■高興贊 游德泉 尹棟佳

（1.湖北交投宜昌投資開發(fā)有限公司，宜昌 443000；2.福建省交通科研院有限公司，福州 350004；3.湖北省交通規(guī)劃設計院股份有限公司，武漢 430051）

黃河水流分為枯水期和汛期， 水位隨季節(jié)性雨水的變化比較明顯。 從前一年的12 月到當年的4 月為枯水期，6 月開始進入汛期，7-9 月是黃河蘭州段的洪水期，黃河水量最小值出現(xiàn)在每年的3、4 月。據(jù)實測資料統(tǒng)計， 該地區(qū)水流最大流速以3 m/s 考慮，平均流速按1.5 m/s 考慮。 臨時棧橋一般處在惡劣的環(huán)境之中，其風、浪、流等環(huán)境荷載可能是控制棧橋設計的關鍵因素[1～2]，特別是在洪水期棧橋受力復雜， 而目前對于處于該條件下的棧橋研究較少。本研究在考慮水流動荷載的情況下，對大流速區(qū)棧橋展開有限元模型的靜力分析，以期得到不同工況下的受力及位移情況，從而得出相應的結論，為以后黃河流域乃至全國其他流域類似工程的設計與施工提供一定的理論參考。

1 工程概述

由于某黃河大橋施工難度大，為了方便大橋施工而興建了臨時棧橋。設計最高水位1 543 m，河床標高1 537～1 539 m。勘察期間水位高程一般1 541.0 m，最高水位1 543.0 m 施工水位1 540 m， 水面寬度300 m，水深1.0～3.0 m。 該橋址處多卵石。

該棧橋既作為主橋施工的平臺，也充當了施工車輛和普通車輛的運行通路，任務艱巨，棧橋規(guī)模較大，總長度約360 m，設計標準較高。 本棧橋采用了板凳樁形式，板凳結構即橫橋向樁有3～6 排不等的樁， 樁與樁之間的距離大概4～5 m。 順橋向樁與樁之間的距離大概6 m 左右，每根樁的長度、外徑、壁厚等規(guī)格都相同。 鋼管樁的外徑為0.82 m，內徑為0.804 m，鋼管樁壁厚為0.008 m。 樁與樁之間由平聯(lián)連接，平聯(lián)也采用材料相同的鋼管，平聯(lián)鋼管樁的外徑為0.426 m，內徑為0.414 m，平聯(lián)鋼管樁的壁厚為0.006 m。 貝雷梁的縱梁材料為工12.6，間距為0.3 m。 貝雷梁與樁基之間由橫梁連接，橫梁材料為2 工45a。 面層采用厚10 mm 的鋼板，總橫斷面寬12 m。 Q235 鋼材料特性如下：Q235 鋼彈性模量：210 GPa；泊松比：0.3；密度：7850 kg/m3。 鋼棧橋結構圖見圖1、圖2。

圖1 橋梁平面布置圖（局部放大）

圖2 橋梁立面圖（局部放大）

2 鋼棧橋荷載計算

2.1 恒載

針對本工程，恒載僅考慮結構自重。

2.2 活載

（1）人群荷載：3.0 kN/m2；（2）車輛荷載：①80 t履帶吊，吊重20 t，共計100 t。履帶吊正吊時荷載均分在兩個履帶， 側吊時荷載考慮作用在單側履帶上。 單個履帶著地面積：5 440 mm×800 mm；履帶中心距：2.6～4.2 m。 ②掛-80，車輪布置見圖3，滿載情況下，每個車輪著地面積為0.3 m×0.2 m。

圖3 掛-80 車車輪位置圖

2.3 風荷載

風速：V10=16.0 m/s。 設計基準風壓[3]：

式中：Wd為設計基準風壓；Vd為高度Z 處的設計基準；Vd= K2K5V10；K0為換算參數(shù)， 取值0.75；K1為風載阻力系數(shù)；K2為風速隨高度變化的修正系數(shù)，按A 類5 m 取值，即K2=1.08；K3為地形、地理條件系數(shù)，取值1.0；K5為陣風風速系數(shù)，取值1.38。

（3）貝雷風荷載標準值計算：

桁架的風載阻力系數(shù)1.7； 遮擋系數(shù)η 按實面積比0.213，間距比<1，取值0.6[3]，

通過計算可得：

通過計算可得：

2.4 水流荷載

最高水位1 543 m，河床面標高1 538 m，流速3.0 m/s。 根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》計算[4]：

式中：Fw為水流動荷載標準值(kN)；v 為設計流速(m/s)；v=3.0 m/s；Cw為水流阻力系數(shù)，規(guī)范規(guī)定圓形墩柱取值0.73；ρ 為水的密度(t/m3)，取值1.0；A為構件在豎直方向的投影面積(m2)。

后排樁遮流影響系數(shù)0.81，則求得鋼管樁水流荷載：

隨著居民消費結構的升級，中國消費市場對乳制品的需求明顯增加。以2016年為例，中國乳制品進口總量約195.56萬噸，同比增長21.4%。其中，鮮奶、酸奶進口量增長明顯:鮮奶進口63.41萬噸，同比增長 38%，酸奶進口 2.1萬噸，同比增長104.3%。另外，乳清粉、奶油、乳酪、奶粉的進口漲幅均在10%以上。近十年，中國乳制品進口量變化趨勢如圖1所示①數(shù)據(jù)是根據(jù)2007—2016年商務部相關數(shù)據(jù)整理所得。。

規(guī)范規(guī)定下部構件頂面在水面以上時，水流力作用點位于水面以下1/3 高度處， 所以本研究水流力作用點標高為：1543-5/3＝1541 m。

以上計算荷載形式為等效集中靜力荷載，即水流力以靜載形式集中施加于計算作用點上。

3 鋼棧橋結構MIDAS/Civil 模型建立

3.1 確定邊界條件

鋼管樁分析的重點之一就是鋼管樁與土之間的關系[5]。 本研究中將選用假想嵌固點法來進行計算。

當樁的入土深度大于4 T 時，則該樁為彈性長樁[6]，其中T 為樁的相對剛度，計算公式如下：

式中：Ep為樁材料的彈性模量（kN/m2）；Ip為樁截面的慣性矩（m4）；m 為樁側土的水平抗力系數(shù)隨深度增加的比例系數(shù)（kN/m4）；b0為樁的換算寬度（m）；計算可得：

式中：t 為受嵌固點的深度（m）；η 為系數(shù)，取值1.8～2.2，本研究中取2.2，結合公式8、公式9 計算可得：

本研究中樁底入土深度取5 m， 河床面高程1 538 m，所以嵌固點高程為1 533 m。

邊界條件：計算時樁底固接；橫梁與樁基頂部固接；橫梁與貝雷梁鉸接。

3.2 模型建立

運用MIDAS/Civil 軟件建立全橋結構模型，模型節(jié)點共74 381 個，單元共98 379 個，橋梁鋼管柱沿順橋向依次編號為0#～40#， 橫橋向依次編號為A、B、C、D……，建立模型見圖4。

圖4 全橋模型標準視圖

4 鋼棧橋靜力分析

本研究靜力分析過程根據(jù)不同時期的荷載不同分為兩種情況分析，分別為施工車輛運行、普通車輛運行兩種情況。 兩種情況的荷載組合見表1。

表1 不同時期荷載介紹

各情況下荷載組合如下：

施工車輛運行情況荷載組合：1.2×①+1.4×（④+⑥）+0.75×1.1×②+0.75×1.4×③；

普通車輛運行情況荷載組合：1.2×①+1.4×⑤+0.75×1.4×（③+④）+0.75×1.1×②。

荷載公式中：①為自重、②為風荷載、③為水流動荷載、④為人群荷載、⑤為車輛荷載、⑥為履帶吊荷載。

4.1 運行施工車輛靜力分析

該情況下，不同荷載的位置情況下，在運行施工車輛時的下部結構的應力、變形計算結果見表2。運行施工車輛時位移計算結果： 橫橋向位移5.0 mm，縱橋向位移1.6 mm，豎向位移3.4 mm。

通過運行施工車輛時的靜力分析可知，鋼管樁的受力情況和位移情況滿足規(guī)范要求。 該時期鋼管樁最不利情況出現(xiàn)在履帶吊側吊行駛至鋼管柱編號為7#～8# 樁位置處， 鋼管樁應力以及橫向位移最大。

4.2 運行普通車輛靜力分析

在運行普通車輛時該棧橋的下部結構的應力、變形計算結果見表3。 運行普通車輛時位移計算結果：橫橋向位移4.6 mm，縱橋向位移1.2 mm，豎向位移2.4 mm。

表3 運行普通車輛時受力計算結果

通過運行普通車輛時的靜力分析可知，該棧橋鋼管樁的受力情況和位移情況滿足規(guī)范要求。 工作期鋼管樁最不利情況出現(xiàn)在掛車-80 行駛至鋼管柱編號為3#～4# 樁位置處，鋼管樁應力以及橫向位移最大。

5 結論

靜力分析利用MIDAS/Civil 有限元軟件建立全橋模型，重點分析大流速河水區(qū)域的橋梁基礎的應力、內力和位移情況，并與規(guī)范控制值進行對比分析。 根據(jù)實際情況，本研究分兩個工況進行了計算，通過計算結果總結如下：（1）棧橋基礎的內力最不利情況出現(xiàn)在運行施工車輛時期， 剪力、 彎矩、應力、位移等均達到最大值；棧橋基礎的靜力分析合理，應力、內力、位移等各項指標均達到規(guī)范要求，能夠確保安全；（2）通過有限元模型可以獲得棧橋最不利的荷載工況以及最不利位置，作為計算分析的關鍵控制；（3）在大流速區(qū)域結構基礎的驗算，通過對水流參數(shù)的合理計算及引用有效的規(guī)范取值，獲得有效的水流對基礎的荷載作用，準確計算基礎的受力；（4）建議在類似大流速工程實踐中，對施工棧橋的設計特別注意施工期車輛和施工機械荷載分析， 尤其對于履帶吊等大型施工機械集中位置，應特別加固車輛偏載嚴重受壓區(qū)域的樁基礎，以增強其抗彎與抗剪能力。