碼頭大跨鋼管混凝土拱棧橋成橋索力及動力特性分析

姜 魯

（大連理工大學土木建筑設計研究院有限公司，遼寧 大連 116023）

0 引言

拱梁組合體系的下承式鋼管混凝土系桿拱橋是一種重要的無推力拱橋形式。該種橋型利用橋面系縱梁作為系桿，拱梁在拱腳處剛接，支承于墩臺支座之上，形成類似于簡支梁的外部靜定、內部超靜定受力體系[1]。該種橋型因其具有受力合理、跨越能力強、地基適應性好、造型宏偉美觀、海上吊運施工便捷等諸多優點，在港口工程中有著十分廣泛的應用，并已成為我國碼頭大跨棧橋的主要結構形式之一。

由于碼頭建設及使用要求的特殊性，碼頭大跨下承式鋼管混凝土系桿拱棧橋的荷載形式與一般的公路及市政拱橋有很大的區別，主要體現在：碼頭棧橋主要承受裝卸工藝荷載（如管道輸送介質及其配套管架等），汽車（或起重運輸機械）及人群荷載處于次要地位；公路及市政橋梁主要承受汽車荷載，專用的人行橋主要承受人群荷載。這種荷載形式的不同導致了碼頭拱棧橋的吊桿合理成橋索力與動力特性同一般公路及市政橋梁有著顯著的區別。

本文以恒力石化（大連）煉化有限公司30萬t級原油泊位棧橋工程為背景，利用Midas/Civil有限元軟件建立了下承式鋼管混凝土系桿拱橋的空間桿系有限元模型，采用彎曲能量最小法對其合理成橋索力進行了計算與優化。同時，針對棧橋的輸油管道空載、滿載工作等不同工況，對其動力特性進行了分析。

1 工程概況

1.1 概述

恒力石化（大連）煉化有限公司30萬t級原油泊位棧橋工程位于遼寧省大連市長興島臨港工業區，為連接114#、115#泊位（30萬t級原油泊位）碼頭平臺與防波堤間的棧橋結構。每個泊位棧橋總長度（含棧橋水工墩）為487 m，由4跨下承式鋼管混凝土系桿拱橋支承于水工墩上組成，兩個泊位共8跨。每跨橋長118 m，計算跨徑111.6 m，矢跨比1/5，橋面全寬14.5 m。棧橋的主要功能為架設工藝管線，同時供檢修車輛及行人通行。

每跨橋含兩片拱肋。單片拱肋采用雙肢桁式斷面，由上、下弦桿和腹桿焊接而成，弦桿內灌注混凝土，上、下弦桿軸線間距2 m，橫橋向拱肋軸線間距11.9 m。拱肋間設置風撐以增大橫向剛度，風撐由米字撐、K撐和一字撐組成。橋面系由系桿、橫梁、縱梁及斜撐組成。系桿與拱肋剛接，平衡拱肋產生的水平推力；橫梁為主要承載構件，直接承擔管線荷載并將縱梁荷載傳遞至吊桿；縱梁主要承擔行車道荷載。為保證橋面系橫向整體穩定，設置斜撐。系桿采用焊接箱形截面；縱梁、斜撐采用焊接H形截面；橫梁采用焊接箱形截面。吊桿采用環氧噴涂鋼絞線成品索GJ15-9，強度fpk=1 860 MPa，兩端均設擠壓式錨具。橋面除伸縮縫安裝范圍和行車道部分鋪筑纖維混凝土外，其余均鋪設鋼板。吊桿編號自橋端到跨中依次為1#～10#，對稱位置吊桿采用相同編號，施工時按同一索力同時張拉。單跨棧橋立面布置見圖1。

圖1 單跨棧橋立面構造圖（單位：mm）

全橋面橫向布置為：900 mm（電纜橋架通道）+800 mm（拱肋）+4 200 mm（行車道）+6 900 mm（管廊帶）+800 mm（拱肋）+900 mm（檢修通道）=14 500 mm。棧橋橫斷面見圖2。

圖2 棧橋橫斷面（單位：mm）

1.2 主要技術標準

（1）結構設計安全等級為一級；設計使用年限：100 a；環境類別：II類。

（2）設計荷載

a.工藝管線荷載

D-002/D-005管墩:

一層管線豎向總重為7 700 kg/m；

二層管線豎向總重為205 kg/m；

其他管墩:

一層管線豎向總重為3 390 kg/m；

二層管線豎向總重為205 kg/m；

管線水平荷載標準值按《化工工程管架管墩設計規范》有關規定計算。

b.工藝管架荷載

管架布置在橫梁和端橫梁上，自重荷載3 840 kg/個。

c.檢修通道及行車道荷載

按照人群3.0 kPa，20 t單車荷載考慮。

d.溫度

最高有效溫度：+46℃；最低有效溫度：-21℃。

e.風荷載

基本風速 35.2 m/s（1/100），基本風壓 0.75 kPa。

（3）地震

本地區地震動峰值加速度為0.1 g，抗震設防烈度為7度，地震動反應譜特征周期為0.40 s，抗震設防類別為C類。

1.3 施工順序

恒力石化（大連）煉化有限公司30萬t級原油泊位棧橋工程根據其工程場地特點及港口工程的建設條件，采用的施工順序如下：

鋼構件工廠預制，并分節段運至拼裝場地→場地內搭支架拼裝橋面系、拱肋，并安裝吊桿，鋪設橋面鋼板→拆除支架→按照設計初拉力，從兩側向中心按順序進行張拉調索→安裝墩頂支座→采用吊裝能力適宜的海吊整體吊運→安裝就位后，灌注拱肋混凝土→待混凝土達到設計強度90%以上后，進行橋面施工（包括：現澆混凝土行車道板，安裝伸縮縫、欄桿等附屬構件，安裝管架、工藝管線等）。

2 有限元模型

對于鋼管混凝土構件的桿系有限元建模，常用的方法有聯合截面法與換算截面法等兩種。前者利用有限元方法中的激活鈍化（單元生死）方式模擬鋼管混凝土構件中管內混凝土在不同施工階段的狀態，能夠更好地對橋梁的施工階段進行分析；后者將鋼材與混凝土材料按一定的方式換算成“鋼管混凝土”材料，其彈性模量與設計強度分別由換算的組合彈性軸壓模量與組合軸心抗壓強度確定，這種方法同《鋼管混凝土拱橋技術規范》[2]與《公路鋼管混凝土拱橋設計規范》[3]貼合密切，成橋分析時宜采用該種方法。

本文采用換算截面法，將鋼管混凝土拱肋在成橋階段按規范方法[3]換算為單一材料，建立桿系有限元模型。模型見圖3。

圖3 有限元模型

3 合理成橋索力

對于一般的公路及市政橋梁，尤其是一次落架的斜拉橋和拱橋，合理成橋索力及索力優化多在恒載作用下進行。然而，原油碼頭棧橋的主要功能為架設工藝管線，根據《化工工程管架、管墩設計規范》[4]中對管道介質自重考慮方式的有關規定，碼頭棧橋的合理成橋索力確定及索力優化中應考慮管道介質的自重。

合理成橋索力的確定及索力優化的方法通常有：剛性支撐連續梁法，零位移法，彎曲能量最小法，彎矩最小法，用索量最小法，最大偏差最小法等[5]。傅金龍[6]等對上述方法進行了分析比較，認為彎曲能量最小法和彎矩最小法的吊桿索力優化結果較好。本橋為下承式系桿拱橋中的剛性系桿剛性拱類型[1]，該種橋型的受力特點為：拱肋與系桿均以受軸力為主，且能承受一定程度的彎矩。為充分發揮材料性能，減小用于抵抗彎矩的材料用量，索力優化的目標為使拱肋和系桿的彎曲能量盡可能小，因此，本橋的合理成橋索力確定方法采用彎曲能量最小法，通過合理的結果修正的到最終合理成橋索力。彎曲能量最小法算得的1#吊桿（邊吊桿）索力值較其他吊桿偏大較大，雖符合該種方法的計算特征，即：邊吊桿索長短，相同變形量下的應變大，導致計算出的索力大。在設計中對該處吊桿索力進行均勻化處理，得到修正后的合理成橋索力。

計算及修正后的合理成橋索力見表1。

4 動力特性分析

對于一般公路及市政鋼管混凝土拱橋，規范[3]給出了基于跨徑的沖擊系數計算方法，并同《公路橋涵設計通用規范》[7]給出的基于基頻的計算方法進行了對比。上述規范方法在計算沖擊系數的時候均主要考慮橋梁恒載質量的影響。然而，對于主要用于架設工藝管線的碼頭鋼管混凝土拱棧橋，根據管架規范有關規定[4]，其動力特性中應分工況考慮是否計及管道介質重量。管道介質重量會顯著增加橋梁結構廣義質量，對其動力特性有較大影響。

針對管線空載與滿載兩種工況，分別借助有限元模型進行了特征值分析，得到了兩種不同工況下的豎向振動基頻。針對得到的不同基頻，按《通規》[7]公式進行了沖擊系數的計算，并同鋼管混凝土規范公式[3]的計算結果進行了對比。具體結果見表2。

表2 動力特性及沖擊系數

可以看出，對于大跨鋼管混凝土系桿拱棧橋，其空間剛度小、質量大，導致管道空載狀態下的豎向基頻很小，而考慮管道滿載增加橋梁廣義質量后的豎向基頻則更小。對比兩種規范給出公式的計算結果中可以發現，《公路鋼管混凝土拱橋設計規范》中的沖擊系數要顯著大于《公路橋涵設計通用規范》，設計中為保守起見應按《公路鋼管混凝土拱橋設計規范》的公式執行。

5 結論

對于碼頭大跨下承式鋼管混凝土系桿拱棧橋，由于承受的荷載形式與一般公路及市政橋梁有著顯著不同，同時需要兼顧港口工程建設的特殊要求，其合理成橋索力及動力特性的計算方法與一般公路與市政橋梁有很大區別。

本文通過對恒力石化（大連）煉化有限公司30萬t級原油泊位棧橋工程的有限元計算分析，得到了如下結論：

（1）驗證了彎曲能量最小法在碼頭拱棧橋的合理成橋索力計算中的合理性，通過修正得到了設計中使用的合理成橋索力值；

（2）通過對管線滿載狀態及空載狀態豎向基頻的對比計算，發現管道介質自重對橋梁的動力特性影響顯著，設計中應充分考慮；

（3）通過對不同規范的沖擊系數計算公式進行對比，發現《公路鋼管混凝土拱橋設計規范》中的沖擊系數要顯著大于《公路橋涵設計通用規范》，設計中應采用《公路鋼管混凝土拱橋設計規范》的公式。