白石大橋棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元仿真分析

田福建

(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300459)

1 工程概況

浙江樂(lè)清灣港區(qū)鐵路支線工程SG04標(biāo)白石大橋，位于樂(lè)清市白石鎮(zhèn)境內(nèi)，中心里程DK31+842.46，起點(diǎn)里程DK31+627.15,終點(diǎn)里程DK32+077.79，橋梁全長(zhǎng)450.64 m。由于橋位跨越新河浜，為八級(jí)通航河流，航向與水流方向與橋梁基本垂直，且3#～5#墩位于水中。為了進(jìn)行水中墩樁基承臺(tái)及墩柱的施工，需在新河浜河中搭設(shè)棧橋輔助施工。考慮通航要求，棧橋不全部貫通，首先在左岸(以河流流向?yàn)閰⒖迹±锍谭较驗(yàn)樽蟀?側(cè))，大里程方向?yàn)橛野?側(cè)))至3#、4#墩線路左側(cè)搭設(shè)棧橋，施工3#、4#墩，留4#～5#墩約27.6 m航道；待3#、4#墩施工完成，拆除棧橋，搭設(shè)右岸～5#墩施工平臺(tái)，以確保通航要求。在承臺(tái)一側(cè)設(shè)置支棧橋，主要用于鋼板樁吊裝及輔助樁基施工，墩位上方設(shè)置鉆孔平臺(tái)，支棧橋在鉆孔平臺(tái)的順橋向后方布置1座，順橋向?qū)挾? m，橫橋向長(zhǎng)度24 m，支棧橋及鉆孔平臺(tái)頂標(biāo)高同主棧橋。

棧橋位置水文地質(zhì)情況如下：溫州為我國(guó)東南沿海臺(tái)風(fēng)的主要登陸點(diǎn)之一，多年臺(tái)風(fēng)統(tǒng)計(jì)頻率2.4次/a，瞬時(shí)最大風(fēng)力達(dá)12級(jí)以上，瞬時(shí)風(fēng)速可達(dá)40 m/s，定時(shí)最大風(fēng)速達(dá)25 m/s。新河浜橋區(qū)測(cè)時(shí)水位+2.82 m，通航水位+3.00 m，百年一遇水位+4.90 m。橋區(qū)水下地形總體而言平坦，最大水深約4.06 m。擬建白石大橋所處位置地形平緩。橋址區(qū)地質(zhì)土層依次為：①淤泥層，厚度0.8 m；②淤泥質(zhì)粘土層，厚度1 m；③粘土層，厚度6 m；④中砂層，厚度9 m；⑤細(xì)圓礫土，厚度3 m。其中，淤泥及淤泥質(zhì)粘土具有強(qiáng)度低、高壓縮性、高靈敏度、高含水量、高孔隙比、易觸變等特性，工程性質(zhì)差，未見其它不良地質(zhì)現(xiàn)象。

2 棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工

2.1 棧橋結(jié)構(gòu)形式

由于棧橋位于強(qiáng)風(fēng)地區(qū)，風(fēng)荷載對(duì)棧橋會(huì)產(chǎn)生很大的附加荷載，并且會(huì)導(dǎo)致棧橋主梁和鋼管樁的應(yīng)力大幅增加，因此應(yīng)盡可能減小迎風(fēng)面積，以降低風(fēng)阻，保證強(qiáng)風(fēng)、臺(tái)風(fēng)條件下棧橋結(jié)構(gòu)的安全可靠。

常用的棧橋主梁有三種結(jié)構(gòu)形式[1]：即型鋼、貝雷梁和六四軍用梁，通過(guò)對(duì)橫橋向迎風(fēng)面積的計(jì)算，六四軍用梁橫橋向的迎風(fēng)面積最大，其次是貝雷梁，最小的工字鋼(32a為例)。此外對(duì)于貝雷梁和軍用梁這種桁架結(jié)構(gòu)，在臺(tái)風(fēng)來(lái)作用時(shí)，由于風(fēng)會(huì)從桁架較大面積透空處穿過(guò)，可能誘發(fā)風(fēng)致振動(dòng)，使得其位移增加，甚至產(chǎn)生扭曲，增加傾覆、墜落的風(fēng)險(xiǎn)。而對(duì)于型鋼結(jié)構(gòu)，不僅迎風(fēng)面積比較小，同時(shí)風(fēng)致動(dòng)力效應(yīng)會(huì)相對(duì)較小。通過(guò)以上分析，采用工字鋼作為棧橋主梁比較合適，最終確定的棧橋結(jié)構(gòu)自下而上依次為：①打入河床的鋼管樁(?478 mm×10 mm)，間距4 m，每排兩根，鋼管之間設(shè)置十字槽鋼([14a背靠背)作為連接系。②焊接的雙拼I40b橫梁，布置在鋼管上，在鋼管頂部開一個(gè)矩形槽，把雙拼I40b卡入槽中。為了防止局部應(yīng)力過(guò)大，在開槽位置的鋼管外壁貼焊10 mm厚度的鋼板。③縱橋向I32a主梁，間距0.3 m。④橋面鋼板，采用厚度10 mm的花紋鋼板作為橋面。棧橋采用兩跨一聯(lián)，其橫斷面如圖1所示。

圖1 棧橋橫斷面(單位：m)

2.2 棧橋的施工工藝

根據(jù)以上棧橋的構(gòu)造，其施工順序依次為：①打入螺旋鋼管樁。采用50 t履帶吊逐根打入河床，并焊接聯(lián)結(jié)系槽鋼。②吊裝橫梁。在每排鋼管樁上布置雙拼工字鋼橫梁，雙橫梁卡入鋼管頂部的槽中，并在每排鋼管樁的外側(cè)鋼管位置，將工字鋼下翼緣接觸位置與鋼管壁焊接，另一側(cè)鋼管位置則不焊接，保證橫梁在橫橋向自由伸縮。③吊裝主梁。在雙拼工字鋼橫梁上面布設(shè)縱橋向主梁，為保工字鋼主梁的穩(wěn)定性，在一聯(lián)梁的中間鋼管樁位置，將橫梁與縱向主梁滿焊連接；在一聯(lián)梁兩側(cè)邊墩的鋼管樁位置，橫梁與主梁則不焊接，只是對(duì)主梁的橫橋向設(shè)限位裝置，從而保證主梁不產(chǎn)生附加軸力。④鋪設(shè)橋面鋼板。縱向主梁上面鋪設(shè)花紋鋼板，橋面鋼板采用分塊鋪設(shè)，在鋼板與工字鋼翼緣板接觸位置焊接(縱橋向)，同時(shí)在橋面兩側(cè)焊接鋼管護(hù)欄。施工完一聯(lián)后，履帶吊在棧橋上前移進(jìn)行下一聯(lián)梁作業(yè)，如此循環(huán)。

3 棧橋有限元仿真計(jì)算

3.1 荷載分析

荷載分析需要考慮棧橋的功能和施工現(xiàn)場(chǎng)的重車情況，通過(guò)分析施工現(xiàn)場(chǎng)的車輛情況，較重的車輛荷載包括以下兩種：

(1)12 m3混凝土罐車(攪拌車)按照車輛參數(shù)總重25 t，只能裝5～6 m3混凝土，考慮施工中有時(shí)存在嚴(yán)重超載，這里按照12 m3混凝土計(jì)算；罐車車體自重14 t，則滿載12×2.4 t+14 t=42.8 t，計(jì)算采用45 t的計(jì)算總荷載。罐車縱向3個(gè)軸重依次7 t、19 t、19 t，軸距為4 m、1.4 m，雖然車速較低，仍有一定沖擊，計(jì)算考慮1.1的沖擊系數(shù)。

(2)自重50 t的履帶吊，吊重20 t，按照總重70 t計(jì)算。計(jì)算時(shí)，取用標(biāo)準(zhǔn)的履-50荷載(履帶寬0.7 m，有效長(zhǎng)度4.5 m，履帶中心距2.5 m)，考慮1.4的系數(shù)，實(shí)現(xiàn)70 t總重的荷載。起吊作業(yè)均應(yīng)緩慢作業(yè)，不考慮沖擊系數(shù)。

最不利的荷載組合共兩種：荷載組合1，結(jié)構(gòu)自重+罐車荷載；荷載組合2，自重+履帶吊作業(yè)時(shí)總重70 t。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，計(jì)算時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)自重采用1.2的分項(xiàng)系數(shù)，對(duì)活載(罐車、50 t履帶吊車)采用1.4的分項(xiàng)系數(shù)。

3.2 有限元模型的建立

為了準(zhǔn)確計(jì)算棧橋的工作狀態(tài)，需要對(duì)棧橋進(jìn)行模擬分析，雖然棧橋主梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以按照單梁進(jìn)行分析，但是橋上的移動(dòng)荷載在20根主梁上的荷載分布很難準(zhǔn)確計(jì)算，還需要確定活載的最不利位置，因此單梁計(jì)算分析存在很大限制。而建立橋面鋼板、主梁、橫梁和管樁的整體模型并直接施加荷載，則更能反映棧橋的實(shí)際工作狀態(tài)。顯然整體模型需要合理模擬鋼板與主梁、主梁與橫梁、橫梁與鋼管的接觸位置條件，保證棧橋工作狀態(tài)產(chǎn)生的位移與模型一致就尤為重要。

經(jīng)過(guò)細(xì)致分析和試算，最終建立的有限元模型中，橋面板使用薄板單元進(jìn)行模擬，主梁和橫梁使用普通梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，不建立鋼管樁單元，而是在鋼管樁位置設(shè)邊界條件，計(jì)算得到的反力施加在鋼管樁上，對(duì)鋼管樁進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算。對(duì)于不同構(gòu)件接觸位置的交界約束模擬如下[2]：①橋面鋼板與縱向主梁之間。由于橋面鋼板與工字鋼主梁設(shè)置縱向焊縫，鋼板橫橋向可以自由產(chǎn)生線位移，所以在模型中板單元橫橋向中間的點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的主梁采用剛性連接來(lái)模擬焊接，其他接觸點(diǎn)采用一般連接，釋放橫橋向的相對(duì)位移，這樣保證橋面鋼板單元可在橫橋向向兩側(cè)自由伸縮，與結(jié)構(gòu)相吻合。②主梁和橫梁之間。此二者接觸位置采用共用節(jié)點(diǎn)，由于在鋼管立柱位置設(shè)置一般支撐，在6個(gè)支撐中，其中一個(gè)為固定支座約束形式，其他支撐位置釋放相應(yīng)的縱橫向線位移，從而保證了橫梁在順橋向、橫橋向均可自由變位，這樣實(shí)際上也就保證了主梁縱橋向可以自由伸縮、橫梁在橫橋向也可以產(chǎn)生自由變位。采用如上模擬，就可以保證棧橋主梁、橫梁的位移與實(shí)際工作狀態(tài)相吻合。整個(gè)計(jì)算模型梁?jiǎn)卧? 580個(gè)、板單元共2 400個(gè)。計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 棧橋有限元模型

3.3 計(jì)算結(jié)果

對(duì)于混凝土罐車19 t重的兩個(gè)后輪作用在棧橋跨中(主梁受力最不利)、中墩上方(下橫梁受力最不利)兩種情況，單輪的輪胎作用面積為0.2 m×0.6 m，則鋼板的荷載集度為791 kN/m2；單個(gè)前輪35 kN作用面積0.2 m×0.3 m，鋼板的荷載集度583 kN/m2。考慮到車輛不可能嚴(yán)格按照中線行駛，左右兩輪荷載在偏離橋面板中線0.5 m的板單元上加載。

對(duì)于70 t的履帶吊荷載，履帶吊總重700 kN，一側(cè)為350 kN，履帶作用面積4.5 m×0.6 m，兩側(cè)履帶的中心距2.5 m，換算成均布荷載為130 kN/m2。由于吊車作業(yè)不能偏心太多，因此按均布荷載偏離橋面板中線0.2 m位置的板單元上加載。

按照最不利位置加載，即將罐車的重軸、履帶吊車的履帶荷載分別施加在主梁的跨中、支座位置上方的橋面板單元上。加載計(jì)算后，最終荷載組合1的計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出結(jié)構(gòu)的最大正應(yīng)力：σmax=145.45 MPa、160.4 MPa，均小于215 MPa。最大正應(yīng)力位于中間橫梁(雙拼40b工字鋼)上，接近其中點(diǎn)的位置；最大剪應(yīng)力：τmax=24.7 MPa、29.16 MPa，均小于 125 MPa，位于中間橫梁(雙拼40b工字鋼)上，臨近與鋼管接觸的位置。強(qiáng)度滿足要求[3]。

主梁的最大豎向位移(重軸作用在跨中)：13.24 mm

圖3 混凝土罐車不同作用位置棧橋計(jì)算結(jié)果

荷載組合2的計(jì)算結(jié)果為：結(jié)構(gòu)的最大正應(yīng)力σmax=166.9 MPa、183 MPa，均小于215 MPa。剪應(yīng)力τmax=85 MPa、41.9 MPa，均小于125 MPa，滿足強(qiáng)度要求[3]。主梁的最大豎向位移(履帶在跨中)：14.67 mm

荷載組合2的最大應(yīng)力和變形位置與荷載組合1基本相同。

3.4 鋼管計(jì)算

經(jīng)過(guò)對(duì)比結(jié)果，荷載組合2(自重+履帶)荷載作用在支座位置，反力最大，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。該反力即為鋼管承受的豎向荷載。

圖4 最大反力計(jì)算結(jié)果(單位：kN)

從圖4可以看出，橫梁的最大豎向反力為380 kN。由于鋼管樁主要承受豎向壓力，即軸力控制設(shè)計(jì)，按照施工方案，鋼管打入時(shí)要求貫入力不小于450 kN>380 kN，顯然鋼管軸向承載力滿足要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合白石大橋位于強(qiáng)風(fēng)地區(qū)的工程實(shí)際，采用工字鋼作為主梁，設(shè)計(jì)施工了輔助水中墩樁基承臺(tái)及墩柱施工的棧橋。經(jīng)施工檢驗(yàn)，該棧橋安全可靠，目前棧橋已經(jīng)拆除，順利完成了輔助橋梁施工的作用。