鄭州黃河特大橋主橋臨時墩結構設計研究*

黃彩萍 林 琦,2 甘書寬 翟凱凱

(1.湖北工業大學土木建筑與環境學院 武漢 430068； 2.中鐵大橋局集團第一工程有限公司 鄭州 450053)

臨時墩結構大多用于大跨度橋梁，在主橋沒有合龍之前相當于“橋墩”，用于承載塔吊、拼裝機械的安裝，以及各種施工材料與設備的重量[1-2]。臨時墩可以在橋梁頂推架設、懸臂拼裝時，減小梁的懸臂長度，改善梁的受力狀態，滿足梁體抗傾覆穩定的要求的同時不影響江河中船舶的運行[3-4]。臨時墩結構將特大型跨江海橋梁施工建設推向了一個嶄新的高度。

鄭州黃河特大橋為大跨度公鐵兩用橋梁，水文地質條件較差，主橋鋼桁梁數量多，跨數多，結構形式多樣，結構受力復雜，采用懸臂拼裝法架設時設置了若干臨時墩作為臨時支撐點進行施工，施工難度較大，沒有可借鑒的先例，且臨時墩結構的安全可靠性直接關系到整個橋梁施工過程的順利進行，對整個橋梁施工過程起著關鍵的作用[5-6]。因此本文對鄭州黃河特大橋臨時墩的設計方案和施工工藝進行研究，根據大橋受力狀態和施工方案設計臨時墩，并對臨時墩進行受力分析，對臨時墩結構的強度、剛度、穩定性進行驗算。

1 工程概況

鄭州黃河特大橋全長4 336 m，為公鐵兩用橋，主橋橋梁孔跨布置為：112 m+6×168 m+112 m連續鋼桁梁。

其中112 m+6×168 m+112 m連續鋼桁梁采用懸臂拼裝法架設，利用龍門吊吊裝鋼桁梁桿件，分別以382號墩、2個交界墩378、386號墩為架梁起點，在跨徑范圍內設置若干臨時墩作為臨時支撐點。主橋示意圖見圖1。主橋全部的臨時墩均采用分配梁+鋼管樁立柱的結構形式，鋼管樁外徑1 100 mm、壁厚14 mm。

圖1 112 m+6×168 m+112 m連續鋼桁梁

2 臨時墩結構設計及施工工藝

臨時墩由鋼管樁、墩頂分配梁組成[7]，對應節點布置，根據各臨時墩受力情況設計管樁數量，鋼管樁之間設置連接系，增加拼裝平臺剛度。臨時支墩布置示意圖見圖2。鋼管樁加工制作完成后，精確定位，利用履帶吊機配合振動打樁錘插打鋼管樁，鋼管樁插打到位后設置連接系。為防止鋼管樁插打過程中下口變形卷曲，影響插打深度，鋼管樁均采用開口樁，并在底端增加1道加強箍，以增大鋼管樁的剛度及樁端承載力。

圖2 臨時支墩布置示意圖(單位：mm)

鋼管樁安裝完成后在鋼管樁上面焊接分配梁。分配梁將節點集中力均勻分配至支架各個柱腳的結構體系。根據設計荷載的差異，分配梁設計為箱形梁及工形梁2種截面。分配梁均采用簡支結構，通過多層分配將力傳至各鋼樁上。分配梁安裝時按照設計位置放線，單根分配梁將位置調整后再安裝連接系桿件。上、下層分配梁之間設計通過螺栓連接或施焊固定，下層分配梁固定好后再安裝上層分配梁。

3 臨時墩受力分析

3.1 荷載計算

臨時墩設計荷載需考慮鋼桁梁傳遞來的壓力、自重、風力、水流沖擊力等作用，以及安全渡洪的要求。按荷載方向分類，臨時墩在鄭州黃河特大橋施工過程中主要承受豎向荷載和水平荷載[8-9]。

1) 豎向荷載。表1列出了鄭州黃河大橋主橋臨時支墩施工過程中的最大豎向荷載，臨時墩以382號墩為對稱軸鏡像布置，因此A～E與A’～E’的受力相同，臨時墩布置見圖1。

表1 臨時墩豎向荷載值 kN

2) 水平荷載。臨時墩在施工過程中承受水平荷載主要為水流力荷載(僅水中的臨時墩)、風荷載、摩擦力。

①水流力荷載。根據相關水文資料，黃河平均水流速2.0 m/s，調水調沙期間的最大水流速3.5 m/s，水流力標準值按式(1)計算。

(1)

式中：Fw為水流力標準值，kN；Cw為水流阻力系數，鋼管樁為圓形截面，取 0.73；ρ為水密度，取1.0 t/m3；v為水流設計流速，取3.5 m/s；A為計算構件在與流向垂直平面上的投影面積，臨時墩范圍內的最大水深為 4.54 m，A=4.994 m2。將以上參數代入式(1)計算可得：水流力標準值Fw=22.3 kN。

②風荷載。靜風荷載按式(2)計算。

(2)

式中：ρ為空氣密度，取1.25 kg/m3；vg為28.7 m/s ；CH為阻力系數，圓形截面取 0.6 ；An為迎風面積22 m2。將以上參數代入式(2)計算可得：風荷載FH=6.8 kN。

③摩擦力。由于鋼桁梁自重及施工荷載對臨時墩墩頂與鋼桁梁底接觸面產生摩擦力，摩擦系數取0.035。摩擦力=13 563.2 kN×0.035=474.7 kN，作用點取分配梁F1頂面。

3.2 數值計算

臨時墩A/B/C/C1/D/E/F1的結構形式相同，其中A墩所受豎向荷載最大，且為涉水臨時墩，相比較于其他臨時墩，施工安全穩定性要求最高。故采用有限元ABAQUS對臨時墩A進行受力分析。

有限元模型圖見圖3，臨時墩A上層分配梁為分配梁F1，下層分配梁為分配梁F2，對樁底固定約束。分別對4根鋼管樁、分配梁F1和分配梁F2進行受力分析。根據GB 50017-2017 《鋼結構設計規范》(以下簡稱《規范》)[10]，鋼材的強度容許值見表2，撓度容許值取l/400，l為受彎構件的跨度，懸臂結構為懸臂長度的2倍。

圖3 有限元模型圖

表2 鋼材的強度容許值

3.2.1臨時墩鋼管樁的計算

全部臨時墩鋼管樁的樁徑、壁厚、材質均相同，采用Q235B圓形鋼管，壁厚14 mm，長度為6 m。在最不利的荷載組合條件下進行計算。

1) 樁身強度計算。鋼管樁按照壓彎構件計算。豎向力荷載：F=13 563.2 kN(取A墩中桁的豎向荷載值)，4根樁承擔，豎向荷載作用于分配梁1跨中。水平荷載：流水力22.3 kN作用在分配梁2跨中，風荷載值6.8 kN作用在分配梁2跨中，摩擦力作用在分配梁F1的上表面，此工況為臨時墩受力最不利情況。

有限元計算的鋼管樁應力圖見圖4，樁身最大應力163 MPa<[σ]=170 MPa ，滿足要求。

圖4 臨時墩A鋼管樁應力圖(單位：MPa)

2) 樁身穩定性計算。根據《規范》，對樁身進行穩定性計算，得到繞X軸的穩定應力：φx=168 MPa<[σ]=170 MPa；繞Y軸的穩定應力：φy=158 MPa<[σ]=170 MPa；樁身穩定性滿足《規范》要求。

3.2.2分配梁F1受力分析

1) 強度。分配梁F1采用Q235B鋼材的焊接箱型截面，截面參數見圖5，圖中N5為加勁肋，加勁肋和腹板的厚度均為20 mm，計算所得的彎應力圖見圖6，剪應力圖見圖7。最大豎向荷載F=13 563.2 kN(取A墩中桁的豎向荷載值)，計算跨度l1為3 m，按照承受集中荷載的簡支梁計算。

圖5 分配梁F1的截面參數(單位：mm)

圖6 分配梁F1截面彎應力圖(單位：MPa)

圖7 分配梁F1截面剪應力圖(單位：MPa)

分配梁F1的強度、剛度的計算結果如下：①彎應力σ=97.7 MPa<[σ]=160 MPa；②剪應力τ=79.2 MPa<[τ]=90 MPa；③最大跨中豎向繞度f=0.31 mm

2) 整體穩定性。根據《規范》要求：箱型截面簡支梁，如果其截面尺寸滿足：h/b≤6，l1/b≤95×235/fy，其中：h為梁高；b為梁寬。

分配梁 F1：h/b=2 200 mm/1 500 mm=1.47≤6，l1/b=3 000 mm/1 500 mm=2≤95，滿足要求。

3) 局部穩定性。受壓翼緣寬厚比的要求：b0/t≤40。分配梁 F1：b0/t=750 mm/20 mm=37.5≤40，滿足要求，其中：b0=b/2=750 mm；t為鋼板的厚度，取20 mm。

《規范》對加勁肋間距要求：橫向加勁肋的最小間距為0.5h0=0.5×2 160 mm=1 080 mm，最大間距為2h0=2×2 160 mm=4 320 mm。分配梁F1橫向加勁肋的最大間距為850 mm，小于0.5h0，滿足要求。

3.2.3分配梁F2計算結果

1) 強度。分配梁F2采用3根HN900×300型鋼組焊，截面參數設置見圖8，計算所得的彎應力圖見圖9，剪應力圖見圖10。

圖8 分配梁F2的截面參數(單位：mm)

圖9 分配梁F2截面彎應力圖(單位：MPa)

圖10 分配梁F1截面剪應力圖(單位：MPa)

最大豎向荷載F=13 563.2/2=6 781.6 kN(取A墩中桁的豎向荷載值的一半)，計算跨度l1為3 m，頂底板及腹板厚30 mm，按照承受集中荷載的簡支梁計算。強度、剛度的計算結果如下。

1) 彎應力σ=120 MPa<[σ]=160 MPa；剪應力τ=71.3 MPa<[τ]=90 MPa；最大跨中豎向繞度f=0.91 mm

2) 整體穩定性。根據《規范》要求：如果其截面尺寸滿足：h/b≤6，l1/b≤95×235/fy。其整體穩定性滿足要求。分配梁F2:h/b=2 060 mm/2 090 mm=0.99≤6，l1/b=3 000 mm/2 090 mm=1.44≤95，滿足要求。

3) 局部穩定性。受壓翼緣寬厚比的要求：b0/t≤40。分配梁F2：b0/t=1 045 mm/30 mm=34.8≤40，滿足要求。

4 結語

本文結合鄭州黃河特大橋主橋的設計及施工，探索了臨時墩特有的施工工藝，包括臨時墩鋼管樁施工以及分配梁的安裝；并結合有限元分析軟件ABAQUS對主橋臨時墩結構進行了受力性能和穩定性分析。計算結果如下。

1) 臨時墩的鋼管樁最大應力163 MPa<[σ]=170 MPa ，樁身強度滿足要求。

2) 臨時墩的鋼管樁繞X軸的穩定應力：φx=168<[σ]=170 MPa，繞Y軸的穩定應力：φy=158<[σ]=170 MPa，樁身穩定性滿足規范要求。

3) 分配梁F1和F2的強度、剛度及穩定性設計值在規范要求以內，滿足設計要求。

鄭州黃河特大橋主橋采用了上述的臨時支墩順利地完成了施工任務，保障了施工時結構的穩定與安全，說明上述數值模擬方法真實有效，可以作為臨時支墩計算的參考。