朱立山，張國剛，劉武

(1.湖南路橋建設(shè)集團有限責任公司，湖南 長沙 410004； 2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司；3.中南公路建設(shè)及養(yǎng)護技術(shù)湖南省企業(yè)重點實驗室)

1 工程概況

杭瑞高速公路湖南段岳陽洞庭湖大橋是臨湘至岳陽高速公路全線的控制性工程，是目前中國最大跨徑的鋼桁梁懸索橋，其主纜跨徑組合為：(460+1 480+491) m，主梁跨徑組合為：(1 480+453.6) m，錨碇為重力式錨碇；索塔為鋼筋混凝土門式塔結(jié)構(gòu)。

加勁梁全寬35.4 m，梁高9 m。采用板桁結(jié)合鋼桁加勁梁，設(shè)計時均考慮板桁共同作用。主桁架為帶豎腹桿的華倫式結(jié)構(gòu)，由上弦桿、下弦桿、豎腹桿和斜腹桿組成。主桁桁高9.0 m，桁寬35.4 m，節(jié)間長8.4 m。每個節(jié)間處設(shè)置一道主橫桁架。一個標準節(jié)段長度16.8 m，由兩個節(jié)間組成。

目前，懸索橋加勁梁架設(shè)主要有4種方法：橋面吊機懸拼法、纜索吊拼裝法、跨纜吊機安裝法以及柔性軌索滑移法。根據(jù)現(xiàn)場情況，選擇采用跨纜吊機方法安裝加勁梁，由于洞庭湖懸索橋主邊跨淺水區(qū)及無水區(qū)鋼桁梁節(jié)段架設(shè)區(qū)域受到地形水文條件的影響，鋼桁梁無法采用常規(guī)運梁駁船水運就位進行架設(shè)施工，故在淺水區(qū)及無水區(qū)架設(shè)棧橋，進行運梁和存梁作業(yè)。棧橋的設(shè)計是否合理、結(jié)構(gòu)是否安全關(guān)系到整個加勁梁的架設(shè)安全及進度。該文對岳陽側(cè)運梁棧橋進行詳細的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及強度、剛度、穩(wěn)定性等驗算，以保證大橋施工進行順利、安全。

2 運梁棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

運梁棧橋從岳陽側(cè)A1索塔延伸至江內(nèi)，總長約258.8 m，從沿江大堤中線計起至江內(nèi)約143.5 m。標準跨徑單跨9 m。棧橋分左右兩幅，分別與加勁梁節(jié)點位置對應。

運梁棧橋由鋼管樁(φ710鋼管樁)+樁頂橫向分配梁(3I45)+縱向貝雷架+橫向分配梁(2I36b)+運梁軌道(2I45b)組成，各片貝雷梁之間采用角鋼花架連接，棧橋端部受力大，故端部花架采用角鋼∠63 mm×10 mm，中間位置花架采用∠63 mm×4 mm。鋼管樁之間的剪力撐采用I36b工字鋼。貝雷架及連接花架采用Q345鋼材，其他采用Q235鋼材?？缪睾范尾捎寐涞剀壍??；A(chǔ)立柱采用振打鋼管樁，鋼管樁采用專門設(shè)備(振動錘)插入巖層。運梁棧橋貝雷梁橫向聯(lián)系圖、立面布置圖和棧橋橋墩橫斷面布置圖如圖1～3所示。

圖1 棧橋貝雷梁橫向聯(lián)系圖(單位:cm)

圖2 棧橋立面圖(單位:cm)

圖3 棧橋橋墩橫斷面布置圖(單位:cm)

3 運梁棧橋結(jié)構(gòu)分析

3.1 有限元模型

采用橋梁專業(yè)有限元分析軟件Midas/Civil對運梁棧橋結(jié)構(gòu)進行三維空間有限元分析。桁架弦桿采用梁框架單元，腹桿采用框架單元，貝雷架單元之間采用鉸接連接，貝雷架單元內(nèi)部節(jié)點采用剛結(jié)，貝雷梁橫向連接節(jié)點亦采用剛結(jié)。

運梁棧橋在兩端采用簡支支撐，在跨中相應鋼管樁位置處設(shè)置豎向支撐固結(jié)。

3.1.1 岸側(cè)移梁支架有限元模型

岸側(cè)移梁棧橋有限元模型立面圖、空間圖及橫斷面圖分別見圖4～6。該模型單元總數(shù)7 559個，節(jié)點4 124個。

圖4 岸側(cè)棧橋有限元模型立面圖

圖5 岸側(cè)棧橋有限元模型空間圖

圖6 岸側(cè)棧橋有限元模型橫斷面圖

3.1.2 江側(cè)移動梁棧橋有限元模型

江側(cè)移動梁棧橋有限元模型立面圖、空間圖及橫斷面圖分別見圖7～10。該模型單元總數(shù)36 932個，節(jié)點20 894個。

圖7 江側(cè)棧橋有限元模型立面圖

圖8 江側(cè)棧橋有限元模型空間圖

圖9 江側(cè)棧橋有限元模型橫斷面圖

圖10 江側(cè)棧橋有限元模型局部圖

3.2 計算荷載

3.2.1 棧橋自重荷載

棧橋為全鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)自重荷載參數(shù)，鋼材重度：78.5 kN/m3；重力加速度：9.806 m/s2。

3.2.2 加勁梁重量荷載

須用棧橋移運的加勁梁最大重量為321 t，強度計算時，荷載分項系數(shù)恒載為1.2、活載為1.4，加勁梁移動時為活載，存梁時為恒載。加勁梁自重荷載分布如圖11所示。

棧橋存梁階段，加勁梁1#～19#節(jié)段均臨時存于棧橋之上，1#～7#梁段臨時存在棧橋上之后即進行吊裝。由于沿湖路將棧橋分為岸側(cè)棧橋和江側(cè)棧橋，計算時選取江側(cè)棧橋作為滿布鋼桁梁荷載進行計算，即8#～19#梁段全部存放于江側(cè)棧橋上，如圖12所示。

圖11 桁架節(jié)段重量分布圖

圖12 存梁示意圖(單位：m)

3.2.3 風荷載

根據(jù)JTG/T D60-01《公路橋梁抗風設(shè)計規(guī)范》，施工階段風荷載計算公式為：

(1)

式中：ρ為空氣密度(kg/m3)，取1.25；Vsg為施工分析陣靜風風速，Vsg=ηCVVd，重現(xiàn)期取20年，η=0.88，湖南岳陽為湖岸地區(qū)，地面粗糙度為A類，取CV=1.29，Vd=K1V10，基準高度風速取V10=25 m/s，K1=1.174(Z/10)0.12，Z為構(gòu)件基準高度(m)；CH為風載阻力系數(shù)，圓形截面取1.0，矩形截面取1.3；AWH為橫向迎風面積(m2)。

可計算得到各構(gòu)件的風荷載大小如表1所示。

表1 各構(gòu)件風荷載大小

3.2.4 水流沖擊荷載

流水壓力的計算根據(jù)JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》中的第4.3.9條有關(guān)規(guī)定進行計算。

(2)

式中：γ=10 kN/m3；V=2 m/s。

棧橋鋼管樁阻水面積A取14.2 m2(以2017年實測洪水位32.0 m和最大水深處鋼管樁計算)；圓形墩柱K取0.8。

3.2.5 荷載組合

棧橋結(jié)構(gòu)驗算工況及荷載組合如表2所示。岸側(cè)棧橋考慮運梁工況、江側(cè)棧橋考慮運梁及存梁工況。

表2 計算工況及荷載組合

3.3 計算結(jié)果

3.3.1 工況1計算結(jié)果

(1) 貝雷架強度計算結(jié)果

貝雷架的強度驗算結(jié)果見圖13、14。

圖13 貝雷架最大正應力包絡(luò)圖(單位：MPa)

圖14 貝雷架最大剪應力包絡(luò)圖(單位：MPa)

由圖13、14可見:岸側(cè)貝雷架最大應力發(fā)生在江側(cè)端部和塔側(cè)端部邊支點位置的花架，最大壓應力249.0 MPa，小于Q345鋼材抗壓強度設(shè)計值fd=275 MPa；貝雷架最大剪應力50.0 MPa，小于Q345鋼材抗剪強度設(shè)計值fvd=160 MPa。

(2) 軌道梁強度計算結(jié)果

軌道梁的強度驗算結(jié)果見圖15、16。

圖15 軌道梁最大正應力包絡(luò)圖(單位：MPa)

圖16 軌道梁最大剪應力包絡(luò)圖(單位：MPa)

由圖15、16可見：最大壓應力為163.3 MPa，小于Q235鋼材抗壓強度設(shè)計值fd=190 MPa；最大剪應力61.7 MPa，小于Q235鋼材抗剪強度設(shè)計值fvd=110 MPa。

(3) 橫向分配梁強度計算結(jié)果

橫向分配梁的強度驗算結(jié)果見圖17、18。

圖17 橫向分配梁最大正應力包絡(luò)圖(單位：MPa)

圖18 橫向分配梁最大剪應力包絡(luò)圖(單位：MPa)

由圖17、18可見：最大壓應力161.1 MPa，小于Q235鋼材抗壓強度設(shè)計值fd=190 MPa；最大剪應力79.4 MPa，小于Q235鋼材抗剪強度設(shè)計值fvd=110 MPa。

(4) 鋼管樁、剪刀撐強度計算結(jié)果

鋼管樁、剪刀撐的強度驗算結(jié)果見圖19、20。

圖19 鋼管樁、剪刀撐最大正應力包絡(luò)圖(單位：MPa)

由圖19、20可見：最大壓應力98.7 MPa，小于Q235鋼材抗壓強度設(shè)計值fd=190 MPa；最大剪應力48.3 MPa，小于Q235鋼材抗剪強度設(shè)計值fvd=110 MPa。

(5) 剛度計算結(jié)果

岸側(cè)棧橋最大位移包絡(luò)圖如圖21所示，運梁過程中最大豎向位移為-6.48 mm(“-”表示向下)，小于規(guī)范限值L/400=9 000/400=22.5 mm，滿足規(guī)范要求。

圖20 鋼管樁、剪刀撐最大剪應力包絡(luò)圖(單位：MPa)

圖21 岸側(cè)棧橋最大位移包絡(luò)圖(單位：mm)

3.3.2 計算結(jié)果匯總

3種工況的計算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。由表3可知：各工況的強度和剛度以及穩(wěn)定性計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)如圖22所示，失穩(wěn)桿件為鋼管樁斜撐，其細部如圖23所示。

3.4 運梁支座計算

運梁支座頂板、側(cè)邊限位板采用δ20鋼板，其余均采用δ14鋼板。采用Abaqus建模進行計算，用S4R單元模擬各鋼板。邊界條件為：底板約束豎向、縱向平動位移，限位板約束橫向位移。荷載條件為：加勁梁移動時產(chǎn)生的最大支座壓力，考慮一個支座脫空，最大支座反力F=3 210/2×1.4=2 247 kN。主要計算結(jié)果：最大變形為f=0.27 mm，最大Mises應力σ=126 MPa <190 MPa(均位于頂板)(圖24)，滿足要求。

4 結(jié)語

對洞庭湖特大跨徑懸索橋岳陽側(cè)運梁棧橋進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計計算，棧橋采用貝雷梁和鋼管樁等作為主要受力構(gòu)件，岸側(cè)棧橋無流水荷載，上下游棧橋之間無橫向聯(lián)系，江側(cè)棧橋采用X撐進行聯(lián)結(jié)。從強度、剛度、穩(wěn)定性方面對棧橋進行了分析，貝雷梁正應力最大為273 MPa，端部花架加強后可明顯改善端部的局部受力情況。各工況剪應力均較小，存梁時剪力撐橫向位移最大為34.8 mm，穩(wěn)定系數(shù)為4.046，結(jié)果表明各項指標均滿足規(guī)范要求。對運梁支座進行了細部分析，最大Mises應力σ=126 MPa，滿足規(guī)范要求。

表3 結(jié)構(gòu)計算結(jié)果匯總

圖22 穩(wěn)定系數(shù)

圖23 失穩(wěn)桿件細部圖

圖24 運梁支座應力云圖(單位：Pa)