大型景觀云橋的水中鋼棧橋及臨時(shí)支撐鋼管樁設(shè)計(jì)分析

曹鵬飛 龐偉軍 朱兆榮 牌立芳 馬坤 李仁強(qiáng) 李鍇 閻樹(shù)東 杜宏元

摘? 要：通過(guò)鳳翔洲景觀云橋工程北橋水中鋼棧橋及臨時(shí)支撐鋼管樁基礎(chǔ)工程的施工過(guò)程，詳細(xì)介紹了臨時(shí)鋼棧橋及臨時(shí)支撐鋼管樁基礎(chǔ)工程的搭設(shè)方案，并以此對(duì)棧橋和鋼管樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算。在對(duì)棧橋及臨時(shí)支撐鋼管樁基礎(chǔ)進(jìn)行驗(yàn)算時(shí)，利用空間計(jì)算軟件Midas civil，建立棧橋有限元分析模型，結(jié)合棧橋的實(shí)際荷載對(duì)鋼棧橋及臨時(shí)支撐鋼管樁基礎(chǔ)的整體模型進(jìn)行了承載力驗(yàn)算，從而確保了鋼棧橋及臨時(shí)支撐鋼管樁基礎(chǔ)的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：鋼棧橋;鋼管樁基礎(chǔ);穩(wěn)定性分析

中圖分類號(hào)：U44 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）35-0001-05

Abstract： Through the construction process of bridge water steel trestle bridge and temporary supporting steel pipe pile foundation project in Fengxiangzhou Landscape Bridge Project， this paper introduces the erection scheme of temporary steel trestle and temporary supporting steel pipe pile foundation engineering and check calculation of bridge pier and steel pipe pile structure. While checking the foundation of trestle bridge and temporary supporting steel pipe pile foundation， finite element analysis model is established by using Midas Civil software. Considering actual load of trestle bridge， load bearing capacity is checked for steel trestle bridge and temporary supporting steel pipe pile foundation， thus ensuring strength， rigidity and stability of steel trestle bridge and temporary supporting steel pipe pile foundation.

Keywords： steel trestle; steel pipe pile foundation; stability analysis

1 概述

伴隨著橋梁施工技術(shù)的發(fā)展，輔助其施工的鋼棧橋及鋼平臺(tái)施工在國(guó)內(nèi)也得到了迅速的發(fā)展。棧橋作為水上施工的重要通道，在不同的水文地質(zhì)條件下，特別是在應(yīng)對(duì)復(fù)雜惡劣條件下的棧橋設(shè)計(jì)施工成為項(xiàng)目成功關(guān)鍵。因此研究對(duì)該地質(zhì)及水流條件棧橋及平臺(tái)施工技術(shù)是十分有必要的，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者也對(duì)該難題進(jìn)行了一定程度的研究，并獲取了一些研究成果。

李垚等[1]、伊凱[2]、任加亮[3]、王雪元[4]等采用RBCCE 軟件等不同方法，提出了針對(duì)淺覆蓋層深水急流裸巖地層等復(fù)雜惡劣條件下的棧橋及平臺(tái)設(shè)計(jì)施工的方法。Weining Sui等[5]進(jìn)行了鋼管混凝土柱的準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)和有限元（FE）分析，提出了經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)描述這種橋墩在極限荷載條件下的工程應(yīng)用極限強(qiáng)度和延性。封帆[6]借助Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱，為鋼管樁穩(wěn)定性預(yù)測(cè)分析提供了借鑒與參考。張小鵬[7]、史雙濤[8]等通過(guò)Midas civil計(jì)算軟件模擬計(jì)算混凝土簡(jiǎn)支梁在移動(dòng)集中力作用下的動(dòng)力特性，并對(duì)比靜力分析法，沖擊系數(shù)法和時(shí)程分析法在臨時(shí)鋼棧橋設(shè)計(jì)計(jì)算中的差異和應(yīng)用。Yanguo Hou[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了支架在垂直荷載下的極限荷載能力，揭示了失效是由中跨附近的頂部桁條的屈曲引發(fā)的。

但國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)復(fù)雜、惡劣條件下的棧橋及平臺(tái)設(shè)計(jì)分析方面涉足不多，因此研究鋼棧橋及鋼管樁在不同荷載作用下的整體穩(wěn)定性是十分必要的。本文通過(guò)應(yīng)用Midas civil建立棧橋有限元分析模型，結(jié)合棧橋的實(shí)際荷載對(duì)鋼棧橋及臨時(shí)支撐鋼管樁基礎(chǔ)的整體模型進(jìn)行了承載力驗(yàn)算，得出了在不同工況下應(yīng)對(duì)鋼棧橋及鋼管樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

2 工程概況

鳳翔洲景觀云橋橋梁總長(zhǎng)1935.01m。主橋總長(zhǎng)1121.88m，包括南橋、中棧橋、北橋三部分，南主橋跨衢江南側(cè)支流及衢江航運(yùn)主航道，長(zhǎng)409.16m;中棧橋?yàn)轼P翔洲洲頭空中棧道，長(zhǎng)361.52m;北橋跨衢江北側(cè)支流，長(zhǎng)354.2m。引橋和匝道總長(zhǎng)為810.13m，包括南引橋132.16m、南匝道228.93m、中匝道168.77m、北引橋145.74m及北匝道134.53m。

沿線場(chǎng)地范圍內(nèi)地基土自上而下可劃分為四個(gè)工程地質(zhì)層，各巖土層分布情況如下：（1）素填土（Q4ml）;（2）卵石（Q4pl）;（3）中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（K）;（4）中風(fēng)化砂礫巖（K）。

2.1 工程設(shè)計(jì)荷載

施工鋼棧橋主要需滿足施工階段重型設(shè)備及材料運(yùn)輸?shù)男枰鐦痘┕るA段大型旋挖機(jī)、履帶吊、大直徑鋼護(hù)筒及鋼筋籠轉(zhuǎn)運(yùn)等，施工荷載主要選取以下幾類典型工況：

輪式荷載：12m3砼罐車，最大裝載9m3混凝土=9×2.4t=21.6t;混凝土攪拌車自重25t。總荷載為46.6t。

履帶荷載：150t履帶吊自重及配重128.362t+最大吊重56t（考慮現(xiàn)場(chǎng)代表性的最大荷載車輛）。

鋼棧橋最大承受組合荷載：150t履帶吊+鋼箱梁運(yùn)輸車+最大起吊物（梁重）=128.362t+20t+56t=204.362t。

2.2 棧橋設(shè)計(jì)

鋼棧橋主要采用H型鋼布置，設(shè)置在墩位上游側(cè)，與橋梁軸線平行，結(jié)構(gòu)形式為13×6m+3m，總長(zhǎng)81m。棧橋采用水中打鋼管樁基礎(chǔ)，上設(shè)雙拼I56a承重梁，主縱梁采用20根H400×400×13×21型鋼，間距按600mm布置;縱梁上鋪設(shè)橋面板。橋面采用20cm厚專用橋面鋼板，車道兩側(cè)設(shè)1.2m高防撞護(hù)欄，護(hù)欄立桿采用I10工字鋼，縱向間距為1.5m，橫桿采用48mm鋼管，單側(cè)護(hù)欄上下設(shè)置2道，下桿離橋面高0.4m，欄桿統(tǒng)一設(shè)置為紅白相間的顏色;棧橋梁底面工程為42.66m，橋面高程為43.08m（見(jiàn)圖1）。

3 鋼棧橋結(jié)構(gòu)受力分析

3.1 計(jì)算模型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況考慮，在設(shè)備行走和吊裝時(shí)，最多占用兩跨距離，因此建立兩跨力學(xué)模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算（見(jiàn)圖2）。

3.2 荷載計(jì)算

計(jì)算荷載鋼棧橋所受荷載分恒載和活載。

3.2.1 恒載計(jì)算

恒載為結(jié)構(gòu)自重，采用MIDAS軟件自動(dòng)計(jì)算輸入。

3.2.2 活載計(jì)算

設(shè)計(jì)考慮在指定車道1（車道寬9m）通行150t履帶吊，指定車道2（車道寬3m）通行運(yùn)梁車和混凝土罐車。

3.2.3 荷載組合

根據(jù)架梁時(shí)實(shí)際施工工況，分為不同加載工況，考慮基本組合=1.2×自重+1.4×活載：

工況1（車道1單獨(dú)通行150t履帶吊）工況2（車道2單獨(dú)通行運(yùn)梁車），工況3（150t履帶吊和運(yùn)梁車分別在車道1和車道2同時(shí)通行）具體尺寸如圖3、4。

3.2.4 不同工況荷載下的結(jié)構(gòu)計(jì)算

將以上三種不同工況作為最不利荷載，利用Midas civil分別對(duì)鋼棧橋的橋面板、縱向分配梁、雙I56a橫梁上的正應(yīng)力、剪應(yīng)力及變形進(jìn)行的模型計(jì)算，工況1結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，橋面板在工況1荷載作用下的最大正應(yīng)力為79.5MPa<[σ]=180MPa，滿足結(jié)構(gòu)抗彎強(qiáng)度要求。

依次作上述工作將計(jì)算結(jié)整理后如表1所示。

由表1可知在不同工況下橋梁上部各結(jié)構(gòu)均滿足受力要求。

3.3 鋼管立柱計(jì)算

3.3.1 水壓力計(jì)算

鋼棧橋鋼管立柱位于衢江中，受潮汐和水流影響，水壓力將處于實(shí)時(shí)變動(dòng)中，因此要考慮動(dòng)水壓力影響（見(jiàn)圖6）。

根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》（JTS 114-1-2010）動(dòng)水壓力公式[10]：

F-水流壓力作用（kN）;υ-水流設(shè)計(jì)速度（m/s），現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)最大流速1.4m/s;ρ-水的密度（t/m3），淡水取1.0;A-鋼管樁結(jié)構(gòu)與流向垂直平面上的投影面積（m2）;Cw-水流阻力系數(shù)，《根據(jù)港口工程荷載規(guī)范》，圓形取0.73;鋼管樁迎水側(cè)水流力考慮采用倒三角分布，即上式水流力作用點(diǎn)作用于水面下1/3水深處。鋼管水流壓力F=1.4×0.73×1/2×1.42×0.53×6.309=3.34kN

3.3.2 鋼管立柱強(qiáng)度計(jì)算

參照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2017，8.1.1-1條[11]。

壓彎構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算公式：

603000/16336+5340000/1.15/2804420=38.57MPa<[f]=215MPa，滿足強(qiáng)度要求。

3.3.3 鋼管立柱穩(wěn)定性計(jì)算

參照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2017，8.2.1-1條。

壓彎構(gòu)件穩(wěn)定性計(jì)算公式：

603000/0.707/16336+1×5340000/[1.15×2084420×（1-0.8×1.4×603000/3657695）]=54.94MPa<【f】=215MPa，滿足穩(wěn)定性要求。

3.3.4 鋼管立柱單樁承載力計(jì)算（圖7、表2）

單樁豎向承載力

側(cè)阻計(jì)算：Qsk=2119.27（kN）

端阻計(jì)算：

ζr×frk×Ap=1.4503×10330.0000×0.2206=3305.26

最后端計(jì)算：Qpk=3305.26（kN）

單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值：Quk=3305.26+2119.27= 5424.53（kN）

單樁豎向承載力特征值：Ra=Quk/2=2712.266（kN）>603kN，滿足單樁承載能力要求。

3.3.5 鋼棧橋縱向穩(wěn)定性驗(yàn)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況取運(yùn)梁車（20t+56t=76t）行駛到第一跨的最不利狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。

每根鋼管立柱分配的制動(dòng)力為：P1=1.4×760/2×5×30%=31.9kN

單樁水平承載力根據(jù)《樁基規(guī)范》5.7.2第6款（式5.7.2-2）計(jì)算：

式中：樁的水平變形系數(shù)α=0.634（1/m）;

樁身抗彎剛度EI=113788.335（kN·m2）;

樁頂水平位移系數(shù)Vx=2.441;

單樁水平承載力特征值Rha=89.092（kN）>P1=31.9kN。

故鋼棧橋縱向穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鳳翔洲景觀云橋工程北橋水中鋼棧橋及臨時(shí)支撐鋼管樁基礎(chǔ)工程的施工，可以得出以下結(jié)論：

（1）鋼棧橋是水中橋梁施工重要的臨時(shí)結(jié)構(gòu)，需綜合考慮工程地質(zhì)、水文情況、場(chǎng)地條件、施工工期、工程造價(jià)等方面的因素確定其結(jié)構(gòu)形式、跨度、凈空、建筑高度等參數(shù)，確保其承載能力、剛度、穩(wěn)定性符合要求。施工時(shí)要嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。

（2）經(jīng)分析計(jì)算，在上述三種最不利荷載下，利用Midas分別對(duì)鋼棧橋的橋面板、縱向分配梁、雙I56a橫梁上的正應(yīng)力、剪應(yīng)力及變形進(jìn)行的計(jì)算結(jié)果，選取最不利鋼管立柱為第2排左側(cè)第二根鋼管計(jì)算鋼管樁所受到的水壓力、單樁立柱穩(wěn)定性、承載力及縱向穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果顯示，在保證各構(gòu)件連接完好的前提下，鋼棧橋各主要受力構(gòu)件強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均滿足要求。

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