蘭祖平

（福建省恒通路橋工程有限公司，福建南平 353000）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)跨江跨海橋梁建設(shè)的迅猛發(fā)展，作為運(yùn)輸通道的棧橋成為整個(gè)橋梁施工工序中的重要控制點(diǎn)[1-2]。

目前對(duì)鋼棧橋的結(jié)構(gòu)安全性分析大多為傳統(tǒng)的公式計(jì)算，存在效率不高、計(jì)算精度不足等問(wèn)題。本文采用理論公式與Midas Civil 有限元軟件三維仿真模擬對(duì)鋼棧橋的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性進(jìn)行分析，確保鋼棧橋施工和使用過(guò)程的安全可靠。

1 工程概況

擬建的特大橋處于福建東吾洋灣口最窄口附近的下游，水面寬約0.8km，跨徑布置為[4×40.5+2×（3×40.5）+（77+138+77）+（3×40+35）]m，總 長(zhǎng)852m。

橋梁起止里程K7+804—K8+666。橋梁下部構(gòu)造采用柱式墩、薄壁墩配樁基礎(chǔ)，肋臺(tái)配樁基礎(chǔ)，U 臺(tái)配擴(kuò)大基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

2 鋼棧橋設(shè)計(jì)

2.1 鋼棧橋設(shè)計(jì)方案

鋼棧橋與主橋平行布置，全長(zhǎng)640m。起點(diǎn)里程K7+885，終點(diǎn)里程K8+635，按雙向行車(chē)道設(shè)計(jì)，橋面寬8.5m，分為八聯(lián)。根據(jù)橋位水文地質(zhì)情況，鋼棧橋、平臺(tái)頂面高程=20 年一遇高水位（+4.95m）+0.5×20 年一遇H1% 波高（2.38m）+安全高度（0.3m）+貝雷梁高（1.5m）+橋面系厚（0.33m）=+8.28m。鋼棧橋的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如下[3]：

第一，設(shè)計(jì)臨時(shí)荷載標(biāo)準(zhǔn)：滿足200t 履帶式吊車(chē)、200t 旋挖鉆行走和作業(yè)要求，滿足公路一級(jí)車(chē)荷載通行要求。

第二，施工控制活載：輪式車(chē)輛限重55t，單軸重限值14t，履帶車(chē)輛限重200t。

第三，鋼棧橋?qū)挾龋轰摋驑蛎婵倢?m（不含電纜槽）。

第四，橋面高程：鋼棧橋及鉆孔平臺(tái)橋面高程8.28m，考慮梁底高于最高水位不小于1.5m，鋼棧橋結(jié)構(gòu)高度1.886m。

第五，限行速度：輪式車(chē)輛限速20km/h，履帶車(chē)輛限速5km/h。

第六，鋼棧橋使用期限：36 個(gè)月。

3 鋼棧橋結(jié)構(gòu)安全性分析

3.1 建立鋼棧橋模型

按照實(shí)際尺寸建立鋼棧橋模型，定義材料特性，通過(guò)Midas Civil 有限元軟件自動(dòng)計(jì)算。根據(jù)鋼棧橋鋼管樁類型和伸縮縫的布置情況，選取15m+3m+18m+3m+15m 的一聯(lián)五跨鋼棧橋進(jìn)行建模分析?？紤]車(chē)輛在鋼棧橋上并排行車(chē)，在鋼棧橋橋面建立兩個(gè)車(chē)道面，車(chē)輛行駛方向相同，車(chē)道中心線距離橋面中心線的橫向距離分別為±1.65m，車(chē)輛的軸荷采用自定義車(chē)輛加載。

3.2 荷載分布

3.2.1 汽車(chē)荷載（滿載狀態(tài)）。45.8t 的混凝土罐車(chē)、235t 的履帶式起重機(jī)、200t 的履帶式旋挖鉆機(jī)、31.75t 汽車(chē)起重機(jī)、35t 的挖掘機(jī)及掛車(chē)等。

3.2.2 汽車(chē)沖擊力。鋼棧橋加載采用車(chē)輛荷載，在進(jìn)行移動(dòng)荷載分析時(shí)，將自振頻率設(shè)置為5.969Hz，從而保證沖擊系數(shù)恰為0.3。

3.2.3 汽車(chē)制動(dòng)力?；炷凉捃?chē)及砂石料運(yùn)輸車(chē)的制動(dòng)力110kN 沿縱向作用于橋面板車(chē)輪位置。

3.2.4 小型設(shè)備及人群荷載。按3kPa 考慮，分布在鋼棧橋兩側(cè)以及整個(gè)鉆孔平臺(tái)范圍，鋼棧橋單側(cè)分布寬度0.75m。

3.2.5 風(fēng)荷載。鋼棧橋鋼管樁外徑為1.02m（或1.2m），風(fēng)荷載以線分布力的形式作用于水面以上的部分。W1風(fēng)作用下，1.02m 鋼管樁的風(fēng)荷載為77.27N/m，1.2m 鋼管樁的風(fēng)荷載為90.9N/m。W2風(fēng)作用下，1.02m 鋼管樁的風(fēng)荷載為392.03N/m，1.2m鋼管樁的風(fēng)荷載為461.21N/m。

3.2.6 流水壓力。作用于1.02m 鋼管樁上的流水壓力標(biāo)準(zhǔn)值為66kN，作用于1.2m 鋼管樁上的流水壓力標(biāo)準(zhǔn)值為103.54kN。

3.2.7 波浪力。在靜水面以上0.5m 的范圍內(nèi)施加5kPa 的均布?jí)毫奢d，主墩范圍鋼管樁計(jì)算寬度1m，圓形橋墩形狀系數(shù)K=0.8，集中力FW=2kN。

3.2.8 基本組合。1.2×自重+1.3×1.8×施工可變荷載+1.4×人群荷載+1.4×流水壓力+1.1×風(fēng)荷載。

3.3 結(jié)構(gòu)受力分析

3.3.1 位移分析

（1）通航跨棧橋

（a）公路-I 級(jí)荷載。考慮施工可變荷載、人群荷載、流水壓力、風(fēng)荷載作用，模擬計(jì)算得到在公路-I 級(jí)荷載下通航口兩側(cè)棧橋的最大總位移19.5mm。按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）要求，臨時(shí)結(jié)構(gòu)的容許壓縮變形或彈性撓度為相應(yīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算跨度的1/400，因此18.0m 鋼棧橋的容許值為45mm，實(shí)際值小于規(guī)范容許值，剛度滿足要求。

（b）履帶車(chē)荷載。考慮履帶車(chē)在鋼棧橋上往返行駛，同時(shí)考慮流水壓力、風(fēng)荷載作用，模擬計(jì)算得到在履帶車(chē)荷載下通航口兩側(cè)鋼棧橋的最大總位移為38.5mm，小于容許值為45mm，剛度滿足要求。

（2）標(biāo)準(zhǔn)跨棧橋

（a）公路-I 級(jí)荷載。模擬計(jì)算得到在公路-I 級(jí)荷載下標(biāo)準(zhǔn)跨15.0m 鋼棧橋的最大總位移為14.2mm，小于容許值為37.5mm，剛度滿足要求。

（b）履帶車(chē)荷載。模擬計(jì)算得到在履帶車(chē)荷載下標(biāo)準(zhǔn)跨15.0m 棧橋的最大總位移為34.6mm，小于容許值為37.5mm，剛度滿足要求。

（3）鋼平臺(tái)支棧橋

考慮旋挖鉆荷載在橋面的作用，同時(shí)考慮流水壓力、風(fēng)荷載作用，模擬計(jì)算得到9m 鋼平臺(tái)支棧橋的最大總位移為14.2mm，小于容許值為22.5mm，剛度滿足要求。

3.3.2 應(yīng)力分析

在荷載組合作用下，通航跨棧橋系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)跨棧橋系統(tǒng)主要構(gòu)件的最大應(yīng)力值匯總于表1、表2?？梢?jiàn)，在各工況下通航跨棧橋系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)跨棧橋系統(tǒng)的主要構(gòu)件均滿足強(qiáng)度要求。

表1 通航跨棧橋系統(tǒng)應(yīng)力驗(yàn)算匯總表

表2 標(biāo)準(zhǔn)跨棧橋系統(tǒng)應(yīng)力驗(yàn)算匯總表

3.3.3 整體穩(wěn)定性分析

按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）要求，臨時(shí)結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力安全系數(shù)應(yīng)大于1.3，穩(wěn)定性安全系數(shù)應(yīng)大于1.5。根據(jù)鋼棧橋鋼管樁支反力達(dá)到最大荷載狀態(tài)進(jìn)行車(chē)輛荷載布置，考慮混凝土罐車(chē)最不利靜力荷載、自重、人群荷載、流水壓力及風(fēng)荷載等荷載作用，在荷載基本組合作用下，分析鋼棧橋結(jié)構(gòu)的前三階失穩(wěn)模態(tài)。經(jīng)過(guò)軟件對(duì)模型的計(jì)算分析，所對(duì)應(yīng)的臨界荷載系數(shù)分別為7.665、8.783、9.065，均大于1.5，滿足穩(wěn)定性要求。

3.3.4 鋼管樁承載力檢算（1）鋼管樁入土深度計(jì)算

根據(jù)《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 167—2018），打入型鋼管樁的軸向抗壓承載力可按下式確定：

式（1）中：Qd——單樁容許承載力，kN；

γR——單樁軸向承載力分項(xiàng)系數(shù)，對(duì)于打入樁，采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法計(jì)算時(shí)，取1.45～1.55；

U——樁身截面周長(zhǎng)，m；

qfi——單樁第i層土的側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；

li——單樁穿過(guò)第i層土的長(zhǎng)度，m；

η——承載力折減系數(shù)，對(duì)于敞口鋼管樁，由于根據(jù)初步估算入土深度小于20 倍直徑（即24m），樁端進(jìn)入持力層深度超過(guò)5 倍直徑（即6m），故直接取η=0，即不計(jì)樁端阻力；

qr——單樁單位面積極限樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；

A——樁端外周面積，m2。

計(jì)算得出：通航口兩側(cè)φ1200mm×12mm 鋼管樁入土深度L=7.4m，考慮局部沖刷，樁底進(jìn)入河床以下深度應(yīng)≥8m；φ1020mm×10mm 鋼管樁入土深度L=8m，考慮局部沖刷，樁底進(jìn)入河床以下深度應(yīng)≥9.5m；φ820mm×10mm 鋼管樁入土深度L=10m，考慮局部沖刷，則樁底進(jìn)入砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖深度應(yīng)≥11.5m。

（2）鋼管樁穩(wěn)定性計(jì)算

以上通過(guò)豎向承載力計(jì)算得到的樁入土深度，大于抗彎臨界長(zhǎng)度，故取樁計(jì)算長(zhǎng)度以計(jì)算鋼管樁支反力，進(jìn)而判斷樁身穩(wěn)定性。結(jié)果如下：

（a）φ1200mm×12mm 鋼管樁截面的旋轉(zhuǎn)半徑0.42m，長(zhǎng)細(xì)比λ＝119.58≤150，滿足要求；參照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017—2017）附表D.0.2 b 類截面軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)：φ＝0.439，截面強(qiáng)度140.74MPa≤215MPa，滿足強(qiáng)度要求；整體穩(wěn)定性K=0.736≤1，滿足穩(wěn)定性要求。

（b）φ1020mm×10mm 鋼管鋼管樁截面的旋轉(zhuǎn)半徑0.3571m，長(zhǎng)細(xì)比λ ＝112.04≤150，滿足要求；參照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017—2017）附表D.0.2 b 類截面軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)：φ＝0.481，截面強(qiáng)度179.36MPa≤215MPa，滿足強(qiáng)度要求；整體穩(wěn)定性K=0.999≤1，滿足穩(wěn)定性要求。

（c）φ820mm×10mm 鋼管樁截面的旋轉(zhuǎn)半徑0.2864m，長(zhǎng)細(xì)比λ＝104.74≤150，滿足要求；參照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017—2017）附表D.0.2 b 類截面軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)：φ＝0.527，截面強(qiáng)度130.38MPa≤215MPa，滿足強(qiáng)度要求；整體穩(wěn)定性K=0.857≤1，滿足穩(wěn)定性要求。

因此，鋼管樁承載力安全。

4 結(jié)論

本文采用Midas Civil 有限元軟件建模，開(kāi)展通航跨棧橋、標(biāo)準(zhǔn)跨、鋼平臺(tái)支棧橋的位移分析，通航跨棧橋系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)跨棧橋系統(tǒng)的應(yīng)力驗(yàn)算，鋼管樁支反力分析，整體穩(wěn)定性分析，并應(yīng)用理論公式法對(duì)鋼管樁承載力進(jìn)行檢算。結(jié)果表明，鋼棧橋剛度、穩(wěn)定性滿足要求，各主要構(gòu)件強(qiáng)度滿足要求，鋼管樁截面的長(zhǎng)細(xì)比、截面強(qiáng)度、整體穩(wěn)定性均滿足要求。該棧橋使用期間未出現(xiàn)任何質(zhì)量安全問(wèn)題，充分證明了結(jié)構(gòu)安全性分析與技術(shù)措施的準(zhǔn)確性。