復(fù)雜海域環(huán)境下鋼棧橋的設(shè)計(jì)與驗(yàn)算

曾建新 ZENG Jian-xin；劉井義 LIU Jing-yi；王凱 WANG Kai；劉海龍 LIU Hai-long

（中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京100160）

0 引言

作為橋梁施工中的臨時(shí)通道，鋼棧橋直接承受施工車輛荷載，是橋梁施工安全控制中重要的環(huán)節(jié)[1-2]。目前水上鋼棧橋已形成了一套相對(duì)比較成熟的設(shè)計(jì)及施工工藝[3]，但在復(fù)雜海域下的鋼棧橋設(shè)計(jì)與常規(guī)鋼棧橋設(shè)計(jì)不同，需要考慮更多海域環(huán)境對(duì)于橋梁設(shè)計(jì)的影響[4]。張戰(zhàn)凱等通過(guò)對(duì)兩種鋼棧橋方案的對(duì)比，分析了兩種方案的深水鋼棧橋各種優(yōu)缺點(diǎn)[5]。姜楓等以湛江東海島鐵路通明灣特大橋鋼棧橋工程為背景，研究了海洋環(huán)境下鋼棧橋的設(shè)計(jì)施工要點(diǎn)[6]。因此針對(duì)復(fù)雜海域鋼棧橋的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的分析，研究其設(shè)計(jì)及施工驗(yàn)算具有十分重要的意義。

1 工程概況

該工程在浙江，地處東南沿海，為臺(tái)風(fēng)多發(fā)省份，臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)，在近岸水位會(huì)產(chǎn)生明顯的水位升降，擬建工程海域波浪以風(fēng)浪及混合浪為主，大浪主要為風(fēng)浪，出現(xiàn)在每年的8~12 月，一般由臺(tái)風(fēng)及秋冬季寒潮大風(fēng)引起。該項(xiàng)目所在區(qū)域大部為海上淺海區(qū)，施工屬于水上作業(yè)，安全風(fēng)險(xiǎn)高，施工成本大。該項(xiàng)目位處的環(huán)境特點(diǎn)有氣候溫和、四季分明、雨量充沛。季風(fēng)顯著，風(fēng)速大，全年多大風(fēng)，春季多海霧，夏季多熱帶氣旋。年平均風(fēng)速為6.1m/s，最大風(fēng)速為25.2m/s，極大風(fēng)速29.8m/s。因此，在對(duì)該工程鋼棧橋設(shè)計(jì)驗(yàn)算時(shí)需要重點(diǎn)考慮風(fēng)荷載及水流荷載對(duì)于結(jié)構(gòu)的影響。

2 鋼棧橋設(shè)計(jì)要點(diǎn)

某海上棧橋全寬9m，橋面標(biāo)高為+6.0m。棧橋標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)為 3×12m+9m+ 3×12m+9m，標(biāo)準(zhǔn)跨徑 12m，采用排架樁，每排3 根樁；橋臺(tái)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)[7-8]。鋼棧橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1 所示，鋼棧橋標(biāo)準(zhǔn)跨立面布置如圖2 所示，鋼棧橋標(biāo)準(zhǔn)跨立面如圖3 所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置圖（單位：mm）

圖2 標(biāo)準(zhǔn)跨立面布置圖（單位：cm）

圖3 標(biāo)準(zhǔn)跨立面圖（單位：cm）

2.1 棧橋基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

采用鋼管樁作為棧橋基礎(chǔ)，橫向布置3 根Φ800×10mm 鋼管樁，中心間距按3.375m 布置，縱向按照標(biāo)準(zhǔn)跨徑12m，制動(dòng)墩跨徑9m，在距樁頂橫梁下1m 處設(shè)［20a 剪刀撐一道及平聯(lián)鋼管（Φ300×6mm），以增加鋼棧橋側(cè)向剛度和整體穩(wěn)定性。鋼管樁頂部橫向放置2I45a 作為主橫梁，每組主橫梁長(zhǎng)8.0m。

2.2 主棧橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼棧橋在橋臺(tái)位置和平臺(tái)相接處設(shè)置伸縮縫，縫寬為10cm；棧橋每8 跨設(shè)置一道伸縮縫，伸縮縫寬度20cm；每4 跨設(shè)置一處制動(dòng)墩，橋面標(biāo)準(zhǔn)按雙向通行設(shè)置，橋面寬8m，人行道寬0.6m。主梁采用上承式單層8 片“321”貝雷梁，貝雷梁間采用90 型花架聯(lián)結(jié)。貝雷梁與分配梁用U型螺栓連接。橋面橫梁采用I22a 型鋼，間距0.75m，縱梁采用I12 型鋼，間距0.24m，橋面板采用8mm 花紋鋼板，橋面高程+6.0m。

3 驗(yàn)算要點(diǎn)

3.1 荷載參數(shù)

①自重。鋼棧橋自重荷載通過(guò)考慮自重系數(shù)-1.05 來(lái)實(shí)現(xiàn)。

②基本可變荷載。包括履帶吊機(jī)、混凝土罐車及人群荷載。具體參數(shù)見表1。

表1 基本可變荷載參數(shù)表

③其他可變荷載。包括風(fēng)載及水流力，分別按照規(guī)范《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D60-01-2004）[9]、《港口工程荷載規(guī)范》（JTS144-1-2010）[10]計(jì)算。

1）風(fēng)載

靜陣風(fēng)風(fēng)速計(jì)算公式為：

Vg=GvVdVd=K1V10

式中：Vd—設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速（m/s）；V10—基本風(fēng)速（m/s）；K1—風(fēng)速高度變化修正系數(shù)，取1.08；Vg—靜陣風(fēng)風(fēng)速（m/s）；Gv—靜陣風(fēng)系數(shù)，取 1.29。

棧橋工作期間（8 級(jí)）與臺(tái)風(fēng)期（12 級(jí)）最大風(fēng)力下設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速與靜陣風(fēng)風(fēng)速見表2。

表2 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速與靜陣風(fēng)風(fēng)速表

貝雷風(fēng)荷載計(jì)算公式：

式中：ρ—空氣密度（kg/m3），取 1.25；η—桁架遮擋系數(shù)，取 0.8；

CH—風(fēng)阻力系數(shù)，取1.7；φ—單片貝雷片實(shí)面積比，取0.27；

A—單片貝雷片面積（m2），取 4.5。

鋼管樁風(fēng)荷載計(jì)算公式：

式中：An—單根鋼管樁迎風(fēng)面積（m2），取 5.26。

依據(jù)上述公式，即可分別計(jì)算貝雷梁、鋼管樁在正常使用期及臺(tái)風(fēng)期各自所受風(fēng)荷載。風(fēng)荷載參數(shù)見表3。

表3 風(fēng)荷載參數(shù)表

2）水流力

式中：Fw—水流力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；Cw—水流阻力系數(shù)；ρ—水密度（t/m3），海水取 1.025；V—水流設(shè)計(jì)流速（m/s），取棧橋處漲落潮最大水流速度3.27m/s；A—計(jì)算構(gòu)件在流向垂直平面上的投影面積（m2）；

依據(jù)上述公式，即可計(jì)算出鋼管樁所受水流力大小，并將水流壓力合力作用點(diǎn)假定在水位線以下1/3 倍水深處。

3.2 荷載工況

棧橋工作狀態(tài)是指棧橋在正常使用時(shí)，車輛作用與其他可變作用的組合。施工機(jī)具最不利狀況主要考慮75t 履帶吊在棧橋上吊裝作業(yè)，履帶吊吊重按15t 考慮和12 方混凝土罐車并行兩種情況。機(jī)械的布置位置又分為墩頂與跨中兩種。有限元計(jì)算的荷載組合具體見表4 所列組合。

表4 有限元計(jì)算采用的荷載組合

說(shuō)明：荷載基本組合用于構(gòu)件強(qiáng)度及穩(wěn)定性計(jì)算；荷載標(biāo)準(zhǔn)組合用于結(jié)構(gòu)剛度及鋼管樁傳至土層反力計(jì)算。以上每個(gè)工況均包含車輛或機(jī)械在樁頂、跨中兩個(gè)不同部位的計(jì)算（計(jì)算結(jié)果取大值）：當(dāng)位于樁頂時(shí)用于計(jì)算貝雷豎桿，斜腹桿內(nèi)力，承重梁強(qiáng)度，樁基強(qiáng)度、穩(wěn)定性及承載力；當(dāng)位于跨中時(shí)用于計(jì)算貝雷弦桿內(nèi)力、貝雷擾度。

3.3 鋼棧橋有限元模型

采用Midas/Civil 建立三跨標(biāo)準(zhǔn)跨的有限元模型。構(gòu)件均采用梁?jiǎn)卧惱琢翰馁|(zhì)為Q345（16Mn），其余構(gòu)件材質(zhì)均為Q235，鋼棧橋分析模型如圖4 所示。

圖4 鋼棧橋有限元模型

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

將各個(gè)構(gòu)件在三種工況下及履帶吊、罐車分別在跨中和墩頂布置共五種情況的力學(xué)指標(biāo)匯總在表5 中。

表5 構(gòu)件各工況計(jì)算結(jié)果表

由表5 可知，臺(tái)風(fēng)極端天氣情況下即工況三，棧橋各構(gòu)件的各力學(xué)指標(biāo)均小于棧橋施工狀態(tài)或工作狀態(tài)的力學(xué)指標(biāo)，但工況三下部分鋼管樁受臺(tái)風(fēng)及水流力的影響會(huì)產(chǎn)生拉拔力。故在復(fù)雜海域環(huán)境下鋼棧橋設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮所受拉拔力的大小，并計(jì)算鋼管樁嵌固點(diǎn)。工況三鋼管樁反力如圖5 所示。

圖5 鋼管樁反力圖

由鋼管樁反力圖可知，最大拔力為61.5kN。

3.5 鋼管樁嵌固點(diǎn)計(jì)算

計(jì)算引用《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS-167-2018）[11]中計(jì)算公式，Lt≥4T，t=ηT

經(jīng)計(jì)算，Φ800×10mm 鋼管樁嵌固點(diǎn)位置位于河床以下4.82m。本次設(shè)計(jì)鋼管樁樁嵌固點(diǎn)位于河床以下5.5m，滿足抗拉拔的要求。

4 總結(jié)

鋼棧橋適用于跨越峽谷、河流、湖泊及江海等大跨度橋梁工程施工，其主要的優(yōu)越性能有：①搭建方便，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)搭設(shè)最后合龍，施工速度快，節(jié)省工期；②具有良好的水流通過(guò)性，可適應(yīng)水位的快速上漲與回落，保障施工安全；③可做到100%拆除回收，綠色環(huán)保；④經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)可適應(yīng)復(fù)雜海域條件，可以保證其安全性與適用性，本工程鋼棧橋的設(shè)計(jì)施工可為同類工程提供參考。