紅水河雙線特大橋31號墩基礎(chǔ)施工平臺受力分析

崔 守 建

(山西路橋第一工程有限責(zé)任公司，山西 太原 030006)

紅水河雙線特大橋31號墩基礎(chǔ)施工平臺受力分析

崔 守 建

(山西路橋第一工程有限責(zé)任公司，山西 太原 030006)

介紹了紅水河特大橋的結(jié)構(gòu)形式及施工平臺，通過運用結(jié)構(gòu)力學(xué)計算器、PKPM工具箱及Midas等多種軟件對紅水河雙線特大橋31號墩基礎(chǔ)施工平臺進行了受力分析，為相關(guān)施工人員做同類計算提供參考。

施工平臺，受力分析，穩(wěn)定性

1 工程概述

1.1 工程簡介

湘桂線柳州至南寧段紅水河特大橋，跨越來賓市紅水河，橋型布置為29×32 m(預(yù)應(yīng)力整孔箱梁)+(80+144+80)m(連續(xù)梁)+30×32 m(預(yù)應(yīng)力整孔箱梁)，橋長2 250.728 m，是全線的關(guān)鍵性控制工程。紅水河雙線特大橋31號墩為連續(xù)梁主墩，緊鄰紅水河航道，承臺約2/5位于河床傾斜裸巖面上，該墩地質(zhì)情況復(fù)雜，巖石強度高，溶巖比較發(fā)育，施工難度大。

1.2 結(jié)構(gòu)形式

31號墩為樁基礎(chǔ)、高承臺、變截面圓端形實心墩。樁基直徑2.2 m、樁間距4.6 m，樁長由16.5 m～21.5 m不等，3排共12根；承臺尺寸為17.4 m(橫橋)×12.8 m(順橋)×4.5 m(高)，承臺底高程為52.832 m、頂高程為57.332 m。紅水河水流較急、水位變化大，樁基及承臺施工時，需在河道內(nèi)搭設(shè)臨時施工平臺。

1.3 施工平臺

貝雷梁共設(shè)5組，單組由并排3片貝雷梁組成，長度為30 m，貝雷梁底高程為58 m。1)在岸邊整平場地作好錨固地梁，預(yù)埋□32精軋螺紋鋼后順橋向拼裝5組貝雷梁。貝雷梁后端用預(yù)埋□32精軋螺紋鋼錨固，前端搭在鋼管樁頂部的雙拼Ⅰ32工字鋼連續(xù)梁上。2)貝雷梁底層采用Ⅰ25工字鋼橫橋向?qū)?組貝雷梁連接成整體，Ⅰ25工字鋼間距為3 m；用[12槽鋼作為剪刀撐，將每2組貝雷梁連接成整體，剪刀撐間距、位置與Ⅰ25工字鋼對應(yīng)設(shè)置。3)貝雷梁頂層布設(shè)型鋼作為鉆孔工作平臺，具體設(shè)置為橫向布設(shè)間距為0.75 m的Ⅰ25工字鋼，Ⅰ25工字鋼上布設(shè)間距0.4 m的縱向[25槽鋼，后滿鋪8 mm厚鐵板(與樁位對應(yīng)處預(yù)留2.2 m×2.2 m孔)。Ⅰ25工字鋼和貝雷片采用U形筋連接，Ⅰ25工字鋼和[25槽鋼采用焊接連接。平臺上考慮4臺沖擊鉆機(每臺16 t)、1臺40 t汽車吊及施工人員、機械荷載等?？拷脚_邊的兩臺鉆機底下采用1根Ⅰ50工字鋼替代Ⅰ25工字鋼，保證提鉆時的平臺穩(wěn)定性；平臺中間兩臺鉆機的滾軸剛好搭在兩貝雷片上。4)基坑范圍的貝雷梁下增設(shè)□529 mm鋼管臨時支撐，確保沖擊鉆機的施工穩(wěn)定性。

2 施工平臺構(gòu)件分解后受力分析

2.1 貝雷架頂層[25槽鋼受力驗算

1)采用結(jié)構(gòu)力學(xué)計算器計算如下：[25相關(guān)數(shù)據(jù)：Ix=3 880 cm4，Wx=310.4 cm3，截面面積A=44.91 cm2，質(zhì)量35.25 kg/m。

抗拉剛度EA=2.06×1011×44.91×104=925 146 000 N。

抗彎剛度EI=2.06×1011×3 880×10-8=7 992 800 N·m2。

取單根工字鋼進行驗算，按照3跨連續(xù)梁考慮，跨度均為1 m。設(shè)單臺鉆機(包括鉆頭)質(zhì)量為G1=160 kN,汽車吊重量G2=400 kN，則對于0.4 m間距的[25，最不利情況下均布荷載為g=[400/(2.4×2.4)]×0.4×1.5=41.7 kN/m(系數(shù)1.5為考慮汽車吊正在吊裝重物)。

采用結(jié)構(gòu)力學(xué)計算器計算，彎矩計算輸出結(jié)果為：最大彎矩為2.345 kN·m。

σ=M/W=2 345/(310.4×10-6)=7.6 MPa<{σ}=215 MPa，滿足要求。

剪力計算輸出結(jié)果為：最大剪力為12.51 kN。

2)采用PKPM工具箱計算見圖1。

PKPM計算結(jié)果與結(jié)構(gòu)力學(xué)計算器計算結(jié)果基本相同，結(jié)構(gòu)力學(xué)計算器占用電腦系統(tǒng)空間小，只能計算內(nèi)力，應(yīng)力需要手算，但輸入的計算數(shù)據(jù)可拷貝性強；PKPM占用系統(tǒng)空間大，但是計算過程詳細，計算書能自動生成，不需要手動進行抗拉抗彎剛度和應(yīng)力的單獨計算。

通過上述計算可知，[25槽鋼能滿足強度和剛度要求。

2.2 貝雷架頂層中跨Ⅰ25、邊跨Ⅰ50工字鋼橫梁受力驗算

Ⅰ25工字鋼相關(guān)數(shù)據(jù)：Ix=5 278 cm4，Ix/Sx=21.4 cm，Wx=422 cm3，截面面積A=53.5 cm2，質(zhì)量42 kg/m。

抗拉剛度EA=2.06×1011×53.5×10-4=1 102 100 000 N。

抗彎剛度EI=2.06×1011×5 278×10-8=10 872 680 N·m2。

Ⅰ50工字鋼相關(guān)數(shù)據(jù)：Ix=50 639 cm4，Ix/Sx=41.9 cm，Wx=2 026 cm3，截面面積A=139 cm2，質(zhì)量109 kg/m。

抗拉剛度EA=2.06×1011×139×10-4=2 863 400 000 N。

抗彎剛度EI=2.06×1011×50 639×10-8=104 316 340 N·m2。

取單根工字鋼進行驗算，按照4跨連續(xù)梁考慮，跨度分別為6 m，5 m，5 m，6 m?？紤]最不利情況，4臺沖擊鉆機同時施工，且同時提鉆。設(shè)單臺鉆機(包括鉆頭)沖擊力為G=160×1.5=240 kN,則支座3處的集中荷載為240/3=80 kN(由3根工字鋼分擔(dān)后傳遞到貝雷片),支座2，4處集中荷載為40 kN,跨1/12，11/12處集中荷載為40 kN。再考慮均布荷載為5×0.75=3.75 kN/m。

電算數(shù)據(jù)輸入采用結(jié)構(gòu)力學(xué)計算器計算如圖2所示。

輸出結(jié)果為：最大彎矩為30.981 kN·m。

σ=M/W=30 981/(2 026×10-6)=15.29 MPa<[σ]=215 MPa，滿足要求。

剪力圖如圖3所示。

輸出結(jié)果為：最大剪力為53.423 kN。

2.3 貝雷片的受力驗算

對于貝雷片，按照4孔連續(xù)梁驗算，鉆機在跨中施工，40 t吊車在邊跨起吊重物時為最不利情況。

以中間貝雷片為例進行驗算：

鉆機荷載按照3個集中力考慮，每個大小為160×1.5/3=80 kN，間距為0.75 m；吊車荷載按照兩個集中力，間距為3 m，每個大小為：0.5×400×1.5/2=150 kN。

電算數(shù)據(jù)輸入如圖4所示。

輸出結(jié)果為：最大彎矩為557.23 kN·m，對于單層3排不加強桁架允許彎矩為2 246.4 kN·m，故滿足要求。

輸出結(jié)果為：最大剪力為188.55 kN，對于單層3排不加強桁架允許剪力為698.9 kN(見圖5)，故滿足要求。

2.4 豎向支撐在沖擊鉆機施工時的受力驗算

以□529 mm焊接鋼管(壁厚8 mm)的2號支撐為例，其底高程為37.0 m，頂高程為56.0 m，長19 m。每4 m高用剪刀撐加固，保持整體穩(wěn)定。

最不利情況為：2號支撐鋼管直接承受1/4臺吊車荷載、1/4臺鉆機、人員和其他機械設(shè)備的部分荷載。

則支撐所受壓力N=1/4×(400×1.5+160×1.5)=210 kN。

由上述計算可得，在4臺沖擊鉆機及1臺40 t汽車吊共同施工作用下，此施工平臺的強度和穩(wěn)定性能滿足要求，鋼管支撐安全系數(shù)能達到5.4，貝雷片安全系數(shù)能達到4.0，工字鋼安全系數(shù)能達到1.51。故此平臺安全可靠，能滿足施工需要。

3 施工平臺空間結(jié)構(gòu)整體受力分析

采用Midas/Civil軟件對整體空間結(jié)構(gòu)建模計算：

因為水下找平混凝土和封底混凝土已經(jīng)澆筑完成，通過上述計算可知□529支撐鋼管能滿足強度和穩(wěn)定性要求；平臺主要受力部分為支撐鋼管與第一節(jié)混凝土錨固端之間的3孔連續(xù)梁部分。

為簡化模型，僅建立貝雷梁和型鋼的組合模型：

計算模型中，所有構(gòu)件均采用梁單元，貝雷梁上Ⅰ25的分配梁與貝雷梁的連接采用節(jié)點彈性連接(僅連接平動自由度，旋轉(zhuǎn)自由度不連接)；相鄰貝雷梁之間采用銷接，因此釋放銷接處繞梁端y-y軸的旋轉(zhuǎn)自由度。

計算結(jié)果：梁單元最大應(yīng)力為102 MPa，滿足強度要求。位移計算：最大位移為8 mm，滿足剛度要求。

[1] 紅水河雙線特大橋修改施工圖[Z].

[2] TZ 213—2005，客運專線鐵路橋涵工程施工技術(shù)指南[S].

[3] 周永興.路橋施工計算手冊[M].北京：人民交通出版社，2010.

[4] GBJ 17—88，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[5] 高興元.橋梁工程[M].天津：天津大學(xué)出版社，2010.

[6] 于玲玲，楊正光，阮謝銘.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京：中國電力出版社，2010.

[7] 鄧 訓(xùn),趙元勤.材料力學(xué)[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2013.

On stress analysis of No.31 pier foundation construction platform of double-track super-large bridge in Hongshui River

Cui Shoujian

(ShanxiRoadandBridgeNo.1EngineeringCo.,Ltd,Taiyuan030006,China)

The paper introduces the structural forms and construction platform of Hongshui River super-large bridge, and undertakes the stress analysis of No.31 pier foundation construction platform of double-track super-large bridge in Hongshui River by adopting software, including structural dynamic calculator, PKPM tool box, Midas, so as to provide some reference for related construction personnel.

construction platform, stress analysis, stability

2015-04-26

崔守建(1971- )，男，工程師

1009-6825(2015)19-0167-02

U443.1

A