舟岱跨海大橋塔梁臨時固結設計與計算分析

方哲形，葉以挺，吳 剛

(浙江交工集團股份有限公司，浙江 杭州 310051)

1 工程概況

舟岱跨海大橋DSSG01標南通航孔橋橋跨布置為(74+106+390+106+74)m，橋型布置如圖1所示，為連續(xù)半漂浮體系雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，索塔采用鉆石型塔身，全橋鋼箱梁劃分為A～H共8種節(jié)段類型、55個節(jié)段，鋼箱梁梁段之間的連接采用全焊方式。其中，A，B，B1為主塔區(qū)梁段，E為輔助墩墩頂梁段，G為過渡墩墩頂梁段，C，F為標準梁段，H為跨中合龍段。主梁標準節(jié)段長16m，標準梁段質量約272t，其他梁段最大起重量303t。鋼箱梁標準斷面如圖2所示。

圖1 主橋橋型布置(單位：cm)

圖2 鋼箱梁標準斷面(單位：cm)

索塔區(qū)A梁段長度為9.5m，重236t，為索塔根部的基準梁段，根據設計圖紙要求，鋼箱梁安裝施工期間需將鋼箱梁與索塔臨時固結，縱向、橫向和豎向都應提供約束。通過在梁底和索塔下橫梁底張拉2排豎向預應力束的施工臨時固結構造，克服上拔力、豎向壓力和縱向彎矩；另外，在主梁牛腿與下橫梁間的擋塊間填塞臨時填塞物方法實現對縱向位移的約束。

橋址區(qū)位于浙江沿海海域，地勢開闊，平均風速明顯大于內陸其他地區(qū)，根據灰鱉山氣象站實測資料分析，距海面10m高度處百年一遇基本風速為42.3m/s。臺風是本工程區(qū)域內最主要的災害性天氣。結合水文、氣象等條件，并根據鋼箱梁與索塔的特點，針對性地設計了臨時固結結構，對該結構的設計及計算進行闡述。

2 臨時固結設計及施工方案

2.1 臨時固結設計

索塔區(qū)鋼箱梁精確調整完畢后安裝臨時錨固系統，臨時預應力束采用φs15-7鋼絞線，每個臨時混凝土墊石上設置4束4φs15-7鋼絞線，鋼絞線張拉控制應力為1 395MPa。

鋼箱梁橫向錨固系統通過在鋼箱梁兩側各設置2根φ325×6鋼管，鋼管與鋼箱梁采用M24高強螺栓連接，索塔側通過M42螺栓進行連接，索塔側在澆筑混凝土時預埋M42爬錐，共設置4個φ325×6鋼管，如圖3～5所示。

圖3 臨時固結立面與平面布置(單位：cm)

圖5 豎向臨時固結斷面(單位：cm)

2.2 施工說明

1)下橫梁施工過程中預埋豎向臨時固結措施，每束4根φs15-7鋼絞線，下端為P錨形式；管道采用塑料波紋管，預埋式要保證管道豎直；張拉在鋼箱梁下方用小型千斤頂逐根張拉。

2)下橫梁上的索塔節(jié)段施工時預埋橫向臨時固結措施，其采用8個M42爬錐形式，安裝時將鋼管與鋼板進行焊接，鋼板與爬錐進行連接。

3)縱向限位措施為在鋼箱梁底的限位牛腿與限位擋塊間支墊型鋼，共4個臨時限位，以保證鋼箱梁安裝過程中不產生縱向位移。

3 臨時固結約束反力計算

3.1 荷載計算

3.1.1風荷載

根據設計文件提供的資料，橋位處的最大風速值取為42.3m/s。按A類地面考慮，施工階段考慮20年重現期，其中Z為距地面或水面的基準高度，則設計基本風速(K1A=1.174)為：

V10=K1AV0

(1)

根據上述設計基本風速和JTG/T 3360-01—2018《公路橋梁抗風設計規(guī)范》的有關規(guī)定，橋梁設計基準風速為：

(2)

式中：z為跨中橋面離開水面的高度；z10為標準高度，即z10=10m；V10為橋位10m高度處設計基本風速，即V10=60.24m/s；α為冪指數，取α=0.12。南通航孔橋面離水面高度按平均水位計算為z=50m，則橋面高度處設計基準風速Vd=60.24m/s。

施工階段的設計風速選取重現期20年的橋梁結構設計基準風速，根據《公路橋梁抗風設計規(guī)范》的有關規(guī)定：

Vsd=ηVd

(3)

式中：Vsd為不同重現期下的設計風速；Vd為設計基準風速；η為風速重現期系數。查表可知，重現期20年的風速重現期系數為0.88。所以，南通航孔橋施工階段的設計基準風速Vsd=53.01m/s。

根據《公路橋梁抗風設計規(guī)范》的有關規(guī)定：

Vg=GvVz

(4)

式中：Vg為靜陣風風速；Gv為靜陣風系數，應按水平加載長度為該施工狀態(tài)已拼裝主梁的長度選取，此處為方便計，取1.29。所以Vg=68.38m/s。

作用在鋼箱梁單位長度上的靜陣風荷載表達式為：

(5)

式中：α為風攻角；ρ為空氣密度(kg/m3)，取1.25kg/m3；Vg為靜陣風風速；CH，CV，CM分別為主梁體軸各向的橫向力系數、豎向力(升力)系數、扭轉力矩系數，根據本項目《節(jié)段模型風洞試驗報告》中西南交通大學風洞試驗結果取風攻角在±3°時的較大值，即分別為0.254 4，-0.435 4，-0.028 7；H，B分別為主梁的高度和寬度(m)。

作用于鋼箱梁主梁斷面上的靜力三分力系數如圖6所示。

圖6 風軸系與體軸系關系示意

計算結果如下。

當跨中橋面離開水面的高度z為50m，主梁的高度為3.5m、寬度為3.4m時，得出橫向風荷載為2.6kN/m，豎向風荷載為43.3kN/m，扭轉力矩為97kN·m/m。

施工階段的風荷載加載形式按《公路橋梁抗風設計規(guī)范》中相關規(guī)定執(zhí)行，除了對稱加載外，還應考慮不對稱加載工況，如圖7所示，施工階段的風荷載不對稱加載形式按《公路橋梁抗風設計規(guī)范》中相關規(guī)定執(zhí)行。

圖7 風荷載不對稱加載形式

3.1.2鋼箱梁自重/吊重荷載

鋼箱梁在吊裝、運輸時考慮1.1的動力系數，即吊重荷載取自重的1.1倍。

3.1.3橋面吊機/不平衡荷載

橋面吊機按單端184t考慮，其作用位置按《寧波舟山港主通道(魚山石化疏港公路)公路工程兩階段施工圖設計》(鋼箱梁及斜拉索)中相關規(guī)定確定。

3.1.4箱梁壓重荷載

鋼箱梁底板壓重荷載按《寧波舟山港主通道(魚山石化疏港公路)公路工程兩階段施工圖設計》(鋼箱梁及斜拉索)中相關規(guī)定取值。

3.2 工況說明

根據荷載特性與最不利施工狀態(tài)分析，斜拉橋施工過程中臨時固結部分的計算主要考慮最大風速下，斜拉橋最大雙懸臂狀態(tài)(見圖8)與最大單懸臂狀態(tài)計算。

圖8 最大雙懸臂狀態(tài)下的橫向不對稱風速計算模型

3.2.1邊跨主梁尚未與輔助墩上的NA8梁段連接，主梁處于最大雙懸臂狀態(tài)

1)考慮到實際施工過程中可能出現的情形，結構的最不利受力狀況取每個梁段施工階段中單邊起吊工序下的極端情形(單端起吊下一個梁段)進行分析。

2)對稱橫向風荷載作用下產生的水平力。

3)邊跨和中跨兩側不平衡橫向風荷載作用下，對兩側主梁產生的不平衡力。

3.2.2中跨主梁ZH梁段合龍前，主梁處于最大單懸臂狀態(tài)

1)中跨合龍前，合龍段由合龍口兩側橋面吊機同時起吊，當一側橋面吊機脫鉤，合龍段鋼箱梁自重由單側橋面吊機承受。橋面吊機自重按實際自重選取，合龍段鋼箱梁自重乘以動力系數1.20。

2)對稱橫向風荷載作用下產生的水平力。

3)邊跨和中跨兩側不平衡橫向風荷載作用下，對兩側主梁產生的不平衡力。

3.3 約束反力計算

1)在主梁NA6/NZ6節(jié)段懸臂拼裝完，斜拉索B5/Z5二次張拉完成后，主梁尚未與輔助墩支架的合龍梁段連接時，主梁處于最大雙懸臂狀態(tài)，懸臂長度為187.9m，利用MIDAS/Civil軟件計算，建立模型如圖9所示。

圖9 最大雙懸臂模型示意

2)在中跨主梁合龍前，主梁處于最大單懸臂架設狀態(tài)，中跨最大懸臂長度達370m，如圖10所示。

圖10 最大單懸臂模型示意

3)索塔下橫梁與鋼箱梁之間的豎向臨時固結、索塔柱與鋼箱梁之間的橫向臨時固結的模擬設置如圖11，12所示。

圖11 索塔下橫梁與鋼箱梁之間的豎向臨時固結

圖12 索塔柱與鋼箱梁之間的橫向臨時固結

4)計算結果。①最大雙懸臂 在最大雙懸臂情形下，各臨時固結的受力如表1所示；②最大單懸臂 在最大單懸臂情形下，各臨時固結的受力如表2所示。

表1 最大雙懸臂情形下臨時固結體系受力 kN

表2 最大單懸臂情形下臨時固結體系受力 kN

4 臨時固結構造受力分析

4.1 豎向臨時固結分析

由上節(jié)可知，單個豎向臨時固結承受的最大壓、拉力分別為4 780.0，4 670.3kN。

豎向臨時固結的承壓控制部分與承拉控制部分，分別對鋼板和鋼絞線的抗壓及抗拉承載力進行驗算。

綜合得出臨時固結受力如表3所示。

表3 臨時固結體系受力 kN

4.1.1抗拉承載力驗算

單個臨時固結通過4束型號為15-7的預應力鋼束與下橫梁連接，鋼束張拉控制應力為1 395MPa。

由于臨時固結的短期性，此處僅考慮錨具變形引起的預應力損失。由JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》中第6.2條可知，預應力直線鋼筋引起的應力損失為：

單束鋼絞線有效應力=1 395-195=1 200MPa；單束鋼絞線抗拉承載力=140×7×1 200=1 176 000=1 176kN；單個豎向臨時固結的抗拉承載力=4×1 176=4 704kN。

因此，4 704kN>4 670.3kN，滿足要求。

4.1.2抗壓承載力驗算

臨時固結鋼材采用Q235B，且單個臨時固結主要通過鋼板N5與N6承受壓力，已知鋼板N5的厚度30mm、計算長度考慮1 030mm，鋼板N6的厚度30mm、計算長度145mm。

鋼板N6：因145/30=4.8<12；鋼板N5：被鋼板N6切分后的最大凈寬為415mm<24×30=720mm。

因此，豎向臨時固結在進行抗壓承載力計算時可不用考慮局部穩(wěn)定影響的有效截面折減。

單個豎向臨時固結按軸心受壓構件考慮，其抗壓承載力為(8×145×30+1030×30)×205=13 468.5kN。

因此，有13 468.5kN>4 780.0kN，滿足要求。

4.1.3穩(wěn)定性驗算

已知臨時固結的高度取1.25m，則由JTG D64—2015《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》中附錄A可知，弱軸的穩(wěn)定折減系數χ為1。

再根據其中第5.2條計算可得，豎向臨時固結的整體穩(wěn)定性為：N/χA=4 780.0×103/(1×65 700)=72.75MPa<205MPa，滿足要求。

4.2 橫向臨時固結分析

由上述可知，單個橫向臨時固結承受的最大壓、拉力分別為1 019.8kN與1 089.9kN。

橫向臨時固結采用φ325×6鋼管作為主要受力結構，其一端利用M42-D26.5爬錐與索塔相連，另一端通過M24高強螺栓連接于鋼箱梁上，鋼材采用Q235B。

4.2.1抗拉承載力驗算

1)單個橫向臨時固結鋼管的抗拉承載力=(3 252-3 132)×3.14/4×215=1 292.8kN。因此，1 292.8kN>1 089.9kN，滿足要求。

2)由GB 50017—2017《鋼結構設計標準》可知，在螺栓桿軸方向受拉的連接中，單個10.9級M24高強螺栓的抗拉承載力為0.8×225=180kN，則單個橫向臨時固結包含8個連接螺栓，其總抗拉承載力為8×180=1 440kN。因此，440kN>1 089.9kN，滿足要求。

4)依據JTG D64—2015《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》可知，直角焊縫的有效厚度he采用焊腳尺寸hf的0.7倍，且承受靜荷載時，側面角焊縫的計算長度宜≤60hf。當計算長度大于上述數值時，其超過部分在計算中可不予考慮。在全長范圍內均傳遞內力的焊縫，其計算長度可不受此限。

已知橫向臨時固結處角焊縫的焊腳尺寸hf=7mm，考慮到橫向臨時固結結構在與鋼箱梁邊腹板連接那一端的焊縫相對較弱，故取該端焊縫進行受力計算，其焊縫計算面積S=(325×3.14+80×2×4)×7×0.7=8 136.45mm2。

則可計算得到焊縫承受的拉應力為：

σf=N/S=1 089.9×1 000÷8 136.45=134.0MPa<160MPa，滿足要求。

4.2.2抗壓承載力驗算

單個橫向臨時固結鋼管的抗壓承載力=(3 252-3 132)×3.14/4×215=1 292.8kN。

因此，1 292.8kN>1 019.8kN，滿足要求。

4.2.3穩(wěn)定性驗算

鋼管的計算長度取1m(即兩端鉸接桿件)。

已知φ325×6鋼管的回轉半徑i=11.28cm，則有長細比λ=l0/i=8.87。

經查GB 50017—2017《鋼結構設計標準》附錄D中Q235鋼管軸心受壓構件的穩(wěn)定系數表，得φ=0.994(按b類截面考慮)。

橫向臨時固結的整體穩(wěn)定性為：N/φA=1 089.9×103/(0.994×6 013.01)=170.62MPa<215MPa，滿足要求。

4.3 縱向牛腿分析

通過上述可得，鋼箱梁縱向限位牛腿承受的最大荷載為3 639.4kN。分別對牛腿自身和焊縫進行驗算。

4.3.1牛腿應力驗算

牛腿鋼材采用Q345D，且牛腿在偏心荷載作用下，其根部主要承受彎剪作用，已知偏心距為0.7m。

單個牛腿根部承受的彎矩為2 547.6kN·m，單個牛腿承受剪力為3 639.4kN。

依據《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》可知，彎曲應力：σ=Mh/I=17.8MPa<295MPa，滿足要求。

4.3.2焊縫驗算

依據《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》可知，直角焊縫的有效厚度he采用焊腳尺寸hf的0.7倍，且承受靜荷載時，側面角焊縫的計算長度宜≤60hf。當計算長度大于上述數值時，其超過部分在計算中可不予考慮。在全長范圍內均傳遞內力的焊縫，其計算長度可不受此限。牛腿處角焊縫的hf=8mm。

單個牛腿根部承受的彎矩為2 547.6kN·m，單個牛腿承受的剪力為3 639.4kN，則彎曲應力：σ=Mh/I=50.5MPa<200MPa，滿足要求。

剪應力：τ=Q/A=109.6MPa<200MPa，滿足要求。

4.4 鋼箱梁局部分析

考慮到在施工過程中豎、橫向臨時固結及縱向限位擋塊處會承受較大的力，且將這部分力傳遞給鋼箱梁，導致鋼箱梁局部受力較大，因此需對鋼箱梁的局部受力進行驗算。

豎、橫向臨時固結及縱向限位擋塊的最大受力同時出現在最大單懸臂狀態(tài)內，故可將其進行統一加載以分析鋼箱梁的局部受力情形。

鋼箱梁的局部受力計算結果如圖13所示。

由圖13可得：豎、橫向臨時固結及縱向限位牛腿處的鋼箱梁局部最大Mises應力為261.3MPa，<295MPa，滿足要求。

由計算結果得出，臨時固結措施的受力滿足規(guī)范要求，設計合理有效。

5 結語

寧波舟山港主通道舟岱跨海大橋DSSG01標段南通航孔大跨度斜拉橋鋼箱梁施工中，臨時固結構造措施未出現移位、變形、焊縫開裂等情況，通過設置縱、橫向及豎向臨時固結措施對鋼箱梁安裝的線形控制起到顯著效果，結構穩(wěn)定、施工安全，達到預期目標。