考慮流凌效應(yīng)的大跨徑梁橋最大懸臂施工狀態(tài)作用響應(yīng)分析＊

韓成林 張謝東 崔 凱 商 敏

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (內(nèi)蒙古交通設(shè)計研究院有限責(zé)任公司2) 呼和浩特 010010) (內(nèi)蒙古東達蒙古王集團公司3) 鄂爾多斯 014300)

包樹黃河特大橋位處黃河從西南流向東北進入內(nèi)蒙古,由于從低緯度進入高緯度區(qū),氣溫降低,造成黃河內(nèi)蒙古段封河自下而上,開河自上而下的特殊情況.當下游封河而上游尚未封河時,上游產(chǎn)生的大量冰花在下游封河河段冰蓋下發(fā)生堆積,縮小過水斷面面積,阻塞了上游冰水去路,造成上游水位涌高,容易形成冰塞;然而當上游開河,冰水逐漸釋放,而此時下游還未達到自然開河條件,冰下過流能力不足以通過上游凌峰,經(jīng)常形成水鼓冰裂的武開河形勢.開河后,冰塊在大水強流的推動下向下游流動,遇河道狹窄段或淺灘彎道,則容易形成卡冰結(jié)壩.在開河凌汛期間,大面積冰排在洪水的驅(qū)動下整體移動,必然對阻礙冰層相對運動的橋墩等結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生沖擊,致使橋墩等水中結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生較大內(nèi)力及變形[1-2];此外,冰層在流動過程中發(fā)生連續(xù)碰撞破碎,大面積流冰體的流動對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生長期擠壓和沖擊,以致大量的冰塊堆積到冰與結(jié)構(gòu)物的接觸面上,這在一定程度上會加劇了結(jié)構(gòu)物的變形及安全性.

鑒于黃河流凌期間洪水和流冰對橋梁可能的沖擊破壞作用,特別是本橋冬季停工時處于最大懸臂施工最不利狀態(tài),一方面單T構(gòu)的線性和內(nèi)力直接影響到其與相鄰T構(gòu)的順利合龍;另一方面單T構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)也直接影響成橋后箱梁混凝土的應(yīng)力儲備.因此有必要對該橋最大懸臂狀態(tài)流凌期的受力進行分析驗算,以保證該橋安全度過流凌期,同時保證后續(xù)合攏施工和順利成橋.

1 工程概況

本黃河特大橋主橋位于西部開發(fā)省際通道跨越包頭市和鄂爾多斯之間黃河的重要橋梁工程,主橋上部采用85 m+6×150 m+85 m變截面預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁,總長1 070 m,如圖1所示.

圖1 主橋立面布置圖(單位：m)

單幅橋?qū)?3.75 m,翼緣板懸臂長3.3 m,箱梁底寬7.15 m;根部梁高8.5 m,跨中梁高3.8 m,梁高曲線采用1.5次冪拋物線;跨中底板厚度0.3 m,根部底板厚度1.2 m,采用1.5次冪拋物線;箱梁頂板厚度0.35 m;箱梁采用直腹板,腹板厚度0.5,0.6 m;0號塊長10 m,懸臂澆筑段梁段劃分為8×3 m+5×4 m+5×5 m,最大懸臂長度接近79 m,最大塊件重量182 t;箱梁采用三向全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),縱向預(yù)應(yīng)力采用大噸位群錨體系,橫向預(yù)應(yīng)力采用扁錨群錨體系,豎向預(yù)應(yīng)力采用精軋螺紋粗鋼筋錨固體系.

主橋下部采用鋼筋混凝土薄壁空心墩,橋墩截面外形為10.65×7 m不等邊長的六邊形截面,面向迎水側(cè)三角部分兼有破冰棱和防撞作用,并外包鋼板防護,橋墩薄壁厚度0.7 m.左右幅橋采用一個承臺基礎(chǔ),平面采用32.5 m×12 m不等邊長的六邊形截面,兩側(cè)三角部分兼有破冰棱和防撞作用,承臺厚度為4 m,采用22根直徑1.8 m鉆孔樁基礎(chǔ),樁長90 m,樁基礎(chǔ)均按摩擦樁設(shè)計.見圖2所示.

圖2 主橋橫向及破冰棱結(jié)構(gòu)布置圖(單位：cm)

2 數(shù)值仿真模型

2.1 T構(gòu)樁-墩-梁結(jié)構(gòu)模擬

采用空間梁單元對包樹黃河特大橋主橋建立三維有限元數(shù)值模型,該橋變截面主梁采用符合Timoshenko梁理論的兩節(jié)點梁單元,較好地模擬外荷載作用下主梁的剪切變形和翹曲變形.本橋23#中墩為制動墩,采用KZQZ37500-GD型抗震支座;20,21,22,24,25,26#墩墩頂均采用LQZ37500型普通滑動支座,并附加設(shè)置2 100 kN FLUID VICOUS DAMPER抗震阻尼器.19,27#過渡墩墩頂采用LQZ4000-SX型普通雙向滑動支座.

考慮到本橋22號墩采用了2 100 kN FLUID VICOUS DAMPER抗振阻尼器,建立了粘彈性消能器Maxwell模型,各參數(shù)取值如下：消能器阻尼;參考速度;阻尼指數(shù)s=0.5;連接彈簧剛度取為極大值(無限剛);有效阻尼為2 500 kN.樁身柔度和樁周圍土進行模型簡化處理,將樁-地基體系按土層厚度離散成一個理想化的參數(shù)系統(tǒng),用彈簧和阻尼器模擬土介質(zhì)的動力性質(zhì),形成一個地下部分的多質(zhì)點體系,然后和上部結(jié)構(gòu)近質(zhì)點體系聯(lián)合建立整體耦聯(lián)的動力微分方程組進行求解.假設(shè)土介質(zhì)為線彈性的連續(xù)介質(zhì);等代土彈簧的剛度由土介質(zhì)的m值計算.

圖3 主橋22號墩最大雙懸臂數(shù)值模型

2.2 流冰荷載

目前我國對冰荷載及其產(chǎn)生的外力計算問題,對不同地區(qū)尚缺乏一些具體的規(guī)定[3].對收集黃河封冰資料的研究,了解到本河段平均封凍日期為11月中下旬,平均解凍日期為4月上中旬.包頭市水文大隊在黃河岸邊設(shè)有冰情研究所,斷面位于本橋下游500 m處,成立于1981年,控制集水面積為355 961 km2,流凌一般開始于11月底或12月初,開河于3月中下旬,最大冰厚1.02 m,(1965年和1966年).一般情況下,開河期間冰塊流速在2 m/s以上,開河時最大流冰塊為3 m ×5 m,其速度在3.5 m/s以下.最大流冰塊為“冰滑塊”.1983年以來最大冰凌流量為3 000 m3/s,發(fā)生于1989年9月21日,頻率為7%.

通過對內(nèi)蒙古黃河地區(qū)流凌期間最高、最低流冰水位、流冰厚度、有效冰厚度、流冰強度以及溫度等相關(guān)因素的實際調(diào)查統(tǒng)計分析,提出了適應(yīng)于該地區(qū)的豎直墩流冰撞擊荷載計算公式為

根據(jù)包樹黃河特大橋施工圖設(shè)計及橋位處實測流冰調(diào)查資料[4],最大懸臂狀態(tài)冰排最大流速、冰排厚H=0.8 m、冰排面積A= 10 004 m2、局部擠壓系數(shù)I=1.414、單軸抗壓極限強度形狀系數(shù)m=1、接觸條件系數(shù)K=0.8、內(nèi)蒙古包頭市地處北緯40.6°,故地區(qū)系數(shù)Kn=2.0.根據(jù)該公式得到的冰荷載公式計算得6 732.437 kN.該冰荷載的作用位置在黃河特大橋的最高設(shè)計流冰水位處.

2.3 冰凌洪水荷載

本橋位處于中高緯度地區(qū)內(nèi),黃河由較低緯度地區(qū)流向較高緯度地區(qū)(河段),在冬春季節(jié)因上下游封凍期的差異或解凍期差異,可能形成冰塞或冰壩而引起.冰凌洪水是由大量冰凌阻塞,形成冰雪或冰壩,使上游水位顯著壅高.當冰雪融化,冰壩突然破壞時,河槽蓄水量下泄,形成流凌洪水.冰凌洪水往往造成嚴重災(zāi)害.

根據(jù)橋位處實測水流速度、水流形態(tài)、水溫以及河道河槽實際狀況,結(jié)合本橋橋墩實際破冰棱體結(jié)構(gòu)形態(tài),擬合出該橋22號墩冰凌洪水壓力公式為[5-6]

式中：R為橋梁對水的阻力,即洪水對橋梁的水平作用力的反作用力;Δ h為橋梁結(jié)構(gòu)阻水造成的壅水高度;γ為流水容重分別為考慮泥沙影響的修正系數(shù),考慮河床縱坡影響的修正系數(shù),考慮河槽邊坡影響的修正系數(shù),考慮洪水頻率的修正系數(shù),考慮洪水流向的修正系數(shù)和橋墩形狀修正系數(shù).

據(jù)式(2)可計算得到包樹黃河特大橋單墩承受的流凌洪水荷載為：327.48 kN.

2.4 風(fēng)荷載

考慮到最大懸臂狀態(tài)期,墩梁及臨時固結(jié)結(jié)構(gòu)的橫向剛度為經(jīng)受最大考驗,故計算風(fēng)荷載僅分析橫向作用效應(yīng).另考慮到本橋橋墩較矮,亦忽略其受風(fēng)影響.根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范(JTG D60-2004)》進行橋位處各受風(fēng)單元承受的橫向風(fēng)荷載.

根據(jù)包樹黃河特大橋施工圖設(shè)計及現(xiàn)場實測數(shù)據(jù),確定各系數(shù)取值.由規(guī)范附表1查得百年一遇包頭市基本風(fēng)壓為;橋梁所在地區(qū)的設(shè)計基本風(fēng)速(m/s)本橋取v10=33 m/s;迎風(fēng)面積按各箱梁截面尺寸分別計算進而獲得各受風(fēng)單元風(fēng)荷載標準值[7].

2.5 荷載工況

大跨度連續(xù)梁施工階段在最大懸臂主梁處和墩梁固結(jié)根部處對橫向作用較為敏感,如流凌期的流冰沖擊、流凌洪水及橫向風(fēng)荷載等.因此正確而準確地評價最大懸臂狀態(tài)主橋橫向安全穩(wěn)定性極為重要;同時對于主梁的實時應(yīng)力和線形的監(jiān)控也是保證過冬后與相鄰T構(gòu)平順合龍的關(guān)鍵.根據(jù)實際情況,選取以下荷載組合作為驗算工況：組合I：恒載+風(fēng)荷載;組合II：恒載+風(fēng)荷載+洪水荷載;組合III：恒載+風(fēng)荷載+洪水荷載+冰荷載.

3 結(jié)果分析

3.1 位移效應(yīng)

在各荷載組合作用下,主橋安全性監(jiān)控工作主要驗算的關(guān)鍵部位如表1、表2所列,即為主梁根部截面(懸澆1號塊端部)、橋墩墩頂和承臺頂.由表1分析可知,首先考慮的重要橫向荷載是風(fēng)荷載,其影響度大約占組合III的69%.在考慮洪水荷載的組合II與未考慮洪水荷載的組合I相比,洪水荷載產(chǎn)生的各關(guān)鍵截面的橫向位移相對較小,主梁增量均為0.1 mm,橋墩頂和承臺頂分別為1.72 mm和0.05 mm.比較組合II和組合III可知,冰荷載的沖擊作用對主梁橫向位移較大[8].圖4顯示了各組合工況下,最大懸臂的一側(cè)橫向位移變化情況,表明懸臂主梁各節(jié)段橫向位移的差異和發(fā)展情況,同時也說明各工況下主梁各節(jié)段位移變化的平順性.

表1 各工況關(guān)鍵部位橫向位移狀態(tài) mm

圖4 各工況主梁懸臂節(jié)點橫向位移變化情況

表2 各工況關(guān)鍵部位內(nèi)力狀態(tài)

3.2 內(nèi)力效應(yīng)

由表2可看出,在主梁各控制關(guān)鍵部位中,風(fēng)荷載對根部截面的影響最大,而洪水荷載和冰荷載的響應(yīng)相對較小.由此可以得到主梁混凝土橫向應(yīng)力水平主要受風(fēng)荷載控制.由于冰荷載和洪水荷載作用于橋墩設(shè)計最高水位處,因此二者對橋墩截面的沖擊效應(yīng)較為明顯,其中尤以冰荷載的響應(yīng)為大.

4 結(jié) 論

1)大跨徑梁橋在最大懸臂狀態(tài)經(jīng)過流凌期間,流冰對空心帶破冰棱體結(jié)構(gòu)橋墩位移及內(nèi)力響應(yīng)較小,同時T型結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及線形均滿足施工監(jiān)測監(jiān)控的精度要求,具有足夠的安全儲備.

2)通過對橋墩破冰棱體結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬,并與實測流冰荷載數(shù)據(jù)的比較,表明矩形實體橋墩附加三角形破冰體結(jié)構(gòu)可有效抵抗流冰的沖擊破壞.

3)黃河流凌期,在各荷載工況下,最大懸臂狀態(tài)箱梁橫向位移較橋墩和承臺影響大,因此期間除了對T構(gòu)進行必要縱向線性監(jiān)測外,還應(yīng)進行必要的橫向軸線偏位監(jiān)測.

4)黃河流凌期,特別是洪水和流冰同時沖擊作用下,也即黃河開河中后期.最大懸臂狀態(tài)箱梁根部及橋墩墩底橫向彎矩較大,因此應(yīng)加強對臨時固結(jié)措施監(jiān)控,確保墩梁整體剛度足以抵抗橫向和縱向的不平衡彎矩效應(yīng).

[1]胡 虎.大跨徑連續(xù)梁橋大懸臂施工階段靜風(fēng)荷載與靜風(fēng)穩(wěn)定性分析[J].中外公路,2007,27(6)：97-99.

[2]鄒 虎,羅小峰,劉海彬.涇河特大橋考慮風(fēng)荷載影響的最大懸臂狀態(tài)穩(wěn)定性分析[J].公路,2010(2)：14-17.

[3]中華人民共和國交通.JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2004.

[4]中交公路規(guī)劃設(shè)計院.西部開發(fā)省際通道包樹黃河特大橋施工設(shè)計[R].北京：中交公路規(guī)劃設(shè)計院, 2010.

[5]陳政清.橋梁風(fēng)工程[M].北京：人民交通出版社, 2005.

[6]陳艾榮,項海帆.懸臂施工中的剛構(gòu)橋梁鳳荷載計算方法[J].公路,1998(3)：22-26.

[7]內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計院.西部開發(fā)省際通道包頭至樹林召公路黃河特大橋防洪評價報告SC2005-99-(H)-33/3[R].呼和浩特：內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計院,2010.

[8]郭俊峰.凌汛期大跨徑橋梁的安全性評價[D].武漢：武漢理工大學(xué)交通學(xué)院,2008.