橋梁水上鋼棧橋、鋼平臺設計及有限元仿真分析

耿嘉慶

(1.廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530001；2.南寧市筑路技術與筑路材料工程技術研究中心，廣西 南寧 530001)

0 引言

隨著我國國民經濟的發展，跨越大江大河的橋梁也越來越多，而橋梁深水基礎施工是橋梁施工的難題和關鍵[1]。由于水上鋼平臺具有施工方便、材料可周轉、安全適用等特點，已廣泛應用于各類橋梁深水基礎的施工作業中。橋梁水上鋼棧橋及鋼平臺主要承受重型運輸車輛的移動荷載、起吊吊裝荷載、風荷載、動水壓力荷載的作用。在綜合考慮施工作業需求和施工成本的前提下進行鋼棧橋及鋼平臺的結構設計，并驗算鋼棧橋及鋼平臺在不同荷載組合下的強度、剛度及穩定性具有重要的意義。

1 工程概況

某特大橋位于廣西南寧市橫縣，全長940 m，橋面寬13 m。該橋采用波形鋼腹板預應力連續剛構橋結構，跨徑布置為5×30 m+100 m+2×185 m+100 m+7×30 m。其中主橋結構形式為波形鋼腹板預應力連續剛構，長570 m，孔徑分布為100 m+2×185 m+100 m；北岸側引橋為5×30 m預應力混凝土(后張)簡支變連續T梁；南岸側引橋為7×30 m預應力混凝土(后張)簡支變連續T梁。

橋位區地表水主要為郁江，橋梁區河段屬西津庫區，最大水深約為11 m，江面寬約590 m。橋址區常水位為60.68 m，十年一遇最高水位為61.96 m。依據河床地質勘察資料和歷年水文資料，并結合實際工程需要，確定鋼棧橋及鋼平臺的頂面標高為67.17 m。

2 鋼棧橋及鋼平臺結構設計

2.1 鋼棧橋結構設計

在鋼棧橋順橋向跨徑的選擇上，結合其他工程項目的類似應用案例，依據貝雷梁受力特點與強度和剛度的最優組合，貝雷梁棧橋多采用12 m跨設計[2]。綜合本項目鋼棧橋施工和使用期間的荷載組合以及工況考慮，確定本鋼棧橋順橋向標準節段的跨徑為12 m。

鋼棧橋橋面寬6 m，棧橋的結構布置從上至下分別為10 mm厚花紋鋼板、間距為300 mm的I16a的工字鋼分配梁、貝雷片、貝雷片花架、雙拼I40a工字鋼枕梁、φ630×10 mm鋼管樁、C20a鋼管樁斜撐。其中，鋼棧橋標準斷面橫斷面布置7片貝雷梁，鋼管樁均采用板凳樁的形式，即利用多根C20a槽鋼將相鄰的四根鋼管樁連成一個整體。鋼棧橋標準斷面的橫斷面圖如圖1所示。

2.2 鋼平臺結構設計

本橋共有3個主墩位于水中，且除樁長不同之外，其他結構形式均相同。擬利用鋼平臺進行橋梁下構樁基、承臺及墩柱施工，故三個鋼平臺的設計形式相同。

在鋼平臺的設計過程中，因鋼平臺需要既能滿足橋梁下構施工過程中各施工階段對鋼平臺空間尺寸的要求，還要滿足橋梁下構施工中不同工況下受力的合理性，并且要綜合考慮施工成本。

為滿足不同施工階段鋼平臺空間尺寸的要求，對應每個主墩的6根2.8 m的樁基施工，需在鋼平臺預留樁基施工孔洞。而在樁基施工完成后，下放承臺鋼套箱之前，需拆除已搭設鋼平臺的一部分以預留鋼套箱下放的空間。綜合考慮施工成本，為避免在樁基施工完成后，拆除已搭設鋼平臺的一部分后再進行二次搭設，經設計優化，本鋼平臺可以通過鋼平臺各構件的合理布置來實現避免二次搭設鋼平臺，即在樁基施工完成后，只需要拆除一部分鋼平臺就可進行承臺鋼套箱施工。

圖1 鋼棧橋標準斷面橫斷面圖(mm)

鋼平臺各構件的鋼材型號與鋼棧橋相同，鋼平臺的平面圖如圖2所示，正立面圖如圖3所示。在樁基施工完成后，拆除一部分鋼平臺后用于承臺鋼套箱下放的鋼平臺平面圖如圖4所示。

圖2 鋼平臺平面圖(mm)

圖3 鋼平臺正立面圖(mm)

圖4 鋼平臺拆除部分后平面圖(mm)

3 鋼棧橋及鋼平臺計算分析

3.1 鋼棧橋計算分析

3.1.1 建立模型

本鋼棧橋以標準節段3 m+12 m+3 m+12 m利用Midas Civil軟件進行計算分析，采用空間桁架單元模擬貝雷片的橫向支撐架及水平支撐架，利用空間梁單元模擬其他型鋼構件，鋼面板采用4節點板單元模擬，鋼管樁深入河床部分設置節點彈性連接，并在鋼管樁底部設置固接。鋼棧橋標準節段模型如下頁圖5所示。

圖5 鋼棧橋標準節段模型示意圖

3.1.2 施工荷載工況

施工過程中，作用于鋼棧橋的荷載包括鋼棧橋結構自重、混凝土車或履帶吊車移動荷載、人群荷載、風荷載以及流水壓力荷載。其中，混凝土車重量為35 t，履帶吊車為50 t。

工況1：1.2×結構自重+1.4×混凝土車移動荷載+1.4×人群荷載+1.4×風荷載+1.4×動水壓力荷載，混凝土車行走在鋼棧橋橋面靠左側。

工況2：1.2×結構自重+1.4×混凝土車移動荷載+1.4×人群荷載+1.4×風荷載+1.4×動水壓力荷載，混凝土車行走在鋼棧橋橋面正中間。

工況3：1.2×結構自重+1.4×混凝土車移動荷載+1.4×人群荷載+1.4×風荷載+1.4×動水壓力荷載，混凝土車行走在鋼棧橋橋面靠右側。

工況4：1.2×結構自重+1.4×履帶吊車移動荷載+1.4×人群荷載+1.4×風荷載+1.4×動水壓力荷載，履帶吊車行走在鋼棧橋橋面靠右側。

3.1.3 計算結果

(1)鋼棧橋構件應力和位移(見表1、表2)

表1 各荷載工況下鋼棧橋構件最大應力計算結果表

從表1可以看出，在不同工況下，鋼棧橋貝雷片組件的最大壓應力為243.2 MPa，最大拉應力為142.8 MPa，均小于貝雷片鋼材強度的設計值305 MPa；鋼棧橋其他型鋼構件的最大壓應力為156.6 MPa，最大拉應力為76.3 MPa，均小于其他型鋼構件的強度設計值215 MPa。鋼棧橋所有構件的應力均小于鋼材強度的設計值，滿足要求。

表2 各荷載工況下鋼棧橋整體最大位移計算結果表(mm)

從表2可以看出，鋼棧橋在不同荷載組合的作用下，變形以豎向位移為主。鋼棧橋在最不利荷載工況作用下的最大位移為9.26 mm，并且對應貝雷片跨中處附近，最大位移處的容許位移[δ]=12 000/400=30 mm。最大位移小于容許值，鋼棧橋剛度滿足要求。

3.1.4 鋼棧橋穩定性分析

鋼棧橋在滿足強度驗算和剛度驗算的前提下還需進行穩定性分析。考慮到鋼棧橋下部結構的鋼管樁，利用C20a剪刀撐連成一個整體的板凳樁，可利用Midas Civil軟件對一組板凳樁在最不利荷載下進行屈曲穩定性分析。

其中，對應四種工況，鋼管樁底部承受最大反力的工況為工況4，此時鋼管樁底部承受的最大反力為36.4 t。出于安全考慮，可理解為在最不利工況下，每根鋼管樁頂部承受由棧橋上部結構施加的豎向荷載為36.4 t。將鋼棧橋的下部結構中的一組板凳樁單獨取出，進行穩定性分析：

荷載組合=1.2×恒荷載+1.4×活荷載；

恒荷載=結構自重；

活荷載=鋼棧橋上部結構對鋼管樁施加的豎向力+風壓力+水流壓力。

鋼棧橋下部結構屈曲穩定性驗算結果如圖6所示。

由驗算結果可知，在荷載組合的作用下，鋼棧橋下部結構的屈曲穩定性系數為5.308，>4，因此鋼棧橋的穩定性滿足要求。

3.2 鋼平臺計算分析

3.2.1 建立模型

本鋼平臺以實際尺寸1∶1利用Midas Civil軟件建立模型并進行計算分析，各構件的模擬單元及邊界條件與鋼棧橋模型基本相同。鋼平臺模型如圖7所示。

圖6 鋼棧橋下部結構屈曲穩定性分析云圖

圖7 鋼平臺模型示意圖

3.2.2 施工荷載工況

施工過程中，作用于鋼平臺的荷載包括鋼平臺結構自重、混凝土車或履帶吊車移動荷載、汽車吊裝作業荷載、人群荷載、風荷載以及流水壓力荷載。其中，混凝土車重量為35 t，履帶吊車為50 t履帶吊車。在鋼平臺上各類吊裝作業過程中，包括吊裝鋼筋籠、吊裝首節鋼護筒、吊裝單節鋼套箱等。經驗算，最大吊裝荷載為利用50 t履帶吊吊裝鋼護筒，其中首節鋼護筒的最大重量為24.6 t。

工況1：1.2×結構自重+1.4×混凝土車移動荷載+1.4×人群荷載+1.4×風荷載+1.4×動水壓力荷載，混凝土車行走在鋼平臺外邊線處。

工況2：1.2×結構自重+1.4×混凝土車移動荷載+1.4×人群荷載+1.4×風荷載+1.4×動水壓力荷載，混凝土車行走在鋼平臺孔口邊緣處。

工況3：1.2×結構自重+1.4×混凝土車移動荷載+1.4×人群荷載+1.4×風荷載+1.4×動水壓力荷載，混凝土車行走在鋼平臺孔口與外邊線中間。

工況4：1.2×結構自重+1.4×履帶吊車移動荷載+1.4×人群荷載+1.4×風荷載+1.4×動水壓力荷載，履帶吊車行走在鋼平臺外邊線處。

工況5：1.2×結構自重+1.4×履帶吊車移動荷載+1.4×人群荷載+1.4×風荷載+1.4×動水壓力荷載，履帶吊車行走在鋼平臺孔口邊緣處。

工況6：1.2×結構自重+1.4×履帶吊車移動荷載+1.4×人群荷載+1.4×風荷載+1.4×動水壓力荷載，履帶吊車行走在鋼平臺孔口與外邊線中間。

工況7：1.2×結構自重+1.4×履帶吊車移動荷載+1.4×人群荷載+1.4×風荷載+1.4×動水壓力荷載+1.4×履帶吊車吊裝荷載。

3.2.3 計算結果

(1)鋼平臺各構件應力和位移(見表3、表4)

表3 各荷載工況下鋼平臺構件最大應力計算結果表

從表3可以看出，在不同工況下，鋼平臺貝雷片組件的最大壓應力為227.1 MPa，最大拉應力為151.9 MPa，均小于貝雷片鋼材強度的設計值305 MPa；鋼平臺其他型鋼構件的最大壓應力為74.3 MPa，最大拉應力為73.6 MPa，均小于其他型鋼構件的強度設計值215 MPa。鋼平臺所有構件的應力均小于鋼材強度的設計值，滿足要求。

表4 各荷載工況下鋼棧橋整體最大位移計算結果表(mm)

從表4可以看出，鋼平臺在不同荷載組合的作用下，變形以豎向位移為主。鋼平臺在最不利荷載工況作用下的最大位移為4.83 mm，且對應貝雷片跨中處附近，最大位移處的容許位移[δ]=6 000/400=15 mm，最大位移小于容許值，鋼平臺剛度滿足要求。

3.2.4 鋼平臺穩定性說明

相較于鋼棧橋，鋼平臺為群樁基礎，且鋼平臺中鋼管樁布置的密度小于鋼棧橋鋼管樁布置的密度，結合現有施工經驗，故此不再進行鋼平臺的穩定性分析。

4 結語

深水橋梁施工鋼棧橋及鋼平臺屬于大型臨時結構物，鋼棧橋、鋼平臺的強度、剛度和穩定性將直接關系到現場施工的安全。本文結合實體工程方案設計，在滿足施工需求及成本控制的前提下，對鋼棧橋、鋼平臺進行了合理的結構設計，并利用有限元軟件Midas Civil對鋼棧橋、鋼平臺在不同工況下進行了仿真分析。從計算結果可以看出，鋼棧橋、鋼平臺的強度、剛度及穩定性均能滿足規范要求。