鋼棧橋及作業平臺設計方案研究

廖 禎 虎， 李 友 誼， 趙 騰 飛， 何 杰， 馮 川

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

筆者以白龍江大橋為例，闡述了鋼棧橋及作業平臺涉及的技術方案。該橋全長448 m，位于虎頭寺水電站庫區，為舊橋加寬項目，原舊橋橋寬12 m，拓寬改造后橋梁全寬為36 m。橋梁結構上部采用11 m×40 m簡支T梁，下部結構采用樁柱式橋墩，兩側橋臺采用肋板式橋臺。白龍江大橋2#～7#墩屬于水中墩施工，枯水期水深約4.3 m，汛期達到6.1 m。根據白龍江大橋設計圖和相關規定，擬在白龍江大橋下游側修建一座臨時鋼棧橋，且在2#～7#墩附近修建水中作業平臺，棧橋和水中作業平臺相連。

鋼棧橋采用貝雷梁鋼管柱常規搭設，總長度為291 m，寬6 m，共37跨，最大跨距9 m，橋面高程為476.311 m，梁底高出最高水位面1 m，間隔3跨施工一排制動墩以增加棧橋的整體穩定性。棧橋結構形式為上承式，橫向為八排單層普通型321貝雷桁架，單側八排桁架組合。底部設有限位裝置，主跨9 m。棧橋橋面板采用10 mm厚鋼板，縱梁采用I14@255 mm，橫梁采用I20b@750 mm，下部構造主橫梁采用2I56b雙拼工字鋼，基礎采用Φ630×10 mm鋼管柱。作業平臺為12 m×21 m，共6個，分別設置在2#～7#墩處，同樣采用貝雷梁和鋼管柱施工，最大跨徑9 m[1]。鋼棧橋及作業平臺斷面見圖1。

2 平臺設計方案

圖1 鋼棧橋及作業平臺斷面圖

依據鋼棧橋相關設計圖紙，結合大橋施工方案及施工的實際情況，通過MIDAS/Civil有限元分析軟件建出鋼棧橋及作業平臺模型，模擬各個加載工況進行受力分析，對當前結構設計做出評估，目的是了解該結構在施工過程中其強度、剛度及穩定性是否滿足規范要求，并對鋼管樁進行地基承載力計算，通過試算得出每根鋼管樁的最小樁長，在保證結構安全的條件下，盡可能地節省材料，避免過度設計，其技術方案包含以下兩方面：

一是對鋼棧橋及作業平臺結構自身的強度、剛度及穩定性進行計算，其中強度計算是指結構各部分主要承重構件是否滿足承載力要求；剛度計算是指結構的變形是否滿足規范要求；穩定性計算是指結構在施工過程中對于部分受壓桿件(主要是鋼管樁)是否會發生屈曲失穩。

二是對鋼管樁進行地基承載力計算，通過計算每層土的地基承載力，與MIDAS/Civil計算得到的每根樁樁底最大支反力進行對比，試算得到每根樁剛好滿足地基承載力要求的臨界埋深位置，從而確定最小樁長。

2.1 方案建模

根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)，進行鋼棧橋及作業平臺結構安全分析時應該考慮下列各項荷載[2]：

(1)自重：鋼棧橋及作業平臺結構自身的重量，自重系數取1。

(2)施工荷載：施工人員和施工材料、機具等行走運輸或堆放的荷載取2.5 kN/m2。

(3)汽車荷載：汽車荷載布置參數見表 1，商品混凝土車和泵送車車道按正載和偏載的形式考慮各布置3個車道；旋挖鉆機布置1個車道。

表1 棧橋車輛荷載表

(4)風荷載：根據《建筑結構荷載規范》GB5009-2012要求，結構風荷載按下式計算。

wk=βzμsμzw0

式中wk為風荷載標準值(kN/m2)；βz為高度z處的風振系數，取1；μs為風荷載體型系數，取1.3；μz為風壓高度變化系數，取0.65；w0為按v2/1 600計算，取0.39 kN/m2。

將取值參數代入上述計算公式可得：

wk=βzμsμzw0

=1×1.3×0.65×0.39=0.33(kN/m2)

(5)流水壓力。根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)第4.3.9條：作用在橋墩上的流水壓力標準值可按下式計算：

式中Fw為流水壓力標準值(kN)；γ為水的重度(kN/m3)；v為設計流速(m/s)，最大流速為2 m/s；A為橋墩阻水面積(m2)，樁最大阻水面積為7.917 m2；g為重力加速度，g=9.8 m/s2；K為橋墩形狀系數，取0.8。

將取值參數代入上述計算公式可得：

(6)漂浮物撞擊力：取漂浮物的總質量m=500 kg，漂浮物的流速等于水的流速v=2 m/s，根據相關規范，漂浮物對棧橋的撞擊力F=m·g·v/g·t，即漂浮物對棧橋的沖量Ft=mv。取撞擊時間為單位時間，則漂流物對棧橋的撞擊力F=mv/t=500×2/1=1(kN)。

(7)汽車制動力：根據《棧橋設計指南》說明，由于棧橋上重車行駛速度較慢，因此，不考慮其制動力荷載。

(8)沖擊力：通過自振頻率算出的沖擊系數不足0.2，考慮到作業平臺上存在鉆機作業，局部沖擊相對較嚴重，為保證安全，直接采用按局部結構的沖擊系數取值，即取0.3作為鉆機等的沖擊系數。

在支架結構驗算過程中，為安全起見，采用極限狀態應力法。荷載組合分為三種，其中基本組合和偶然組合適用于強度計算，標準值組合適用于剛度計算，包括將各種同類型組合放在一起，以方便查詢最不利荷載組合[3]。

2.2 設計方案優化

針對結構中極為重要的鋼管樁樁長參數，首先對鋼棧橋和作業平臺鋼管樁各樁最不利支反力進行計算，再根據《公路工程水文勘測設計規范》(JTG C30-2015)第8.3.1條計算最大沖刷深度，最后根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》(JTG D63-2007)第5.3.3條計算鋼管樁單樁承載力。

鋼棧橋鋼管樁布置間距為每跨9 m，間隔3跨施工一排制動墩，間距3 m。在鋼棧橋施工圖紙中選取3 m+9 m+9 m+9 m相同一段區域的鋼管樁范圍進行建模，該模型可以等效替代其他鋼管樁區域，按不低于7 m入土深度進行地基承載力計算，考慮沖刷深度1 m，即實際入土深度為不低于6 m，最終可得鋼管樁最佳樁長計算結果。

3 方案仿真與分析

3.1 平臺結構仿真

本次計算模型共14 530個節點，21 258個單元，其中梁單元19 022個，板單元2 236個，模型建出了鋼棧橋及作業平臺主要承重構件。

橋面鋼板采用板單元模擬；分配梁、貝雷梁、主橫梁、鋼管柱均采用梁單元模擬；橋面鋼板與分配梁、分配梁與貝雷片、貝雷片與主橫梁之間均采用彈性連接；每片貝雷梁之間的銷接處通過釋放梁端約束進行模擬；主橫梁與鋼管樁采用共節點考慮；鋼管樁底部約束其平動自由度和轉動自由度。計算模型見圖2。

圖2 鋼棧橋及作業平臺計算模型圖

3.2 結果分析

通過MIDAS/CIVIL軟件對各有限元進行結構驗算。

(1)橋面板應力計算。

①橋面板最大組合應力：計算所得橋面板最大組合應力為36.1 MPa≤215 MPa(Q235鋼強度設計值)，結構安全。

② 橋面板最大剪應力：計算所得橋面板最大剪應力為19.4 MPa≤125 MPa(Q235鋼強度設計值)，結構安全。

(2)縱梁應力計算。

① 縱梁最大組合應力：計算所得縱梁最大組合應力為95.4 MPa≤215 MPa(Q235鋼強度設計值)，結構安全。

② 縱梁最大剪應力：計算所得縱梁最大剪應力為31.4 MPa≤125 MPa(Q235鋼強度設計值)，結構安全。

(3)分配梁橫梁應力計算。

①分配梁橫梁最大組合應力：計算所得分配梁橫梁最大組合應力為160.6 MPa≤215 MPa(Q235鋼強度設計值)，結構安全。

②分配梁橫梁最大剪應力：計算所得分配梁橫梁最大剪應力為116.9 MPa≤125 MPa(Q235鋼強度設計值)，結構安全。

(4)貝雷片應力計算。

① 貝雷片最大組合應力：計算所得貝雷片最大組合應力為165.3 MPa≤295 MPa(Q345鋼強度設計值)，結構安全。

② 貝雷片最大剪應力：計算所得貝雷片最大剪應力為103.7 MPa≤170 MPa(Q345鋼強度設計值)，結構安全。

(5)主橫梁應力計算。

① 主橫梁最大組合應力：計算所得主橫梁最大組合應力為41.7 MPa≤215 MPa(Q235鋼強度設計值)，結構安全。

② 主橫梁最大剪應力：計算所得主橫梁最大剪應力為26.7 MPa≤125 MPa(Q235鋼強度設計值)，結構安全。

(6)平聯斜撐應力計算。

①平聯斜撐最大組合應力：計算所得平聯斜撐最大組合應力為28.3 MPa≤215 MPa(Q235鋼強度設計值)，結構安全。

②平聯斜撐最大剪應力：計算所得平聯斜撐最大剪應力為1.3 MPa≤125 MPa(Q235鋼強度設計值)，結構安全。

(7)鋼管樁最大組合應力。

計算所得鋼管樁最大組合應力為27.1 MPa≤215 MPa(Q235鋼強度設計值)，結構安全。

(8)變形計算。

①貝雷梁最大位移計算：已知該鋼棧橋最大跨度為9 m，由有限元進行結構驗算得知其貝雷梁最大變形為6.79 mm

② 主橫梁最大位移計算。已知作業平臺橫向最大跨度為4.78 m，由各有限元進行結構驗算得知其主橫梁最大變形為2.7 mm

(9)穩定計算。通過采用MIDAS/Civil對鋼棧橋和作業平臺結構進行有限元穩定分析，對整個鋼棧橋和作業平臺結構進行穩定分析得到的臨界系數為-93.3<0，穩定性驗算滿足要求，結構安全[4]。

4 方案抗浮分析

對鋼管樁進行抗浮計算，通過MIDAS/Civil查得結構在自重作用下的最小支反力為87.7 kN，見圖3。

圖3 自重作用下支反力示意圖

假設水面淹沒整個鋼管樁時，其受到水的浮力作用容易發生失穩，鋼管樁占水體積為6.235 m3，浮力計算公式：

F浮=ρ液gV排=1 000×9.8×6.235

=61 103(N)=61.103(kN)

F自重=87.7 kN>F浮=61.103 kN

故：水浮力不僅不會對鋼管樁產生安全影響，反而會對鋼管樁起到有利作用[5]。

5 結 語

總體而言，為了確保鋼棧橋最終的環保效益以及經濟效益的實現，必須強化對相關結構驗算技術的研究和運用，有效把握結構計算中的重點和關鍵點，對計算過程中出現的問題進行進一步的分析研究并制定出相應的完善和優化措施，在技術上先行做好對整個鋼棧橋的安全、質量保證，杜絕任何質量問題和安全隱患的出現，為橋梁水中施工的安全穩定進行奠定良好的基礎。