方哲形，葉以挺，吳 剛

(浙江交工集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310051)

1 工程概況

舟岱跨海大橋DSSG01標(biāo)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(lèi)型、55個(gè)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(guò)渡墩墩頂梁段，C，F(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)梁段，H為跨中合龍段。主梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)16m，標(biāo)準(zhǔn)梁段質(zhì)量約272t，其他梁段最大起重量303t。鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖2所示。

圖1 主橋橋型布置(單位：cm)

圖2 鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面(單位：cm)

索塔區(qū)A梁段長(zhǎng)度為9.5m，重236t，為索塔根部的基準(zhǔn)梁段，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，鋼箱梁安裝施工期間需將鋼箱梁與索塔臨時(shí)固結(jié)，縱向、橫向和豎向都應(yīng)提供約束。通過(guò)在梁底和索塔下橫梁底張拉2排豎向預(yù)應(yīng)力束的施工臨時(shí)固結(jié)構(gòu)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(shí)填塞物方法實(shí)現(xiàn)對(duì)縱向位移的約束。

橋址區(qū)位于浙江沿海海域，地勢(shì)開(kāi)闊，平均風(fēng)速明顯大于內(nèi)陸其他地區(qū)，根據(jù)灰鱉山氣象站實(shí)測(cè)資料分析，距海面10m高度處百年一遇基本風(fēng)速為42.3m/s。臺(tái)風(fēng)是本工程區(qū)域內(nèi)最主要的災(zāi)害性天氣。結(jié)合水文、氣象等條件，并根據(jù)鋼箱梁與索塔的特點(diǎn)，針對(duì)性地設(shè)計(jì)了臨時(shí)固結(jié)結(jié)構(gòu)，對(duì)該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算進(jìn)行闡述。

2 臨時(shí)固結(jié)設(shè)計(jì)及施工方案

2.1 臨時(shí)固結(jié)設(shè)計(jì)

索塔區(qū)鋼箱梁精確調(diào)整完畢后安裝臨時(shí)錨固系統(tǒng)，臨時(shí)預(yù)應(yīng)力束采用φs15-7鋼絞線，每個(gè)臨時(shí)混凝土墊石上設(shè)置4束4φs15-7鋼絞線，鋼絞線張拉控制應(yīng)力為1 395MPa。

鋼箱梁橫向錨固系統(tǒng)通過(guò)在鋼箱梁兩側(cè)各設(shè)置2根φ325×6鋼管，鋼管與鋼箱梁采用M24高強(qiáng)螺栓連接，索塔側(cè)通過(guò)M42螺栓進(jìn)行連接，索塔側(cè)在澆筑混凝土?xí)r預(yù)埋M42爬錐，共設(shè)置4個(gè)φ325×6鋼管，如圖3～5所示。

圖3 臨時(shí)固結(jié)立面與平面布置(單位：cm)

圖5 豎向臨時(shí)固結(jié)斷面(單位：cm)

2.2 施工說(shuō)明

1)下橫梁施工過(guò)程中預(yù)埋豎向臨時(shí)固結(jié)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(yù)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(shí)預(yù)埋橫向臨時(shí)固結(jié)措施，其采用8個(gè)M42爬錐形式，安裝時(shí)將鋼管與鋼板進(jìn)行焊接，鋼板與爬錐進(jìn)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(gè)臨時(shí)限位，以保證鋼箱梁安裝過(guò)程中不產(chǎn)生縱向位移。

3 臨時(shí)固結(jié)約束反力計(jì)算

3.1 荷載計(jì)算

3.1.1風(fēng)荷載

根據(jù)設(shè)計(jì)文件提供的資料，橋位處的最大風(fēng)速值取為42.3m/s。按A類(lèi)地面考慮，施工階段考慮20年重現(xiàn)期，其中Z為距地面或水面的基準(zhǔn)高度，則設(shè)計(jì)基本風(fēng)速(K1A=1.174)為：

V10=K1AV0

(1)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)基本風(fēng)速和JTG/T 3360-01—2018《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為：

(2)

式中：z為跨中橋面離開(kāi)水面的高度；z10為標(biāo)準(zhǔn)高度，即z10=10m；V10為橋位10m高度處設(shè)計(jì)基本風(fēng)速，即V10=60.24m/s；α為冪指數(shù)，取α=0.12。南通航孔橋面離水面高度按平均水位計(jì)算為z=50m，則橋面高度處設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速Vd=60.24m/s。

施工階段的設(shè)計(jì)風(fēng)速選取重現(xiàn)期20年的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速，根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定：

Vsd=ηVd

(3)

式中：Vsd為不同重現(xiàn)期下的設(shè)計(jì)風(fēng)速；Vd為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速；η為風(fēng)速重現(xiàn)期系數(shù)。查表可知，重現(xiàn)期20年的風(fēng)速重現(xiàn)期系數(shù)為0.88。所以，南通航孔橋施工階段的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速Vsd=53.01m/s。

根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定：

Vg=GvVz

(4)

式中：Vg為靜陣風(fēng)風(fēng)速；Gv為靜陣風(fēng)系數(shù)，應(yīng)按水平加載長(zhǎng)度為該施工狀態(tài)已拼裝主梁的長(zhǎng)度選取，此處為方便計(jì)，取1.29。所以Vg=68.38m/s。

作用在鋼箱梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度上的靜陣風(fēng)荷載表達(dá)式為：

(5)

式中：α為風(fēng)攻角；ρ為空氣密度(kg/m3)，取1.25kg/m3；Vg為靜陣風(fēng)風(fēng)速；CH，CV，CM分別為主梁體軸各向的橫向力系數(shù)、豎向力(升力)系數(shù)、扭轉(zhuǎn)力矩系數(shù)，根據(jù)本項(xiàng)目《節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)報(bào)告》中西南交通大學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果取風(fēng)攻角在±3°時(shí)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(shù)如圖6所示。

圖6 風(fēng)軸系與體軸系關(guān)系示意

計(jì)算結(jié)果如下。

當(dāng)跨中橋面離開(kāi)水面的高度z為50m，主梁的高度為3.5m、寬度為3.4m時(shí)，得出橫向風(fēng)荷載為2.6kN/m，豎向風(fēng)荷載為43.3kN/m，扭轉(zhuǎn)力矩為97kN·m/m。

施工階段的風(fēng)荷載加載形式按《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定執(zhí)行，除了對(duì)稱加載外，還應(yīng)考慮不對(duì)稱加載工況，如圖7所示，施工階段的風(fēng)荷載不對(duì)稱加載形式按《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

圖7 風(fēng)荷載不對(duì)稱加載形式

3.1.2鋼箱梁自重/吊重荷載

鋼箱梁在吊裝、運(yùn)輸時(shí)考慮1.1的動(dòng)力系數(shù)，即吊重荷載取自重的1.1倍。

3.1.3橋面吊機(jī)/不平衡荷載

橋面吊機(jī)按單端184t考慮，其作用位置按《寧波舟山港主通道(魚(yú)山石化疏港公路)公路工程兩階段施工圖設(shè)計(jì)》(鋼箱梁及斜拉索)中相關(guān)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(yú)山石化疏港公路)公路工程兩階段施工圖設(shè)計(jì)》(鋼箱梁及斜拉索)中相關(guān)規(guī)定取值。

3.2 工況說(shuō)明

根據(jù)荷載特性與最不利施工狀態(tài)分析，斜拉橋施工過(guò)程中臨時(shí)固結(jié)部分的計(jì)算主要考慮最大風(fēng)速下，斜拉橋最大雙懸臂狀態(tài)(見(jiàn)圖8)與最大單懸臂狀態(tài)計(jì)算。

圖8 最大雙懸臂狀態(tài)下的橫向不對(duì)稱風(fēng)速計(jì)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(shí)際施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的情形，結(jié)構(gòu)的最不利受力狀況取每個(gè)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(gè)梁段)進(jìn)行分析。

2)對(duì)稱橫向風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生的水平力。

3)邊跨和中跨兩側(cè)不平衡橫向風(fēng)荷載作用下，對(duì)兩側(cè)主梁產(chǎn)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(cè)橋面吊機(jī)同時(shí)起吊，當(dāng)一側(cè)橋面吊機(jī)脫鉤，合龍段鋼箱梁自重由單側(cè)橋面吊機(jī)承受。橋面吊機(jī)自重按實(shí)際自重選取，合龍段鋼箱梁自重乘以動(dòng)力系數(shù)1.20。

2)對(duì)稱橫向風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生的水平力。

3)邊跨和中跨兩側(cè)不平衡橫向風(fēng)荷載作用下，對(duì)兩側(cè)主梁產(chǎn)生的不平衡力。

3.3 約束反力計(jì)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(shí)，主梁處于最大雙懸臂狀態(tài)，懸臂長(zhǎng)度為187.9m，利用MIDAS/Civil軟件計(jì)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(shè)狀態(tài)，中跨最大懸臂長(zhǎng)度達(dá)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(shí)固結(jié)、索塔柱與鋼箱梁之間的橫向臨時(shí)固結(jié)的模擬設(shè)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(shí)固結(jié)

圖12 索塔柱與鋼箱梁之間的橫向臨時(shí)固結(jié)

4)計(jì)算結(jié)果。①最大雙懸臂 在最大雙懸臂情形下，各臨時(shí)固結(jié)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(shí)固結(jié)的受力如表2所示。

表1 最大雙懸臂情形下臨時(shí)固結(jié)體系受力 kN

表2 最大單懸臂情形下臨時(shí)固結(jié)體系受力 kN

4 臨時(shí)固結(jié)構(gòu)造受力分析

4.1 豎向臨時(shí)固結(jié)分析

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

豎向臨時(shí)固結(jié)的承壓控制部分與承拉控制部分，分別對(duì)鋼板和鋼絞線的抗壓及抗拉承載力進(jìn)行驗(yàn)算。

綜合得出臨時(shí)固結(jié)受力如表3所示。

表3 臨時(shí)固結(jié)體系受力 kN

4.1.1抗拉承載力驗(yàn)算

單個(gè)臨時(shí)固結(jié)通過(guò)4束型號(hào)為15-7的預(yù)應(yīng)力鋼束與下橫梁連接，鋼束張拉控制應(yīng)力為1 395MPa。

由于臨時(shí)固結(jié)的短期性，此處僅考慮錨具變形引起的預(yù)應(yīng)力損失。由JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中第6.2條可知，預(yù)應(yīng)力直線鋼筋引起的應(yīng)力損失為：

單束鋼絞線有效應(yīng)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(gè)豎向臨時(shí)固結(jié)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(yàn)算

臨時(shí)固結(jié)鋼材采用Q235B，且單個(gè)臨時(shí)固結(jié)主要通過(guò)鋼板N5與N6承受壓力，已知鋼板N5的厚度30mm、計(jì)算長(zhǎng)度考慮1 030mm，鋼板N6的厚度30mm、計(jì)算長(zhǎng)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(shí)固結(jié)在進(jìn)行抗壓承載力計(jì)算時(shí)可不用考慮局部穩(wěn)定影響的有效截面折減。

單個(gè)豎向臨時(shí)固結(jié)按軸心受壓構(gòu)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(yàn)算

已知臨時(shí)固結(jié)的高度取1.25m，則由JTG D64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》中附錄A可知，弱軸的穩(wěn)定折減系數(shù)χ為1。

再根據(jù)其中第5.2條計(jì)算可得，豎向臨時(shí)固結(jié)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(shí)固結(jié)分析

由上述可知，單個(gè)橫向臨時(shí)固結(jié)承受的最大壓、拉力分別為1 019.8kN與1 089.9kN。

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

4.2.1抗拉承載力驗(yàn)算

1)單個(gè)橫向臨時(shí)固結(jié)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》可知，在螺栓桿軸方向受拉的連接中，單個(gè)10.9級(jí)M24高強(qiáng)螺栓的抗拉承載力為0.8×225=180kN，則單個(gè)橫向臨時(shí)固結(jié)包含8個(gè)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(jù)JTG D64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)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(shí)，側(cè)面角焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度宜≤60hf。當(dāng)計(jì)算長(zhǎng)度大于上述數(shù)值時(shí)，其超過(guò)部分在計(jì)算中可不予考慮。在全長(zhǎng)范圍內(nèi)均傳遞內(nèi)力的焊縫，其計(jì)算長(zhǎng)度可不受此限。

已知橫向臨時(shí)固結(jié)處角焊縫的焊腳尺寸hf=7mm，考慮到橫向臨時(shí)固結(jié)結(jié)構(gòu)在與鋼箱梁邊腹板連接那一端的焊縫相對(duì)較弱，故取該端焊縫進(jìn)行受力計(jì)算，其焊縫計(jì)算面積S=(325×3.14+80×2×4)×7×0.7=8 136.45mm2。

則可計(jì)算得到焊縫承受的拉應(yīng)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(yàn)算

單個(gè)橫向臨時(shí)固結(jié)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(yàn)算

鋼管的計(jì)算長(zhǎng)度取1m(即兩端鉸接桿件)。

已知φ325×6鋼管的回轉(zhuǎn)半徑i=11.28cm，則有長(zhǎng)細(xì)比λ=l0/i=8.87。

經(jīng)查GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》附錄D中Q235鋼管軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)表，得φ=0.994(按b類(lèi)截面考慮)。

橫向臨時(shí)固結(jié)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(guò)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(duì)牛腿自身和焊縫進(jìn)行驗(yàn)算。

4.3.1牛腿應(yīng)力驗(yàn)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(gè)牛腿根部承受的彎矩為2 547.6kN·m，單個(gè)牛腿承受剪力為3 639.4kN。

依據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，彎曲應(yīng)力：σ=Mh/I=17.8MPa<295MPa，滿足要求。

4.3.2焊縫驗(yàn)算

依據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)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(shí)，側(cè)面角焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度宜≤60hf。當(dāng)計(jì)算長(zhǎng)度大于上述數(shù)值時(shí)，其超過(guò)部分在計(jì)算中可不予考慮。在全長(zhǎng)范圍內(nèi)均傳遞內(nèi)力的焊縫，其計(jì)算長(zhǎng)度可不受此限。牛腿處角焊縫的hf=8mm。

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

剪應(yīng)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(guò)程中豎、橫向臨時(shí)固結(jié)及縱向限位擋塊處會(huì)承受較大的力，且將這部分力傳遞給鋼箱梁，導(dǎo)致鋼箱梁局部受力較大，因此需對(duì)鋼箱梁的局部受力進(jìn)行驗(yàn)算。

豎、橫向臨時(shí)固結(jié)及縱向限位擋塊的最大受力同時(shí)出現(xiàn)在最大單懸臂狀態(tài)內(nèi)，故可將其進(jìn)行統(tǒng)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(jì)算結(jié)果如圖13所示。

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

由計(jì)算結(jié)果得出，臨時(shí)固結(jié)措施的受力滿足規(guī)范要求，設(shè)計(jì)合理有效。

5 結(jié)語(yǔ)

寧波舟山港主通道舟岱跨海大橋DSSG01標(biāo)段南通航孔大跨度斜拉橋鋼箱梁施工中，臨時(shí)固結(jié)構(gòu)造措施未出現(xiàn)移位、變形、焊縫開(kāi)裂等情況，通過(guò)設(shè)置縱、橫向及豎向臨時(shí)固結(jié)措施對(duì)鋼箱梁安裝的線形控制起到顯著效果，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、施工安全，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。