鋼棧橋結構安全性分析研究

蘭祖平

（福建省恒通路橋工程有限公司，福建南平 353000）

0 引言

近年來，隨著我國跨江跨海橋梁建設的迅猛發展，作為運輸通道的棧橋成為整個橋梁施工工序中的重要控制點[1-2]。

目前對鋼棧橋的結構安全性分析大多為傳統的公式計算，存在效率不高、計算精度不足等問題。本文采用理論公式與Midas Civil 有限元軟件三維仿真模擬對鋼棧橋的強度、剛度、穩定性進行分析，確保鋼棧橋施工和使用過程的安全可靠。

1 工程概況

擬建的特大橋處于福建東吾洋灣口最窄口附近的下游，水面寬約0.8km，跨徑布置為[4×40.5+2×（3×40.5）+（77+138+77）+（3×40+35）]m，總 長852m。

橋梁起止里程K7+804—K8+666。橋梁下部構造采用柱式墩、薄壁墩配樁基礎，肋臺配樁基礎，U 臺配擴大基礎結構。

2 鋼棧橋設計

2.1 鋼棧橋設計方案

鋼棧橋與主橋平行布置，全長640m。起點里程K7+885，終點里程K8+635，按雙向行車道設計，橋面寬8.5m，分為八聯。根據橋位水文地質情況，鋼棧橋、平臺頂面高程=20 年一遇高水位（+4.95m）+0.5×20 年一遇H1% 波高（2.38m）+安全高度（0.3m）+貝雷梁高（1.5m）+橋面系厚（0.33m）=+8.28m。鋼棧橋的設計標準如下[3]：

第一，設計臨時荷載標準：滿足200t 履帶式吊車、200t 旋挖鉆行走和作業要求，滿足公路一級車荷載通行要求。

第二，施工控制活載：輪式車輛限重55t，單軸重限值14t，履帶車輛限重200t。

第三，鋼棧橋寬度：鋼棧橋橋面總寬8m（不含電纜槽）。

第四，橋面高程：鋼棧橋及鉆孔平臺橋面高程8.28m，考慮梁底高于最高水位不小于1.5m，鋼棧橋結構高度1.886m。

第五，限行速度：輪式車輛限速20km/h，履帶車輛限速5km/h。

第六，鋼棧橋使用期限：36 個月。

3 鋼棧橋結構安全性分析

3.1 建立鋼棧橋模型

按照實際尺寸建立鋼棧橋模型，定義材料特性，通過Midas Civil 有限元軟件自動計算。根據鋼棧橋鋼管樁類型和伸縮縫的布置情況，選取15m+3m+18m+3m+15m 的一聯五跨鋼棧橋進行建模分析。考慮車輛在鋼棧橋上并排行車，在鋼棧橋橋面建立兩個車道面，車輛行駛方向相同，車道中心線距離橋面中心線的橫向距離分別為±1.65m，車輛的軸荷采用自定義車輛加載。

3.2 荷載分布

3.2.1 汽車荷載（滿載狀態）。45.8t 的混凝土罐車、235t 的履帶式起重機、200t 的履帶式旋挖鉆機、31.75t 汽車起重機、35t 的挖掘機及掛車等。

3.2.2 汽車沖擊力。鋼棧橋加載采用車輛荷載，在進行移動荷載分析時，將自振頻率設置為5.969Hz，從而保證沖擊系數恰為0.3。

3.2.3 汽車制動力。混凝土罐車及砂石料運輸車的制動力110kN 沿縱向作用于橋面板車輪位置。

3.2.4 小型設備及人群荷載。按3kPa 考慮，分布在鋼棧橋兩側以及整個鉆孔平臺范圍，鋼棧橋單側分布寬度0.75m。

3.2.5 風荷載。鋼棧橋鋼管樁外徑為1.02m（或1.2m），風荷載以線分布力的形式作用于水面以上的部分。W1風作用下，1.02m 鋼管樁的風荷載為77.27N/m，1.2m 鋼管樁的風荷載為90.9N/m。W2風作用下，1.02m 鋼管樁的風荷載為392.03N/m，1.2m鋼管樁的風荷載為461.21N/m。

3.2.6 流水壓力。作用于1.02m 鋼管樁上的流水壓力標準值為66kN，作用于1.2m 鋼管樁上的流水壓力標準值為103.54kN。

3.2.7 波浪力。在靜水面以上0.5m 的范圍內施加5kPa 的均布壓力荷載，主墩范圍鋼管樁計算寬度1m，圓形橋墩形狀系數K=0.8，集中力FW=2kN。

3.2.8 基本組合。1.2×自重+1.3×1.8×施工可變荷載+1.4×人群荷載+1.4×流水壓力+1.1×風荷載。

3.3 結構受力分析

3.3.1 位移分析

（1）通航跨棧橋

（a）公路-I 級荷載。考慮施工可變荷載、人群荷載、流水壓力、風荷載作用，模擬計算得到在公路-I 級荷載下通航口兩側棧橋的最大總位移19.5mm。按照《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）要求，臨時結構的容許壓縮變形或彈性撓度為相應結構計算跨度的1/400，因此18.0m 鋼棧橋的容許值為45mm，實際值小于規范容許值，剛度滿足要求。

（b）履帶車荷載。考慮履帶車在鋼棧橋上往返行駛，同時考慮流水壓力、風荷載作用，模擬計算得到在履帶車荷載下通航口兩側鋼棧橋的最大總位移為38.5mm，小于容許值為45mm，剛度滿足要求。

（2）標準跨棧橋

（a）公路-I 級荷載。模擬計算得到在公路-I 級荷載下標準跨15.0m 鋼棧橋的最大總位移為14.2mm，小于容許值為37.5mm，剛度滿足要求。

（b）履帶車荷載。模擬計算得到在履帶車荷載下標準跨15.0m 棧橋的最大總位移為34.6mm，小于容許值為37.5mm，剛度滿足要求。

（3）鋼平臺支棧橋

考慮旋挖鉆荷載在橋面的作用，同時考慮流水壓力、風荷載作用，模擬計算得到9m 鋼平臺支棧橋的最大總位移為14.2mm，小于容許值為22.5mm，剛度滿足要求。

3.3.2 應力分析

在荷載組合作用下，通航跨棧橋系統、標準跨棧橋系統主要構件的最大應力值匯總于表1、表2。可見，在各工況下通航跨棧橋系統、標準跨棧橋系統的主要構件均滿足強度要求。

表1 通航跨棧橋系統應力驗算匯總表

表2 標準跨棧橋系統應力驗算匯總表

3.3.3 整體穩定性分析

按照《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）要求，臨時結構桿件應力安全系數應大于1.3，穩定性安全系數應大于1.5。根據鋼棧橋鋼管樁支反力達到最大荷載狀態進行車輛荷載布置，考慮混凝土罐車最不利靜力荷載、自重、人群荷載、流水壓力及風荷載等荷載作用，在荷載基本組合作用下，分析鋼棧橋結構的前三階失穩模態。經過軟件對模型的計算分析，所對應的臨界荷載系數分別為7.665、8.783、9.065，均大于1.5，滿足穩定性要求。

3.3.4 鋼管樁承載力檢算（1）鋼管樁入土深度計算

根據《碼頭結構設計規范》（JTS 167—2018），打入型鋼管樁的軸向抗壓承載力可按下式確定：

式（1）中：Qd——單樁容許承載力，kN；

γR——單樁軸向承載力分項系數，對于打入樁，采用經驗參數法計算時，取1.45～1.55；

U——樁身截面周長，m；

qfi——單樁第i層土的側摩阻力標準值，kPa；

li——單樁穿過第i層土的長度，m；

η——承載力折減系數，對于敞口鋼管樁，由于根據初步估算入土深度小于20 倍直徑（即24m），樁端進入持力層深度超過5 倍直徑（即6m），故直接取η=0，即不計樁端阻力；

qr——單樁單位面積極限樁端阻力標準值，kPa；

A——樁端外周面積，m2。

計算得出：通航口兩側φ1200mm×12mm 鋼管樁入土深度L=7.4m，考慮局部沖刷，樁底進入河床以下深度應≥8m；φ1020mm×10mm 鋼管樁入土深度L=8m，考慮局部沖刷，樁底進入河床以下深度應≥9.5m；φ820mm×10mm 鋼管樁入土深度L=10m，考慮局部沖刷，則樁底進入砂土狀強風化花崗巖深度應≥11.5m。

（2）鋼管樁穩定性計算

以上通過豎向承載力計算得到的樁入土深度，大于抗彎臨界長度，故取樁計算長度以計算鋼管樁支反力，進而判斷樁身穩定性。結果如下：

（a）φ1200mm×12mm 鋼管樁截面的旋轉半徑0.42m，長細比λ＝119.58≤150，滿足要求；參照《鋼結構設計標準》（GB 50017—2017）附表D.0.2 b 類截面軸心受壓構件的穩定系數：φ＝0.439，截面強度140.74MPa≤215MPa，滿足強度要求；整體穩定性K=0.736≤1，滿足穩定性要求。

（b）φ1020mm×10mm 鋼管鋼管樁截面的旋轉半徑0.3571m，長細比λ ＝112.04≤150，滿足要求；參照《鋼結構設計標準》（GB 50017—2017）附表D.0.2 b 類截面軸心受壓構件的穩定系數：φ＝0.481，截面強度179.36MPa≤215MPa，滿足強度要求；整體穩定性K=0.999≤1，滿足穩定性要求。

（c）φ820mm×10mm 鋼管樁截面的旋轉半徑0.2864m，長細比λ＝104.74≤150，滿足要求；參照《鋼結構設計標準》（GB 50017—2017）附表D.0.2 b 類截面軸心受壓構件的穩定系數：φ＝0.527，截面強度130.38MPa≤215MPa，滿足強度要求；整體穩定性K=0.857≤1，滿足穩定性要求。

因此，鋼管樁承載力安全。

4 結論

本文采用Midas Civil 有限元軟件建模，開展通航跨棧橋、標準跨、鋼平臺支棧橋的位移分析，通航跨棧橋系統、標準跨棧橋系統的應力驗算，鋼管樁支反力分析，整體穩定性分析，并應用理論公式法對鋼管樁承載力進行檢算。結果表明，鋼棧橋剛度、穩定性滿足要求，各主要構件強度滿足要求，鋼管樁截面的長細比、截面強度、整體穩定性均滿足要求。該棧橋使用期間未出現任何質量安全問題，充分證明了結構安全性分析與技術措施的準確性。