鄭州黃河特大橋主橋臨時(shí)墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究*

黃彩萍 林 琦,2 甘書寬 翟凱凱

(1.湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院 武漢 430068； 2.中鐵大橋局集團(tuán)第一工程有限公司 鄭州 450053)

臨時(shí)墩結(jié)構(gòu)大多用于大跨度橋梁，在主橋沒有合龍之前相當(dāng)于“橋墩”，用于承載塔吊、拼裝機(jī)械的安裝，以及各種施工材料與設(shè)備的重量[1-2]。臨時(shí)墩可以在橋梁頂推架設(shè)、懸臂拼裝時(shí)，減小梁的懸臂長度，改善梁的受力狀態(tài)，滿足梁體抗傾覆穩(wěn)定的要求的同時(shí)不影響江河中船舶的運(yùn)行[3-4]。臨時(shí)墩結(jié)構(gòu)將特大型跨江海橋梁施工建設(shè)推向了一個(gè)嶄新的高度。

鄭州黃河特大橋?yàn)榇罂缍裙F兩用橋梁，水文地質(zhì)條件較差，主橋鋼桁梁數(shù)量多，跨數(shù)多，結(jié)構(gòu)形式多樣，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，采用懸臂拼裝法架設(shè)時(shí)設(shè)置了若干臨時(shí)墩作為臨時(shí)支撐點(diǎn)進(jìn)行施工，施工難度較大，沒有可借鑒的先例，且臨時(shí)墩結(jié)構(gòu)的安全可靠性直接關(guān)系到整個(gè)橋梁施工過程的順利進(jìn)行，對(duì)整個(gè)橋梁施工過程起著關(guān)鍵的作用[5-6]。因此本文對(duì)鄭州黃河特大橋臨時(shí)墩的設(shè)計(jì)方案和施工工藝進(jìn)行研究，根據(jù)大橋受力狀態(tài)和施工方案設(shè)計(jì)臨時(shí)墩，并對(duì)臨時(shí)墩進(jìn)行受力分析，對(duì)臨時(shí)墩結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。

1 工程概況

鄭州黃河特大橋全長4 336 m，為公鐵兩用橋，主橋橋梁孔跨布置為：112 m+6×168 m+112 m連續(xù)鋼桁梁。

其中112 m+6×168 m+112 m連續(xù)鋼桁梁采用懸臂拼裝法架設(shè)，利用龍門吊吊裝鋼桁梁桿件，分別以382號(hào)墩、2個(gè)交界墩378、386號(hào)墩為架梁起點(diǎn)，在跨徑范圍內(nèi)設(shè)置若干臨時(shí)墩作為臨時(shí)支撐點(diǎn)。主橋示意圖見圖1。主橋全部的臨時(shí)墩均采用分配梁+鋼管樁立柱的結(jié)構(gòu)形式，鋼管樁外徑1 100 mm、壁厚14 mm。

圖1 112 m+6×168 m+112 m連續(xù)鋼桁梁

2 臨時(shí)墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工工藝

臨時(shí)墩由鋼管樁、墩頂分配梁組成[7]，對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)布置，根據(jù)各臨時(shí)墩受力情況設(shè)計(jì)管樁數(shù)量，鋼管樁之間設(shè)置連接系，增加拼裝平臺(tái)剛度。臨時(shí)支墩布置示意圖見圖2。鋼管樁加工制作完成后，精確定位，利用履帶吊機(jī)配合振動(dòng)打樁錘插打鋼管樁，鋼管樁插打到位后設(shè)置連接系。為防止鋼管樁插打過程中下口變形卷曲，影響插打深度，鋼管樁均采用開口樁，并在底端增加1道加強(qiáng)箍，以增大鋼管樁的剛度及樁端承載力。

圖2 臨時(shí)支墩布置示意圖(單位：mm)

鋼管樁安裝完成后在鋼管樁上面焊接分配梁。分配梁將節(jié)點(diǎn)集中力均勻分配至支架各個(gè)柱腳的結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)設(shè)計(jì)荷載的差異，分配梁設(shè)計(jì)為箱形梁及工形梁2種截面。分配梁均采用簡支結(jié)構(gòu)，通過多層分配將力傳至各鋼樁上。分配梁安裝時(shí)按照設(shè)計(jì)位置放線，單根分配梁將位置調(diào)整后再安裝連接系桿件。上、下層分配梁之間設(shè)計(jì)通過螺栓連接或施焊固定，下層分配梁固定好后再安裝上層分配梁。

3 臨時(shí)墩受力分析

3.1 荷載計(jì)算

臨時(shí)墩設(shè)計(jì)荷載需考慮鋼桁梁傳遞來的壓力、自重、風(fēng)力、水流沖擊力等作用，以及安全渡洪的要求。按荷載方向分類，臨時(shí)墩在鄭州黃河特大橋施工過程中主要承受豎向荷載和水平荷載[8-9]。

1) 豎向荷載。表1列出了鄭州黃河大橋主橋臨時(shí)支墩施工過程中的最大豎向荷載，臨時(shí)墩以382號(hào)墩為對(duì)稱軸鏡像布置，因此A～E與A’～E’的受力相同，臨時(shí)墩布置見圖1。

表1 臨時(shí)墩豎向荷載值 kN

2) 水平荷載。臨時(shí)墩在施工過程中承受水平荷載主要為水流力荷載(僅水中的臨時(shí)墩)、風(fēng)荷載、摩擦力。

①水流力荷載。根據(jù)相關(guān)水文資料，黃河平均水流速2.0 m/s，調(diào)水調(diào)沙期間的最大水流速3.5 m/s，水流力標(biāo)準(zhǔn)值按式(1)計(jì)算。

(1)

式中：Fw為水流力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Cw為水流阻力系數(shù)，鋼管樁為圓形截面，取 0.73；ρ為水密度，取1.0 t/m3；v為水流設(shè)計(jì)流速，取3.5 m/s；A為計(jì)算構(gòu)件在與流向垂直平面上的投影面積，臨時(shí)墩范圍內(nèi)的最大水深為 4.54 m，A=4.994 m2。將以上參數(shù)代入式(1)計(jì)算可得：水流力標(biāo)準(zhǔn)值Fw=22.3 kN。

②風(fēng)荷載。靜風(fēng)荷載按式(2)計(jì)算。

(2)

式中：ρ為空氣密度，取1.25 kg/m3；vg為28.7 m/s ；CH為阻力系數(shù)，圓形截面取 0.6 ；An為迎風(fēng)面積22 m2。將以上參數(shù)代入式(2)計(jì)算可得：風(fēng)荷載FH=6.8 kN。

③摩擦力。由于鋼桁梁自重及施工荷載對(duì)臨時(shí)墩墩頂與鋼桁梁底接觸面產(chǎn)生摩擦力，摩擦系數(shù)取0.035。摩擦力=13 563.2 kN×0.035=474.7 kN，作用點(diǎn)取分配梁F1頂面。

3.2 數(shù)值計(jì)算

臨時(shí)墩A/B/C/C1/D/E/F1的結(jié)構(gòu)形式相同，其中A墩所受豎向荷載最大，且為涉水臨時(shí)墩，相比較于其他臨時(shí)墩，施工安全穩(wěn)定性要求最高。故采用有限元ABAQUS對(duì)臨時(shí)墩A進(jìn)行受力分析。

有限元模型圖見圖3，臨時(shí)墩A上層分配梁為分配梁F1，下層分配梁為分配梁F2，對(duì)樁底固定約束。分別對(duì)4根鋼管樁、分配梁F1和分配梁F2進(jìn)行受力分析。根據(jù)GB 50017-2017 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)[10]，鋼材的強(qiáng)度容許值見表2，撓度容許值取l/400，l為受彎構(gòu)件的跨度，懸臂結(jié)構(gòu)為懸臂長度的2倍。

圖3 有限元模型圖

表2 鋼材的強(qiáng)度容許值

3.2.1臨時(shí)墩鋼管樁的計(jì)算

全部臨時(shí)墩鋼管樁的樁徑、壁厚、材質(zhì)均相同，采用Q235B圓形鋼管，壁厚14 mm，長度為6 m。在最不利的荷載組合條件下進(jìn)行計(jì)算。

1) 樁身強(qiáng)度計(jì)算。鋼管樁按照壓彎構(gòu)件計(jì)算。豎向力荷載：F=13 563.2 kN(取A墩中桁的豎向荷載值)，4根樁承擔(dān)，豎向荷載作用于分配梁1跨中。水平荷載：流水力22.3 kN作用在分配梁2跨中，風(fēng)荷載值6.8 kN作用在分配梁2跨中，摩擦力作用在分配梁F1的上表面，此工況為臨時(shí)墩受力最不利情況。

有限元計(jì)算的鋼管樁應(yīng)力圖見圖4，樁身最大應(yīng)力163 MPa<[σ]=170 MPa ，滿足要求。

圖4 臨時(shí)墩A鋼管樁應(yīng)力圖(單位：MPa)

2) 樁身穩(wěn)定性計(jì)算。根據(jù)《規(guī)范》，對(duì)樁身進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，得到繞X軸的穩(wěn)定應(yīng)力：φx=168 MPa<[σ]=170 MPa；繞Y軸的穩(wěn)定應(yīng)力：φy=158 MPa<[σ]=170 MPa；樁身穩(wěn)定性滿足《規(guī)范》要求。

3.2.2分配梁F1受力分析

1) 強(qiáng)度。分配梁F1采用Q235B鋼材的焊接箱型截面，截面參數(shù)見圖5，圖中N5為加勁肋，加勁肋和腹板的厚度均為20 mm，計(jì)算所得的彎應(yīng)力圖見圖6，剪應(yīng)力圖見圖7。最大豎向荷載F=13 563.2 kN(取A墩中桁的豎向荷載值)，計(jì)算跨度l1為3 m，按照承受集中荷載的簡支梁計(jì)算。

圖5 分配梁F1的截面參數(shù)(單位：mm)

圖6 分配梁F1截面彎應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖7 分配梁F1截面剪應(yīng)力圖(單位：MPa)

分配梁F1的強(qiáng)度、剛度的計(jì)算結(jié)果如下：①彎應(yīng)力σ=97.7 MPa<[σ]=160 MPa；②剪應(yīng)力τ=79.2 MPa<[τ]=90 MPa；③最大跨中豎向繞度f=0.31 mm

2) 整體穩(wěn)定性。根據(jù)《規(guī)范》要求：箱型截面簡支梁，如果其截面尺寸滿足：h/b≤6，l1/b≤95×235/fy，其中：h為梁高；b為梁寬。

分配梁 F1：h/b=2 200 mm/1 500 mm=1.47≤6，l1/b=3 000 mm/1 500 mm=2≤95，滿足要求。

3) 局部穩(wěn)定性。受壓翼緣寬厚比的要求：b0/t≤40。分配梁 F1：b0/t=750 mm/20 mm=37.5≤40，滿足要求，其中：b0=b/2=750 mm；t為鋼板的厚度，取20 mm。

《規(guī)范》對(duì)加勁肋間距要求：橫向加勁肋的最小間距為0.5h0=0.5×2 160 mm=1 080 mm，最大間距為2h0=2×2 160 mm=4 320 mm。分配梁F1橫向加勁肋的最大間距為850 mm，小于0.5h0，滿足要求。

3.2.3分配梁F2計(jì)算結(jié)果

1) 強(qiáng)度。分配梁F2采用3根HN900×300型鋼組焊，截面參數(shù)設(shè)置見圖8，計(jì)算所得的彎應(yīng)力圖見圖9，剪應(yīng)力圖見圖10。

圖8 分配梁F2的截面參數(shù)(單位：mm)

圖9 分配梁F2截面彎應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖10 分配梁F1截面剪應(yīng)力圖(單位：MPa)

最大豎向荷載F=13 563.2/2=6 781.6 kN(取A墩中桁的豎向荷載值的一半)，計(jì)算跨度l1為3 m，頂?shù)装寮案拱搴?0 mm，按照承受集中荷載的簡支梁計(jì)算。強(qiáng)度、剛度的計(jì)算結(jié)果如下。

1) 彎應(yīng)力σ=120 MPa<[σ]=160 MPa；剪應(yīng)力τ=71.3 MPa<[τ]=90 MPa；最大跨中豎向繞度f=0.91 mm

2) 整體穩(wěn)定性。根據(jù)《規(guī)范》要求：如果其截面尺寸滿足：h/b≤6，l1/b≤95×235/fy。其整體穩(wěn)定性滿足要求。分配梁F2:h/b=2 060 mm/2 090 mm=0.99≤6，l1/b=3 000 mm/2 090 mm=1.44≤95，滿足要求。

3) 局部穩(wěn)定性。受壓翼緣寬厚比的要求：b0/t≤40。分配梁F2：b0/t=1 045 mm/30 mm=34.8≤40，滿足要求。

4 結(jié)語

本文結(jié)合鄭州黃河特大橋主橋的設(shè)計(jì)及施工，探索了臨時(shí)墩特有的施工工藝，包括臨時(shí)墩鋼管樁施工以及分配梁的安裝；并結(jié)合有限元分析軟件ABAQUS對(duì)主橋臨時(shí)墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力性能和穩(wěn)定性分析。計(jì)算結(jié)果如下。

1) 臨時(shí)墩的鋼管樁最大應(yīng)力163 MPa<[σ]=170 MPa ，樁身強(qiáng)度滿足要求。

2) 臨時(shí)墩的鋼管樁繞X軸的穩(wěn)定應(yīng)力：φx=168<[σ]=170 MPa，繞Y軸的穩(wěn)定應(yīng)力：φy=158<[σ]=170 MPa，樁身穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

3) 分配梁F1和F2的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性設(shè)計(jì)值在規(guī)范要求以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

鄭州黃河特大橋主橋采用了上述的臨時(shí)支墩順利地完成了施工任務(wù)，保障了施工時(shí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全，說明上述數(shù)值模擬方法真實(shí)有效，可以作為臨時(shí)支墩計(jì)算的參考。