提升式鋼棧橋設計及有限元分析

林子鑫，陽維華，李世文，李增源，張玉龍

(1.廣西交通投資集團有限公司，廣西 南寧 530022；2.中鐵大橋局集團，湖北 武漢 430050)

0 引言

隨著我國國民經濟的飛速發展，橋梁跨徑不斷加大，橋址處水文地質情況愈加復雜，橋梁深水基礎施工成為橋梁建設的重中之重。為方便水上基礎施工，保障樁基、承臺的施工質量，具備構件快速拼裝、材料可周轉、安全可靠等優點的裝配式鋼棧橋及鋼平臺在深水大跨橋梁基礎施工作業中廣泛應用。與傳統鋼棧橋不同的是，在綜合考慮施工作業需要、建造成本的前提下，還要滿足跨越航道的通航需求，因而將其中一跨設置為可提升的形式。本文對提升式鋼棧橋開展結構設計，并對不同荷載組合作用進行驗算，確保結構的整體安全性。

1 工程概況

某特大橋位于廣州市南沙區，全長1 126 m，主橋及部分引橋跨越北江干流出海水道，為Ⅳ級航道，規劃通行500噸級船舶。為便于主橋及引橋下構施工，提高資源調配效率，實現統一管理，該水道采用鋼棧橋貫通，并設置可提升跨以滿足通航需要。經與海事部門協商，并結合其他工程項目的類似應用案例，本項目提升式鋼棧橋順橋向跨徑為33 m、通航凈空為8 m、凈寬為30 m，通航狀態下由4臺15 t卷揚機將整跨提升至預設高度，供船舶通行。

2 提升式鋼棧橋結構設計

提升式鋼棧橋主體結構和提升系統，其橫截面及立面詳見圖1、圖2。

圖1 提升式鋼棧橋橫截面圖(cm)

圖2 通航狀態下提升式鋼棧橋立面布置圖(mm)

2.1 主體結構設計

提升式鋼棧橋基礎設置單側共6排管樁，為φ630 mm×10 mm鋼管樁，主要承受鋼棧橋主體結構的荷載，兼做提升系統支撐柱。主要承重鋼管樁頂依次設置順橋向分配梁F5(2HM588×300型鋼)、橫橋向分配梁F6(2HM488×300型鋼)。上方采用貝雷梁，貝雷縱梁梁端安裝有貝雷鋼橋專用端柱，橋梁荷載通過端柱傳遞至安裝在型鋼橫梁上的貝雷鋼橋專用橋座上，再通過橫梁將荷載傳遞至鋼管立柱。橋面寬9 m，橋面板采用Ⅰ14與10 mm花紋鋼板整體焊接結構，兩側設置型鋼防護欄桿[1]。

2.2 提升系統設計

提升系統由提升橫梁、提升卷揚機、滑車、起吊索及附屬設施耳板、銷軸組成。起吊索為φ34.5 mm普通鋼絲繩，每臺卷揚機設起吊索150 m。卷揚機為15 t，共設置4臺，每側兩臺。

3 結構計算分析

3.1 設計標準及參數

(1)結構主要尺寸：跨徑33 m、橋面寬9 m。

(2)車輛荷載：公路-Ⅰ級荷載、135 t履帶吊機作業及走行。

(3)水流力：考慮流速0.78 m/s的水流力作用。

(4)風載：工作狀態風力為8級，相應風速為20.7 m/s；提升狀態風力為14級，相應風速為43.98 m/s。

(5)材料型號：鋼構件除貝雷梁材質為16 Mn外，其余構件材質均為Q235B。

3.2 計算工況說明

橋梁水上施工鋼棧橋主要承受恒載、基本可變荷載、其他可變荷載等作用。在橋梁施工過程中，該提升式鋼棧橋具體計算工況如表1所示[2]。

表1 計算工況及荷載組合分析表

3.3 荷載計算

3.3.1 135 t履帶吊荷載

履帶吊自吊側起吊時，考慮75%的偏載，偏載側面荷載大小為135 t，履帶吊正吊時，最大工作荷載為23.5 t/m2；履帶17.9 t/m2；另一側面荷載大小為6.0 t/m2。

3.3.2 風荷載

根據《公路橋梁抗風設計規范》，在橫橋向風作用下主梁單位長度上的橫向靜陣風荷載計算為：

(1)

式中：FH——作用在主梁單位長度上的靜陣風荷載(N/m)；

ρ——空氣密度(kg/m3)，取1.25；

CH——主梁的阻力系數，桁架面積比0.26，阻力系數取1.75，遮擋系數取0.85；

H——主梁投影高度(m)，取1.5；

Vg——靜陣風風速(m/s)；

GV——靜陣風系數，取1.29；

VZ——基準高度Z處的風速(m/s)。

橋面高度處的風速八級風VZ取20.7 m/s，可得風荷載為304.1 N/m。

3.3.3 水流力

正常施工情況：根據《港口工程荷載規范》(JTS144-1-2010)13.0.1條規定，水流壓力標準值計算為：

(2)

式中：Cw——橋墩形狀系數，根據規范中表13.0.1-1選取，圓形取0.73；

ρ——水的重度(t/m3)，取1.0；

V——設計流速(m/s)，取0.78；

A——橋墩阻水面積(m2)，計算至一般沖刷線處。

對于鋼管樁轉化成流水壓力線荷載為qmax=CwρV2D的三角形線荷載計算棧橋鋼管樁結構的承載力，其中D為鋼管樁直徑。

按照式(2)可以計算作用在鋼管樁上的水流力標準值：φ630 mm×10 mm鋼管樁為0.280 kN/m。

3.3.4 自重及自重分力、制動力

結構自重按1.2倍考慮，傾斜段結構自重分力按照坡度3.4%計算；履帶吊走行時考慮制動力荷載，大小為自重的10%，加載在樁頂位置。

3.4 有限元模型

根據鋼棧橋結構特點，利用Midas Civil軟件進行計算分析，采用空間桁架單元模擬貝雷梁的支撐架，采用空間梁單元模擬其他鋼構件，鋼橋面板對結構受力無太大影響故不建立，鋼管樁底部設置固接。具體模型如圖3所示。

圖3 提升式鋼棧橋有限元模型圖

3.5 計算成果分析

3.5.1 鋼管樁計算成果

考慮到鋼管銹蝕的影響，以φ630 mm×8 mm鋼管樁建立模型進行計算。計算結果如下。

3.5.1.1 強度計算

由圖4可知，在工況2的工作狀態下，φ630 mm×8鋼管樁最大正應力為104 MPa，<[σ]=170 MPa，滿足要求。

圖4 鋼管樁組合應力云圖(MPa)

3.5.1.2 剛度計算

在工況1的工作狀態下，φ630 mm×8 mm鋼管樁頂水平最大位移為15.79 mm

3.5.1.3 穩定性計算

由于桿件較多，為簡化計算取自由長度最長的鋼管樁進行計算，受力桿件為φ630 mm×8 mm鋼管立柱，計算長度均取10.0 m，由模型計算結果分別取軸力N1=1 012.1 kN,彎矩My=103.0 kN·m，Mz=103.0 kN·m。根據兩者截面參數分別得到φ630 mm×8 mm鋼管繞X軸穩定應力為115.9 MPa、繞Y軸穩定應力為107.1 MPa，計算成果均<[σ]=170 MPa，滿足要求。

3.5.1.4 單樁承載力計算

該提升式鋼棧橋鋼管樁按打入摩擦型樁設計，結合有限元計算成果可知，φ630 mm×8最大反力為132.7 t，按150 t設計，地質資料如表2所示。

表2 主橋橋位處土層摩阻力統計表

單樁軸向受壓容許承載力計算根據《港口工程樁基規范》，鋼管樁軸向抗壓承載力設計值計算如下：

(3)

式中：Qd——單樁軸向承載力設計值(kN)；

γR——單樁軸向承載力分項系數，取1.5；

u——樁身截面外周長(m)；

qfi——單樁第i層土的極限側摩阻力標準值(kPa)；

li——樁身穿過第i層土的長度(m)；

η——承載力折減系數，取0.5；

qR——單樁極限端阻力標準值(kPa)；

A——樁端外周面積(m2)。

則φ630 mm×8 mm入土深度為50 m，考慮2.0 m沖刷，實際入土深度為52 m，單樁軸向受壓承載力為163 t，>132.7 t，由此可知，單樁承載力均滿足要求。

3.5.2 貝雷梁計算成果

3.5.2.1 內力計算

根據各工況計算成果，貝雷梁各桿件內力情況整理如表3所示。

表3 貝雷梁各構件內力情況統計表

由計算成果可知，貝雷梁各桿件最大內力均小于容許內力值，滿足要求。

3.5.2.2 應力計算

根據各工況計算成果，貝雷梁各桿件應力情況整理如表4所示。

表4 貝雷梁各構件應力情況統計表

由計算成果可知，貝雷梁各桿件最大應力均小于容許內力值，滿足要求。

3.5.2.3 變形計算

根據各工況計算成果，公路Ⅰ級荷載車輛走行至跨中時，最大豎向變形為77.69 mm，<33 000/400=82.5 mm，滿足要求。

3.5.3 分配梁計算成果

由有限元計算成果分析，結合設置的位置及受力的特點，工況2時F5、F6存在最大應力，其受力情況整理如表5所示。

表5 分配梁應力情況統計表

由計算成果可知，各分配梁最大正應力均小于容許值160 MPa；最大剪力均小于容許值90 MPa；組合應力均<1.1[σ]=176 MPa；最大變形均

4 結語

通過對提升式鋼棧橋進行有限元分析，得知該結構在各計算工況下的受力均滿足要求；同時也發現，135 t履帶吊走行至跨中時豎向變形較大，需要現場密切監測。本文通過對可提升式鋼棧橋設計及有限元分析，確保整體結構在滿足通航要求的情況下，面對不同荷載組合作用是安全可靠的，對同類型有通航需求的鋼棧橋設計建造具有一定的參考意義。