五里亭大橋鋼棧橋模型建立及穩定性驗算分析

■陳 輝

（南平市公路局順昌公路分局，順昌 353200）

1 工程概況

1.1 橋梁工程情況

五里亭大橋位于國道528順昌縣煥仔坑至五里亭公路工程終點處，橫跨金溪，橋梁起點樁號K2+816，終點樁號K3+103，橋梁全長287m。為進行五里亭大橋施工，需在路線跨越金溪修建棧橋一座，棧橋為鋼結構橋跨為3m+9m+單聯[1 跨×12m+3m（制動墩）]×14 聯+3m，共計225m長，橋面寬5m。在棧橋兩端設置橋臺。主棧橋線型按擬建五里亭大橋線型布置。每個墩采用雙排二根共四根Ф529×10mm鋼管樁支撐，棧橋縱橫方向均采用[16a槽鋼作為剪刀撐。棧橋兩頭設置C25砼橋臺防止鋼管樁受側向壓力，橋臺與便道相接，橋臺與棧橋間設置2cm伸縮縫，橋臺尺寸為8m×1m×2.76m，橋面高程與鋼平臺高程一致為120.30m。

連續梁縱梁采用6排貝雷梁，采用90支撐架連接，其間距沿貝雷梁方向3m一道，增強貝雷梁整體穩定性。樁頂橫梁采用2根I40a工字鋼，限位槽鋼5m通長與240mm短邊連接板與樁頂Ⅰ40a工字鋼焊接，限制貝雷梁的滑動；定位槽鋼與Ⅰ25a工字鋼分配梁焊接成整體，形成整體橋面板，整體橋面板擱置在貝雷梁上，槽鋼兼起左右限位作用，防止Ⅰ25a工字鋼分配梁左右滑動。Ⅰ25a工字鋼作為分配梁，中心間距30cm，橋面滿鋪1cm厚的鋼板。貝鋼棧橋設計僅允許同時通過一輛車，主要通過的車輛設備為砼料運輸車（車重35t+水泥重25t=60t）、汽車吊 25t（自重 31t+吊重 25t），行駛速度小于 5km/h。

1.2 工程水文及地質情況

本項目橋址區內穿過金溪，溪寬約180～210m，水深約 3.0～6.5m，流速約 1.0～1.5m/s，受上游水流沖刷影響，地表覆蓋層全部被沖刷掉，河底直接出露侏羅系梨山組的炭質炭質粉砂巖及其風化層，根據勘察其間觀測的河水水位標高分別為：最高河水位：115.70m，最低河水位114.74m，主要受降雨及上游水電站泄水影響。

橋址區河底直接出露侏羅系梨山組的炭質粉砂巖（J1lS1b）、震旦系麻源群云母石英片巖（AnZjn2c）及其風化層，基巖風化層中見散體狀強風化炭質粉砂巖巖軟弱夾層、孤石分布。工程地質條件為較復雜。從上到下各層依次為：（1）⑨-1 全風化炭質粉砂巖（J1lS1b）：深灰色、灰黑色，為巖石風化成因。該層主要分部于河床上層，層厚約 0.2～1.5m。（2）⑨-2 全風化云母石英片巖（AnZjn2c）：褐灰色，為巖石風化成因。該層主要分部于河床上層，層厚約 0.1～1.8m。（3）⑩-1散體狀強風化炭質粉砂巖（J1lS1b）：深灰色，灰黑色，為巖石風化成因，母巖系炭質粉砂巖。該層主要分部于河床下層，居于全風化巖層之下，層厚約1～8m。（4）⑩-2碎裂狀強風化炭質粉砂巖（J1lS1b）：深灰、灰黑色，為巖石風化成因，母巖系炭質粉砂巖。該層主要分部于河床下層，居于全風化巖層之下，層厚約 1～8m。

2 棧橋總體施工方案

鋼棧橋設計荷載為砼罐車單車道行駛及25t汽車吊工作荷載設計，棧橋設計時速為5km/h，縱向行車間距不小于12m。主棧橋橋面寬度5m，設計基本孔徑12m，全橋設置每跨設3m制動墩。鋼棧橋及平臺施工時將各種鋼材加工場和小件拼裝等設在兩頭河岸堤壩旁施工生產區內。鋼棧橋及平臺鋼管樁采用25t汽車吊和振動錘配合，逐孔施打下沉，上部結構架設采用“釣魚法”施工，逐孔架設，施工平板運輸車運輸鋼管樁及各種型鋼、橋面板等。主棧橋全長225m，棧橋兩側欄桿采用Φ48×3.5鋼管作為立柱和扶手，立柱間距300cm，立柱高1.2m，棧橋兩端設置砼橋臺，全橋共設制動墩14個。棧橋設計圖橫斷面及材料構成圖如圖1。

為了增加鋼棧橋在流水壓力和風荷載的作用下的橫向穩定性，相鄰鋼管樁通過槽鋼焊接，貝雷片底設置限位槽鋼聯接，貝雷片頂設置限位槽鋼連接，以增加整體剛性。為保證結構要求，其入土深度應穿過覆蓋層至巖層頂面，且同一制動墩4根橫向間距為4m及縱向3m間距的鋼管樁橫向在同一軸線上。

圖1 棧橋設計圖橫斷面（單位：cm）

3 設計荷載及計算原則

3.1 荷載作用

（1）結構自重

鋼結構自重由軟件按照容重78.5kN/m3自動計算。

（2）混凝土運輸車

按12m3砼罐車，自重60t，按公路-Ⅰ級車輛布置，考慮砼罐車在棧橋一側及中間分別驗算。

（3）50t履帶吊

50t級別的履帶吊，容許吊重20t。50t履帶自行式起重吊車參數：自重按50t計，計算履帶作用長度5150 mm，履帶寬度760mm，中對中距離4000 mm。容許吊重200kN，在吊重時，履帶吊總重700kN。

（4）汽車吊荷載

上式中，K為橋墩形狀系數，K=0.8；γ為水重力密度，γ=10kN/m3；V 為設計速度，V=1.5m/s；g 為重力加速度，g=10m/s2；A為橋墩阻水面積，計算至一般沖刷線處。

3.2 設計荷載組合

設計荷載組合有6種：組合1—恒載+履帶吊施工荷載；組合2—恒載+履帶吊行走荷載；組合3—恒載+混凝土罐車走一側；組合4—恒載+混凝土罐車走中間；組合5—恒載+汽車吊側方吊荷載；組合6—恒載+汽車吊后方吊荷載。

3.3 設計計算原則

根據 《公路鋼結構橋梁設計規范 》（JTG D64-2015）中臨時結構材料允許應力取值提高1.30，模型建立時考慮舊材料折減系數0.8，鋼結構應力計算采用允許應力法。

按徐工25t汽車吊在棧橋上側方吊、后方吊工作驗算。

（5）水流力荷載

水流壓力沿一般沖刷水深按三角形分布施加在迎水面，計算如公式（1）。

4 模型建立與分析

4.1 模型建立

采用MIDAS CIVIL 2012進行空間梁單元分析，縱向選取2跨一聯作為計算模型，計算模型如圖2所示。橋面板采用板單元，分配梁、貝雷架、主橫梁、鋼管樁采用梁單元，剪刀撐等拉結件采用桁架單元模擬，總計2698個單元，節點1671個。

4.2 計算模型分析

4.2.1 上部結構變形分析

由表1和圖3可知，在組合5工況作用（自重和汽車吊側方工作）下，最大位移量為7.107mm，滿足設計要求。

表1 結構位移量表（mm）

4.2.2 主要構件應力分析

由表2和圖4可知，在組合工況下，橋面板最大應力為34.0MPa，橋面分配梁最大應力57.8MPa，貝雷架最大應力為230.5MPa，主橫梁最大應力為45.8MPa，均滿足設計要求。

圖2 計算模型

圖3 結構豎向變形（mm）

圖4 各主要構件最大應力（MPa）

圖5 橋墩鋼管樁最大支反力（kN）

表2 主要構件應力（MPa）

4.2.3 鋼管樁反力分析

由表3和圖5可知，在組合工況下，單樁反力最大值374.1kN。

4.3 鋼管樁及樁基穩定計算分析

4.3.1 持力層計算參數

表3 橋墩鋼管樁最大支反力（kN）

根據橋梁設計地質資料，以及現場管樁試樁土層揭露顯示：地表覆蓋層全部被沖流掉，河底直接出露侏羅系梨山組的炭質炭質粉砂巖及其風化層，土層主要為 （岸邊）人工填土（Q4ml），下伏為侏羅系梨山組的炭質粉砂巖（J1lS1b）、震旦系麻源群云母石英片巖（AnZjn2c）及其風化層，河床中棧橋管樁可以振動貫入全風化層 （層厚0.1～1.8m），部分可以貫入強風化層0.5m左右。

為鋼棧橋進行安全儲備，樁基鋼管樁持力層選取碎石狀極軟巖（Raj＜5MPa，σ0=400～800kPa），選取 σ0=400kPa。

碎石狀極軟巖按碎石土的極限側摩阻力標準值為160～400kPa，為了安全儲備，統一取160kPa，并乘以 0.8的折減系數后，以128kPa極限摩阻力值對鋼管樁入土深度進行計算。

4.3.2 樁基承載力計算

樁基組合后最大反力設計值為374.1kN。

Φ529 鋼管每米的表面積為：S=πDh=3.14×0.529×1=1.661m2。

圓礫土層中每米Φ529鋼管所產生的摩擦力為：F=PS=128×1.661=212.6kN。

取每根樁的荷載為384.5kN，則鋼管樁進入泥質粉沙巖的深度為：L=374.1/F=374.1/212.6=1.8m，即進入一般沖刷線以下不少于1.8m的深度，樁基樁底進入一般沖刷線以下不小于1.8m即可滿足設計要求。

4.3.3 鋼管樁強度計算

（1）在以上組合最不利荷載作用下，鋼管樁樁身組合應力最大值41.1MPa，如圖6；在50t級別的履帶吊制動力荷載作用下，鋼棧橋鋼管樁樁身應力最大值44.3MPa；樁身強度滿足設計要求。

圖6 橋墩組合工況下鋼管樁樁身應力（MPa）

（2）在50t級別的履帶吊制動力荷載作用下，制動力選取履帶吊工作自重700kN×10%=70kN，鋼棧橋鋼管樁最大反力7.3kN，如圖7所示：

圖7 橋墩制動鋼管樁反力（kN）

（3）在50t級別的履帶吊制動力荷載作用下，并組合履帶吊自重后，鋼棧橋鋼管樁樁身應力44.3MPa，如圖8。

圖8 橋墩制動鋼管樁樁身應力（MPa）

4.3.4 鋼管樁穩定計算

由支反力模型中知，在最不利荷載作用下，樁基組合后最大反力設計值為374.1kN。Φ529×10mm鋼管樁自錨固點到貝雷梁底面的最大長度為8.5m，按一端嵌固，一端鉸支計算壓桿穩定，長度系數μ=0.7。

Φ529×10mm 鋼管樁截面面積為 A=163.049cm2，i=18.352，故壓桿長細比查a類截面軸心受壓構件的穩定系數φ=0.958。

故Φ529×10mm鋼管樁壓應力：

由歐拉臨界應力：

壓桿維持直線平衡無彎曲屈曲，樁身穩定滿足設計要求。

4.4 整體抗傾覆穩定分析

4.4.1 穩定性分析

整體抗傾覆穩定分析主要考慮結構自重和橫向水流力荷載。樁底反力分布如圖9。

由圖9可見，從反力分布上，橫向水流力和自重組合下不會發生橫向傾覆失穩，因為樁基底部均出現受壓狀態，最小壓力為18.4kN，沒有失穩危險。

棧橋1聯3m+9m+3m自重反力合計為373.0kN（模型鋼材用量指標為497.3kg/m2），抗傾覆力臂為2m；單樁水流力為4.05kN，1聯共計4根樁，傾覆力臂為5.67m（計算樁長8.5m），鋼管樁不計樁底抗拔力，抗傾覆穩定系數為8.1。施工期抗傾覆安全系數允許值為1.2，滿足穩定要求。

圖9 橋墩鋼管樁支反力（kN）

4.4.2 考慮風速穩定性分析

考慮風速影響，以及實際施工棧橋在極端天氣中停止使用的狀況，棧橋僅考慮水流及風力作用下的抗傾覆穩定，因此根據 《公路橋梁抗風設計規范》（JTG/T D60-01-2004）施工水位以上橫橋向風荷載可按下列公式計算：

按上式，結合查詢福建省順昌縣常年風速數據，選取風速為順昌10年重現期14.3m/s，空氣密度1.25kg/m3，風阻系數 CH為 1.7，遮擋系數為0.80，梁高 H=1.5m，因此每片貝雷架橫向風荷載為0.261kN/m。

1聯跨18m主棧橋抗傾覆驗算：風荷載傾覆力矩為0.261kN/m×18m×6×8.5m=240kN·m； 水流力傾覆力矩為：4.05×4×5.67m=92kN·m； 結構自重抗傾覆力矩：373.0×2.0m=746kN·m。

因此，施工期間百年一遇洪水期水流速度為1.5m/s時，同時考慮風速影響時，棧橋1聯18m在完全不考慮樁基抗拔力的情況下，抗傾覆安全系數為2.25大于施工期安全系數允許值1.2，滿足穩定要求。

5 結語

通過以上分析可見，在最不利荷載組合下，棧橋各構件強度及變形均滿足設計要求。為了確保鋼棧橋使用安全可靠，在施工時要保障鋼管樁入土深度，以滿足結構承載力要求，另外鋼結構接縫設置需滿足規范要求，焊縫飽滿。鋼棧橋施工的吊車作業時支腿應盡量避開鋼管樁頂，如需支于該處，則其枕木總體面積應大于結構驗算值，以利于施工荷載傳遞擴散，減小應力集中處數值。鋼棧橋施工屬于危險性較大的工程，施工中除了按照正常的施工工藝組織實施外，著重做好上述各個方面的質量控制對鋼棧橋成橋后的質量能起到重要作用。另外使用過程中需要加強對鋼棧橋的位移沉降及變形的監測。