.0m（分隔帶），兩幅橋?qū)ΨQ布置，橋面橫坡采用雙向2%。既有橋梁上部結(jié)構(gòu)全部拆除，新建引橋上部。原有橋梁下部結(jié)構(gòu)以利用為原則，16#、36#橋墩，37#橋臺(tái)為新建，其余墩臺(tái)均完全利用。利用橋墩先鑿除原有下部蓋梁部分，墩身接高后新建整體式橋墩蓋梁，實(shí)現(xiàn)新、舊墩臺(tái)下部的連接。

鋼棧橋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)跨度為12m，寬8m，采用樁柱式貝雷梁支承體系，右幅鋼棧橋跨度分布為3×（7×12m）m，左幅鋼棧橋跨度分布為7×12m+7×12m+6×12m。橋墩處采用鋼管樁樁基，每排鋼管之間的橫向距離為2.8m，鋼管樁直徑為800mm、厚度為10mm，鋼管間設(shè)置［22a的槽鋼剪刀撐和Φ300×6mm的鋼管平聯(lián)，樁頂橫梁為雙拼HN450×200工字鋼，貝雷梁采用雙排單層體系，其上的橫向分配梁為工20b工字鋼，橋面鋼板厚度為12mm。標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1所示。

2 計(jì)算模型

采用MIDAS／CIVIL軟件，建立一聯(lián)7×12m的計(jì)算模型，節(jié)點(diǎn)共8073個(gè)，單元共14332個(gè)，其中橋面板采用板單元，其余均采用梁?jiǎn)卧?。貝雷梁材料型?hào)為Q345，其余鋼材為Q235［1］。空間有限元模型如圖2所示。

3 計(jì)算荷載

（1）恒荷載

自重荷載MIDAS／CIVIL軟件可以根據(jù)構(gòu)件的實(shí)際重量自動(dòng)添加，自重按照恒荷載工況添加后和其他荷載組合計(jì)算。

（2）移動(dòng)荷載

根據(jù)施工需要，棧橋除通行人員、運(yùn)輸小型機(jī)具材料的一般車輛外，還需通行80t履帶吊機(jī)、12m3水泥罐車和360型旋挖鉆機(jī)。模型通過(guò)影響面加載，自動(dòng)確定最不利受力狀態(tài)。

（3）溫度荷載

按整體升溫20℃，降溫40℃考慮。

（4）流水壓力荷載

取水流的設(shè)計(jì)流速為3m／s，由公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范（JTG D60-2015）4.3.9條規(guī)定，可得流水壓力標(biāo)準(zhǔn)值為4.2kN／m。

（5）風(fēng)荷載

施工區(qū)域工作風(fēng)速V10＝24.1m／s，棧橋橫向風(fēng)壓Fwh＝0.65kN／m，縱向風(fēng)壓取橫橋向的40%。一聯(lián)上部結(jié)構(gòu)橫橋向承受的風(fēng)荷載為54.6kN，平均分?jǐn)偟?根鋼管樁頂，每根鋼管樁頂為7.8kN，縱向風(fēng)壓取橫橋向的40%。

4 荷載組合

考慮80t履帶吊機(jī)和旋挖鉆機(jī)不可能同時(shí)作業(yè)，而旋挖鉆機(jī)重量比履帶吊機(jī)大，故兩者僅考慮旋挖鉆機(jī)作用。

（1）工況1：旋挖鉆偏載行走在棧橋上

1.2×自重+1.4×旋挖鉆機(jī)+0.75×1.4流水壓力+0.75×1.1風(fēng)荷載+0.75×1.4溫升（或溫降）

（2）工況2：考慮12m3混凝土罐車滿載與空載錯(cuò)車狀態(tài)

1.2×自重+1.4×罐車滿載+1.4罐車空載+0.75×1.4流水壓力+0.75×1.1風(fēng)荷載+0.75×1.4溫升（或溫降）

（3）工況3：僅考慮橫橋向最不利荷載作用，流水壓力和風(fēng)荷載取同向，旋挖鉆機(jī)考慮橫橋向的扭力

1.0×自重+1.0×旋挖鉆機(jī)橫向扭力+1.4×流水壓力+1.4×風(fēng)荷載

工況1和工況2驗(yàn)算整體強(qiáng)度和剛度，工況3驗(yàn)算鋼管樁橫向抗傾覆穩(wěn)定性。

5 鋼棧橋結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

5.1 強(qiáng)度計(jì)算分析

通過(guò)計(jì)算，工況2作用下的鋼棧橋各部件強(qiáng)度效應(yīng)值最大。

（1）貝雷梁強(qiáng)度

由圖3和圖4可知：工況2作用下，貝雷梁最大正應(yīng)力為270MPa，小于強(qiáng)度設(shè)計(jì)值275MPa；最大剪應(yīng)力為157MPa，小于抗剪設(shè)計(jì)值160MPa；綜上所述，貝雷梁強(qiáng)度滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

（2）工20b橫向分配梁強(qiáng)度

由圖5和圖6可知：工況2作用下，工20b橫向分配梁最大正應(yīng)力為89.5MPa，小于抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值190MPa；最大剪應(yīng)力為24.2MPa，小于抗剪設(shè)計(jì)值110MPa；綜上所述，工20b橫向分配梁強(qiáng)度滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

（3）樁頂雙拼HN450×200橫向分配梁強(qiáng)度

由圖7、圖8可知：工況2作用下，樁頂雙拼HN450×200橫向分配梁最大正應(yīng)力為46.4MPa，小于抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值190MPa；最大剪應(yīng)力為55.6MPa，小于抗剪設(shè)計(jì)值110MPa；綜上所述，樁頂雙拼HN450×200橫向分配梁強(qiáng)度滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

（4）貝雷片剪刀撐強(qiáng)度

由圖9可知：工況2作用下，貝雷片剪刀撐最大正應(yīng)力為102.2MPa，小于強(qiáng)度設(shè)計(jì)值190MPa；故貝雷片剪刀撐強(qiáng)度滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

（5）橋面板強(qiáng)度

由圖10可知：工況2作用下，橋面板最大正應(yīng)力為60.1MPa，小于強(qiáng)度設(shè)計(jì)值190MPa；故橋面板強(qiáng)度滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

（6）鋼管樁強(qiáng)度

由圖11可知：工況2作用下，鋼管樁最大正應(yīng)力為16.7MPa，小于強(qiáng)度設(shè)計(jì)值190MPa；故鋼管樁強(qiáng)度滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

（7）樁間［22a槽鋼剪刀撐強(qiáng)度

由圖12可知：工況2作用下，樁間［22a槽鋼剪刀撐最大正應(yīng)力為10.2MPa，小于強(qiáng)度設(shè)計(jì)值190MPa；故樁間［22a槽鋼剪刀撐強(qiáng)度滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

5.2 鋼棧橋剛度計(jì)算分析

通過(guò)計(jì)算，工況2作用下，鋼棧橋豎向位移最大。

由圖13可知：工況2作用下，貝雷梁最大位移為18.1mm，小于規(guī)范規(guī)定的24mm（L／500，對(duì)應(yīng)L＝12m），故剛度滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

5.3 鋼管樁柱式鋼棧橋穩(wěn)定性分析

由于貝雷梁結(jié)構(gòu)之間采用花架和剪刀撐等構(gòu)件

進(jìn)行連接，穩(wěn)定性得到滿足，故貝雷梁可以不進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，棧橋穩(wěn)定性分析主要在于鋼管排架柱。

旋挖鉆機(jī)移動(dòng)荷載工況下，鋼管立柱支承梁節(jié)點(diǎn)反力如圖14所示；混凝土罐車滿載移動(dòng)荷載工況下，鋼管立柱支承梁節(jié)點(diǎn)反力如圖15所示。

將旋挖鉆機(jī)工況和混凝土罐車工況下得到的鋼管排架柱支承梁節(jié)點(diǎn)反力作為可變荷載，對(duì)鋼管排架柱進(jìn)行屈曲分析驗(yàn)算整體穩(wěn)定。兩種工況下的失穩(wěn)模態(tài)如圖16和圖17所示。

由圖16和圖17可知：旋挖鉆機(jī)工況下的鋼管排架柱一階失穩(wěn)臨界荷載系數(shù)為22.2；混凝土罐車工況下的鋼管排架柱一階失穩(wěn)臨界荷載系數(shù)為23.6；故鋼棧橋結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性符合規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

5.4 鋼棧橋橫向抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

工況3主要針對(duì)無(wú)車輛通行時(shí)的鋼棧橋橫向傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算，關(guān)心的是鋼管樁的支點(diǎn)反力。在充分考慮風(fēng)荷載和流水壓力等橫向荷載的作用下，經(jīng)計(jì)算，鋼管樁均為正反力，不存在負(fù)反力，證明鋼棧橋的橫向抗傾覆是完全能夠保證的。

6 鋼管樁設(shè)計(jì)

6.1 鋼管樁單樁承載力計(jì)算

鋼管樁單樁承載力由鋼棧橋樁底反力乘相應(yīng)的提高系數(shù)確定，工況1作用下，最大樁端反力為661.6kN；工況2作用下，最大樁端反力為576.7kN，提高系數(shù)取1.1，則要求單樁最大承載力為1.1×661.6kN＝727.8kN。

6.2 鋼管樁長(zhǎng)度計(jì)算

鋼管樁理論長(zhǎng)度按《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D63-2007第5.3.3-3條

結(jié)合地質(zhì)資料計(jì)算確定，粗砂qik＝70kPa，qrk＝280kPa，實(shí)際樁長(zhǎng)按錘擊荷載現(xiàn)場(chǎng)確定。

計(jì)算樁長(zhǎng)（不含立柱長(zhǎng)度，從最低沖刷線算起），樁埋入粗砂長(zhǎng)7.5m，［Ra］＝0.5×（1.0×π×0.8×7.5×70+1.0×0.503×280）＝730.1kN。故樁長(zhǎng)滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié)論

（1）工況2作用下，鋼棧橋各部件強(qiáng)度效應(yīng)值最大。其中貝雷梁最大正應(yīng)力為270MPa，最大剪應(yīng)力為157MPa；工20b橫向分配梁最大正應(yīng)力為89.5MPa，最大剪應(yīng)力為24.2MPa；樁頂雙拼HN450×200橫向分配梁最大正應(yīng)力為46.4MPa，最大剪應(yīng)力為55.6MPa；橋面板最大正應(yīng)力為60.1MPa；鋼管樁最大正應(yīng)力為16.7MPa；以上部件均滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

（2）工況2作用下，鋼棧橋豎向位移最大。最大位移為18.1mm，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

（3）旋挖鉆機(jī)工況和混凝土罐車工況下的鋼管排架柱一階失穩(wěn)臨界荷載系數(shù)分別為22.2和23.6，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。無(wú)車輛通行時(shí)，考慮風(fēng)荷載和流水壓力等橫向荷載下，鋼棧橋橫向抗傾覆穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。

（4）鋼管樁單樁承載力和鋼管樁長(zhǎng)度計(jì)算均滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。