京哈高速公路拉林河特大橋鋼棧橋設計

石春龍

（中國市政工程東北設計研究總院有限公司 長春市 130021）

1 項目背景

項目為京哈高速拉林河（吉黑省界）至哈爾濱段改擴建工程（高速公路），既有拉林河大橋橋跨組合為：7×35m+8×35m，橋梁全長為531.12m，橋梁總寬為28m。改擴建后的拉林河特大橋共37孔，每跨35m，橋跨布置為6×（3×35m）+4×35m+5×35m，全橋長度1301.1m，橋梁角度為90°。橋梁寬度2×20.5m，最大橋高13m，橋梁全長1303.2m，上部構造預應力混凝土簡支轉連續箱梁，橋墩為柱式墩，橋臺為肋板臺，基礎為鉆孔樁基礎，設計水位141.43m，設計流量6410m3／s。

拉林河特大橋上部結構采用35m預應力混凝土簡支轉連續箱梁。橋跨橫向全寬42.0m，雙向共八車道。橋面橫向布置為：2×0.5m（防撞墻）+19.0m（行車道）+1.0m（防撞欄）+1.0m（分隔帶），兩幅橋對稱布置，橋面橫坡采用雙向2%。既有橋梁上部結構全部拆除，新建引橋上部。原有橋梁下部結構以利用為原則，16#、36#橋墩，37#橋臺為新建，其余墩臺均完全利用。利用橋墩先鑿除原有下部蓋梁部分，墩身接高后新建整體式橋墩蓋梁，實現新、舊墩臺下部的連接。

鋼棧橋設計標準跨度為12m，寬8m，采用樁柱式貝雷梁支承體系，右幅鋼棧橋跨度分布為3×（7×12m）m，左幅鋼棧橋跨度分布為7×12m+7×12m+6×12m。橋墩處采用鋼管樁樁基，每排鋼管之間的橫向距離為2.8m，鋼管樁直徑為800mm、厚度為10mm，鋼管間設置［22a的槽鋼剪刀撐和Φ300×6mm的鋼管平聯，樁頂橫梁為雙拼HN450×200工字鋼，貝雷梁采用雙排單層體系，其上的橫向分配梁為工20b工字鋼，橋面鋼板厚度為12mm。標準橫斷面如圖1所示。

2 計算模型

采用MIDAS／CIVIL軟件，建立一聯7×12m的計算模型，節點共8073個，單元共14332個，其中橋面板采用板單元，其余均采用梁單元。貝雷梁材料型號為Q345，其余鋼材為Q235［1］?？臻g有限元模型如圖2所示。

3 計算荷載

（1）恒荷載

自重荷載MIDAS／CIVIL軟件可以根據構件的實際重量自動添加，自重按照恒荷載工況添加后和其他荷載組合計算。

（2）移動荷載

根據施工需要，棧橋除通行人員、運輸小型機具材料的一般車輛外，還需通行80t履帶吊機、12m3水泥罐車和360型旋挖鉆機。模型通過影響面加載，自動確定最不利受力狀態。

（3）溫度荷載

按整體升溫20℃，降溫40℃考慮。

（4）流水壓力荷載

取水流的設計流速為3m／s，由公路橋涵設計通用規范（JTG D60-2015）4.3.9條規定，可得流水壓力標準值為4.2kN／m。

（5）風荷載

施工區域工作風速V10＝24.1m／s，棧橋橫向風壓Fwh＝0.65kN／m，縱向風壓取橫橋向的40%。一聯上部結構橫橋向承受的風荷載為54.6kN，平均分攤到7根鋼管樁頂，每根鋼管樁頂為7.8kN，縱向風壓取橫橋向的40%。

4 荷載組合

考慮80t履帶吊機和旋挖鉆機不可能同時作業，而旋挖鉆機重量比履帶吊機大，故兩者僅考慮旋挖鉆機作用。

（1）工況1：旋挖鉆偏載行走在棧橋上

1.2×自重+1.4×旋挖鉆機+0.75×1.4流水壓力+0.75×1.1風荷載+0.75×1.4溫升（或溫降）

（2）工況2：考慮12m3混凝土罐車滿載與空載錯車狀態

1.2×自重+1.4×罐車滿載+1.4罐車空載+0.75×1.4流水壓力+0.75×1.1風荷載+0.75×1.4溫升（或溫降）

（3）工況3：僅考慮橫橋向最不利荷載作用，流水壓力和風荷載取同向，旋挖鉆機考慮橫橋向的扭力

1.0×自重+1.0×旋挖鉆機橫向扭力+1.4×流水壓力+1.4×風荷載

工況1和工況2驗算整體強度和剛度，工況3驗算鋼管樁橫向抗傾覆穩定性。

5 鋼棧橋結構計算分析

5.1 強度計算分析

通過計算，工況2作用下的鋼棧橋各部件強度效應值最大。

（1）貝雷梁強度

由圖3和圖4可知：工況2作用下，貝雷梁最大正應力為270MPa，小于強度設計值275MPa；最大剪應力為157MPa，小于抗剪設計值160MPa；綜上所述，貝雷梁強度滿足規范設計要求。

（2）工20b橫向分配梁強度

由圖5和圖6可知：工況2作用下，工20b橫向分配梁最大正應力為89.5MPa，小于抗彎強度設計值190MPa；最大剪應力為24.2MPa，小于抗剪設計值110MPa；綜上所述，工20b橫向分配梁強度滿足規范設計要求。

（3）樁頂雙拼HN450×200橫向分配梁強度

由圖7、圖8可知：工況2作用下，樁頂雙拼HN450×200橫向分配梁最大正應力為46.4MPa，小于抗彎強度設計值190MPa；最大剪應力為55.6MPa，小于抗剪設計值110MPa；綜上所述，樁頂雙拼HN450×200橫向分配梁強度滿足規范設計要求。

（4）貝雷片剪刀撐強度

由圖9可知：工況2作用下，貝雷片剪刀撐最大正應力為102.2MPa，小于強度設計值190MPa；故貝雷片剪刀撐強度滿足規范設計要求。

（5）橋面板強度

由圖10可知：工況2作用下，橋面板最大正應力為60.1MPa，小于強度設計值190MPa；故橋面板強度滿足規范設計要求。

（6）鋼管樁強度

由圖11可知：工況2作用下，鋼管樁最大正應力為16.7MPa，小于強度設計值190MPa；故鋼管樁強度滿足規范設計要求。

（7）樁間［22a槽鋼剪刀撐強度

由圖12可知：工況2作用下，樁間［22a槽鋼剪刀撐最大正應力為10.2MPa，小于強度設計值190MPa；故樁間［22a槽鋼剪刀撐強度滿足規范設計要求。

5.2 鋼棧橋剛度計算分析

通過計算，工況2作用下，鋼棧橋豎向位移最大。

由圖13可知：工況2作用下，貝雷梁最大位移為18.1mm，小于規范規定的24mm（L／500，對應L＝12m），故剛度滿足規范設計要求。

5.3 鋼管樁柱式鋼棧橋穩定性分析

由于貝雷梁結構之間采用花架和剪刀撐等構件

進行連接，穩定性得到滿足，故貝雷梁可以不進行穩定性計算，棧橋穩定性分析主要在于鋼管排架柱。

旋挖鉆機移動荷載工況下，鋼管立柱支承梁節點反力如圖14所示；混凝土罐車滿載移動荷載工況下，鋼管立柱支承梁節點反力如圖15所示。

將旋挖鉆機工況和混凝土罐車工況下得到的鋼管排架柱支承梁節點反力作為可變荷載，對鋼管排架柱進行屈曲分析驗算整體穩定。兩種工況下的失穩模態如圖16和圖17所示。

由圖16和圖17可知：旋挖鉆機工況下的鋼管排架柱一階失穩臨界荷載系數為22.2；混凝土罐車工況下的鋼管排架柱一階失穩臨界荷載系數為23.6；故鋼棧橋結構整體穩定性符合規范設計要求。

5.4 鋼棧橋橫向抗傾覆穩定性驗算

工況3主要針對無車輛通行時的鋼棧橋橫向傾覆穩定性驗算，關心的是鋼管樁的支點反力。在充分考慮風荷載和流水壓力等橫向荷載的作用下，經計算，鋼管樁均為正反力，不存在負反力，證明鋼棧橋的橫向抗傾覆是完全能夠保證的。

6 鋼管樁設計

6.1 鋼管樁單樁承載力計算

鋼管樁單樁承載力由鋼棧橋樁底反力乘相應的提高系數確定，工況1作用下，最大樁端反力為661.6kN；工況2作用下，最大樁端反力為576.7kN，提高系數取1.1，則要求單樁最大承載力為1.1×661.6kN＝727.8kN。

6.2 鋼管樁長度計算

鋼管樁理論長度按《公路橋涵地基與基礎設計規范》JTG D63-2007第5.3.3-3條

結合地質資料計算確定，粗砂qik＝70kPa，qrk＝280kPa，實際樁長按錘擊荷載現場確定。

計算樁長（不含立柱長度，從最低沖刷線算起），樁埋入粗砂長7.5m，［Ra］＝0.5×（1.0×π×0.8×7.5×70+1.0×0.503×280）＝730.1kN。故樁長滿足規范設計要求。

7 結論

（1）工況2作用下，鋼棧橋各部件強度效應值最大。其中貝雷梁最大正應力為270MPa，最大剪應力為157MPa；工20b橫向分配梁最大正應力為89.5MPa，最大剪應力為24.2MPa；樁頂雙拼HN450×200橫向分配梁最大正應力為46.4MPa，最大剪應力為55.6MPa；橋面板最大正應力為60.1MPa；鋼管樁最大正應力為16.7MPa；以上部件均滿足規范設計要求。

（2）工況2作用下，鋼棧橋豎向位移最大。最大位移為18.1mm，滿足規范設計要求。

（3）旋挖鉆機工況和混凝土罐車工況下的鋼管排架柱一階失穩臨界荷載系數分別為22.2和23.6，滿足規范設計要求。無車輛通行時，考慮風荷載和流水壓力等橫向荷載下，鋼棧橋橫向抗傾覆穩定性滿足設計要求。

（4）鋼管樁單樁承載力和鋼管樁長度計算均滿足規范設計要求。