廖 禎 虎， 李 友 誼， 趙 騰 飛， 何 杰， 馮 川

(中國(guó)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?yàn)槔?，闡述了鋼棧橋及作業(yè)平臺(tái)涉及的技術(shù)方案。該橋全長(zhǎng)448 m，位于虎頭寺水電站庫(kù)區(qū)，為舊橋加寬項(xiàng)目，原舊橋橋?qū)?2 m，拓寬改造后橋梁全寬為36 m。橋梁結(jié)構(gòu)上部采用11 m×40 m簡(jiǎn)支T梁，下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式橋墩，兩側(cè)橋臺(tái)采用肋板式橋臺(tái)。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(dá)到6.1 m。根據(jù)白龍江大橋設(shè)計(jì)圖和相關(guān)規(guī)定，擬在白龍江大橋下游側(cè)修建一座臨時(shí)鋼棧橋，且在2#～7#墩附近修建水中作業(yè)平臺(tái)，棧橋和水中作業(yè)平臺(tái)相連。

鋼棧橋采用貝雷梁鋼管柱常規(guī)搭設(shè)，總長(zhǎng)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(dòng)墩以增加棧橋的整體穩(wěn)定性。棧橋結(jié)構(gòu)形式為上承式，橫向?yàn)榘伺艈螌悠胀ㄐ?21貝雷桁架，單側(cè)八排桁架組合。底部設(shè)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(gòu)造主橫梁采用2I56b雙拼工字鋼，基礎(chǔ)采用Φ630×10 mm鋼管柱。作業(yè)平臺(tái)為12 m×21 m，共6個(gè)，分別設(shè)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(yè)平臺(tái)斷面見圖1。

2 平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

圖1 鋼棧橋及作業(yè)平臺(tái)斷面圖

依據(jù)鋼棧橋相關(guān)設(shè)計(jì)圖紙，結(jié)合大橋施工方案及施工的實(shí)際情況，通過MIDAS/Civil有限元分析軟件建出鋼棧橋及作業(yè)平臺(tái)模型，模擬各個(gè)加載工況進(jìn)行受力分析，對(duì)當(dāng)前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做出評(píng)估，目的是了解該結(jié)構(gòu)在施工過程中其強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性是否滿足規(guī)范要求，并對(duì)鋼管樁進(jìn)行地基承載力計(jì)算，通過試算得出每根鋼管樁的最小樁長(zhǎng)，在保證結(jié)構(gòu)安全的條件下，盡可能地節(jié)省材料，避免過度設(shè)計(jì)，其技術(shù)方案包含以下兩方面：

一是對(duì)鋼棧橋及作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，其中強(qiáng)度計(jì)算是指結(jié)構(gòu)各部分主要承重構(gòu)件是否滿足承載力要求；剛度計(jì)算是指結(jié)構(gòu)的變形是否滿足規(guī)范要求；穩(wěn)定性計(jì)算是指結(jié)構(gòu)在施工過程中對(duì)于部分受壓桿件(主要是鋼管樁)是否會(huì)發(fā)生屈曲失穩(wěn)。

二是對(duì)鋼管樁進(jìn)行地基承載力計(jì)算，通過計(jì)算每層土的地基承載力，與MIDAS/Civil計(jì)算得到的每根樁樁底最大支反力進(jìn)行對(duì)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(zhǎng)。

2.1 方案建模

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)，進(jìn)行鋼棧橋及作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全分析時(shí)應(yīng)該考慮下列各項(xiàng)荷載[2]：

(1)自重：鋼棧橋及作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)自身的重量，自重系數(shù)取1。

(2)施工荷載：施工人員和施工材料、機(jī)具等行走運(yùn)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(shù)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(gè)車道；旋挖鉆機(jī)布置1個(gè)車道。

表1 棧橋車輛荷載表

(4)風(fēng)荷載：根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB5009-2012要求，結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載按下式計(jì)算。

wk=βzμsμzw0

式中wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2)；βz為高度z處的風(fēng)振系數(shù)，取1；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)，取1.3；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取0.65；w0為按v2/1 600計(jì)算，取0.39 kN/m2。

將取值參數(shù)代入上述計(jì)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(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)第4.3.9條：作用在橋墩上的流水壓力標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計(jì)算：

式中Fw為流水壓力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)；γ為水的重度(kN/m3)；v為設(shè)計(jì)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(shù)，取0.8。

將取值參數(shù)代入上述計(jì)算公式可得：

(6)漂浮物撞擊力：取漂浮物的總質(zhì)量m=500 kg，漂浮物的流速等于水的流速v=2 m/s，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，漂浮物對(duì)棧橋的撞擊力F=m·g·v/g·t，即漂浮物對(duì)棧橋的沖量Ft=mv。取撞擊時(shí)間為單位時(shí)間，則漂流物對(duì)棧橋的撞擊力F=mv/t=500×2/1=1(kN)。

(7)汽車制動(dòng)力：根據(jù)《棧橋設(shè)計(jì)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(dòng)力荷載。

(8)沖擊力：通過自振頻率算出的沖擊系數(shù)不足0.2，考慮到作業(yè)平臺(tái)上存在鉆機(jī)作業(yè)，局部沖擊相對(duì)較嚴(yán)重，為保證安全，直接采用按局部結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)取值，即取0.3作為鉆機(jī)等的沖擊系數(shù)。

在支架結(jié)構(gòu)驗(yàn)算過程中，為安全起見，采用極限狀態(tài)應(yīng)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(qiáng)度計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)值組合適用于剛度計(jì)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(shè)計(jì)方案優(yōu)化

針對(duì)結(jié)構(gòu)中極為重要的鋼管樁樁長(zhǎng)參數(shù)，首先對(duì)鋼棧橋和作業(yè)平臺(tái)鋼管樁各樁最不利支反力進(jìn)行計(jì)算，再根據(jù)《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG C30-2015)第8.3.1條計(jì)算最大沖刷深度，最后根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D63-2007)第5.3.3條計(jì)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(dòng)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(qū)域的鋼管樁范圍進(jìn)行建模，該模型可以等效替代其他鋼管樁區(qū)域，按不低于7 m入土深度進(jìn)行地基承載力計(jì)算，考慮沖刷深度1 m，即實(shí)際入土深度為不低于6 m，最終可得鋼管樁最佳樁長(zhǎng)計(jì)算結(jié)果。

3 方案仿真與分析

3.1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)仿真

本次計(jì)算模型共14 530個(gè)節(jié)點(diǎn)，21 258個(gè)單元，其中梁?jiǎn)卧?9 022個(gè)，板單元2 236個(gè)，模型建出了鋼棧橋及作業(yè)平臺(tái)主要承重構(gòu)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?jiǎn)卧M；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(jìn)行模擬；主橫梁與鋼管樁采用共節(jié)點(diǎn)考慮；鋼管樁底部約束其平動(dòng)自由度和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。計(jì)算模型見圖2。

圖2 鋼棧橋及作業(yè)平臺(tái)計(jì)算模型圖

3.2 結(jié)果分析

通過MIDAS/CIVIL軟件對(duì)各有限元進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。

(1)橋面板應(yīng)力計(jì)算。

①橋面板最大組合應(yīng)力：計(jì)算所得橋面板最大組合應(yīng)力為36.1 MPa≤215 MPa(Q235鋼強(qiáng)度設(shè)計(jì)值)，結(jié)構(gòu)安全。

② 橋面板最大剪應(yīng)力：計(jì)算所得橋面板最大剪應(yīng)力為19.4 MPa≤125 MPa(Q235鋼強(qiáng)度設(shè)計(jì)值)，結(jié)構(gòu)安全。

(2)縱梁應(yīng)力計(jì)算。

① 縱梁最大組合應(yīng)力：計(jì)算所得縱梁最大組合應(yīng)力為95.4 MPa≤215 MPa(Q235鋼強(qiáng)度設(shè)計(jì)值)，結(jié)構(gòu)安全。

② 縱梁最大剪應(yīng)力：計(jì)算所得縱梁最大剪應(yīng)力為31.4 MPa≤125 MPa(Q235鋼強(qiáng)度設(shè)計(jì)值)，結(jié)構(gòu)安全。

(3)分配梁橫梁應(yīng)力計(jì)算。

①分配梁橫梁最大組合應(yīng)力：計(jì)算所得分配梁橫梁最大組合應(yīng)力為160.6 MPa≤215 MPa(Q235鋼強(qiáng)度設(shè)計(jì)值)，結(jié)構(gòu)安全。

②分配梁橫梁最大剪應(yīng)力：計(jì)算所得分配梁橫梁最大剪應(yīng)力為116.9 MPa≤125 MPa(Q235鋼強(qiáng)度設(shè)計(jì)值)，結(jié)構(gòu)安全。

(4)貝雷片應(yīng)力計(jì)算。

① 貝雷片最大組合應(yīng)力：計(jì)算所得貝雷片最大組合應(yīng)力為165.3 MPa≤295 MPa(Q345鋼強(qiáng)度設(shè)計(jì)值)，結(jié)構(gòu)安全。

② 貝雷片最大剪應(yīng)力：計(jì)算所得貝雷片最大剪應(yīng)力為103.7 MPa≤170 MPa(Q345鋼強(qiáng)度設(shè)計(jì)值)，結(jié)構(gòu)安全。

(5)主橫梁應(yīng)力計(jì)算。

① 主橫梁最大組合應(yīng)力：計(jì)算所得主橫梁最大組合應(yīng)力為41.7 MPa≤215 MPa(Q235鋼強(qiáng)度設(shè)計(jì)值)，結(jié)構(gòu)安全。

② 主橫梁最大剪應(yīng)力：計(jì)算所得主橫梁最大剪應(yīng)力為26.7 MPa≤125 MPa(Q235鋼強(qiáng)度設(shè)計(jì)值)，結(jié)構(gòu)安全。

(6)平聯(lián)斜撐應(yīng)力計(jì)算。

①平聯(lián)斜撐最大組合應(yīng)力：計(jì)算所得平聯(lián)斜撐最大組合應(yīng)力為28.3 MPa≤215 MPa(Q235鋼強(qiáng)度設(shè)計(jì)值)，結(jié)構(gòu)安全。

②平聯(lián)斜撐最大剪應(yīng)力：計(jì)算所得平聯(lián)斜撐最大剪應(yīng)力為1.3 MPa≤125 MPa(Q235鋼強(qiáng)度設(shè)計(jì)值)，結(jié)構(gòu)安全。

(7)鋼管樁最大組合應(yīng)力。

計(jì)算所得鋼管樁最大組合應(yīng)力為27.1 MPa≤215 MPa(Q235鋼強(qiáng)度設(shè)計(jì)值)，結(jié)構(gòu)安全。

(8)變形計(jì)算。

①貝雷梁最大位移計(jì)算：已知該鋼棧橋最大跨度為9 m，由有限元進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算得知其貝雷梁最大變形為6.79 mm

② 主橫梁最大位移計(jì)算。已知作業(yè)平臺(tái)橫向最大跨度為4.78 m，由各有限元進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算得知其主橫梁最大變形為2.7 mm

(9)穩(wěn)定計(jì)算。通過采用MIDAS/Civil對(duì)鋼棧橋和作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元穩(wěn)定分析，對(duì)整個(gè)鋼棧橋和作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定分析得到的臨界系數(shù)為-93.3<0，穩(wěn)定性驗(yàn)算滿足要求，結(jié)構(gòu)安全[4]。

4 方案抗浮分析

對(duì)鋼管樁進(jìn)行抗浮計(jì)算，通過MIDAS/Civil查得結(jié)構(gòu)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(shè)水面淹沒整個(gè)鋼管樁時(shí)，其受到水的浮力作用容易發(fā)生失穩(wěn)，鋼管樁占水體積為6.235 m3，浮力計(jì)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(huì)對(duì)鋼管樁產(chǎn)生安全影響，反而會(huì)對(duì)鋼管樁起到有利作用[5]。

5 結(jié) 語(yǔ)

總體而言，為了確保鋼棧橋最終的環(huán)保效益以及經(jīng)濟(jì)效益的實(shí)現(xiàn)，必須強(qiáng)化對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算技術(shù)的研究和運(yùn)用，有效把握結(jié)構(gòu)計(jì)算中的重點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，對(duì)計(jì)算過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行進(jìn)一步的分析研究并制定出相應(yīng)的完善和優(yōu)化措施，在技術(shù)上先行做好對(duì)整個(gè)鋼棧橋的安全、質(zhì)量保證，杜絕任何質(zhì)量問題和安全隱患的出現(xiàn)，為橋梁水中施工的安全穩(wěn)定進(jìn)行奠定良好的基礎(chǔ)。