碼頭大跨鋼管混凝土拱棧橋成橋索力及動(dòng)力特性分析

姜 魯

（大連理工大學(xué)土木建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 大連 116023）

0 引言

拱梁組合體系的下承式鋼管混凝土系桿拱橋是一種重要的無(wú)推力拱橋形式。該種橋型利用橋面系縱梁作為系桿，拱梁在拱腳處剛接，支承于墩臺(tái)支座之上，形成類似于簡(jiǎn)支梁的外部靜定、內(nèi)部超靜定受力體系[1]。該種橋型因其具有受力合理、跨越能力強(qiáng)、地基適應(yīng)性好、造型宏偉美觀、海上吊運(yùn)施工便捷等諸多優(yōu)點(diǎn)，在港口工程中有著十分廣泛的應(yīng)用，并已成為我國(guó)碼頭大跨棧橋的主要結(jié)構(gòu)形式之一。

由于碼頭建設(shè)及使用要求的特殊性，碼頭大跨下承式鋼管混凝土系桿拱棧橋的荷載形式與一般的公路及市政拱橋有很大的區(qū)別，主要體現(xiàn)在：碼頭棧橋主要承受裝卸工藝荷載（如管道輸送介質(zhì)及其配套管架等），汽車（或起重運(yùn)輸機(jī)械）及人群荷載處于次要地位；公路及市政橋梁主要承受汽車荷載，專用的人行橋主要承受人群荷載。這種荷載形式的不同導(dǎo)致了碼頭拱棧橋的吊桿合理成橋索力與動(dòng)力特性同一般公路及市政橋梁有著顯著的區(qū)別。

本文以恒力石化（大連）煉化有限公司30萬(wàn)t級(jí)原油泊位棧橋工程為背景，利用Midas/Civil有限元軟件建立了下承式鋼管混凝土系桿拱橋的空間桿系有限元模型，采用彎曲能量最小法對(duì)其合理成橋索力進(jìn)行了計(jì)算與優(yōu)化。同時(shí)，針對(duì)棧橋的輸油管道空載、滿載工作等不同工況，對(duì)其動(dòng)力特性進(jìn)行了分析。

1 工程概況

1.1 概述

恒力石化（大連）煉化有限公司30萬(wàn)t級(jí)原油泊位棧橋工程位于遼寧省大連市長(zhǎng)興島臨港工業(yè)區(qū)，為連接114#、115#泊位（30萬(wàn)t級(jí)原油泊位）碼頭平臺(tái)與防波堤間的棧橋結(jié)構(gòu)。每個(gè)泊位棧橋總長(zhǎng)度（含棧橋水工墩）為487 m，由4跨下承式鋼管混凝土系桿拱橋支承于水工墩上組成，兩個(gè)泊位共8跨。每跨橋長(zhǎng)118 m，計(jì)算跨徑111.6 m，矢跨比1/5，橋面全寬14.5 m。棧橋的主要功能為架設(shè)工藝管線，同時(shí)供檢修車輛及行人通行。

每跨橋含兩片拱肋。單片拱肋采用雙肢桁式斷面，由上、下弦桿和腹桿焊接而成，弦桿內(nèi)灌注混凝土，上、下弦桿軸線間距2 m，橫橋向拱肋軸線間距11.9 m。拱肋間設(shè)置風(fēng)撐以增大橫向剛度，風(fēng)撐由米字撐、K撐和一字撐組成。橋面系由系桿、橫梁、縱梁及斜撐組成。系桿與拱肋剛接，平衡拱肋產(chǎn)生的水平推力；橫梁為主要承載構(gòu)件，直接承擔(dān)管線荷載并將縱梁荷載傳遞至吊桿；縱梁主要承擔(dān)行車道荷載。為保證橋面系橫向整體穩(wěn)定，設(shè)置斜撐。系桿采用焊接箱形截面；縱梁、斜撐采用焊接H形截面；橫梁采用焊接箱形截面。吊桿采用環(huán)氧噴涂鋼絞線成品索GJ15-9，強(qiáng)度f(wàn)pk=1 860 MPa，兩端均設(shè)擠壓式錨具。橋面除伸縮縫安裝范圍和行車道部分鋪筑纖維混凝土外，其余均鋪設(shè)鋼板。吊桿編號(hào)自橋端到跨中依次為1#～10#，對(duì)稱位置吊桿采用相同編號(hào)，施工時(shí)按同一索力同時(shí)張拉。單跨棧橋立面布置見(jiàn)圖1。

圖1 單跨棧橋立面構(gòu)造圖（單位：mm）

全橋面橫向布置為：900 mm（電纜橋架通道）+800 mm（拱肋）+4 200 mm（行車道）+6 900 mm（管廊帶）+800 mm（拱肋）+900 mm（檢修通道）=14 500 mm。棧橋橫斷面見(jiàn)圖2。

圖2 棧橋橫斷面（單位：mm）

1.2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)；設(shè)計(jì)使用年限：100 a；環(huán)境類別：II類。

（2）設(shè)計(jì)荷載

a.工藝管線荷載

D-002/D-005管墩:

一層管線豎向總重為7 700 kg/m；

二層管線豎向總重為205 kg/m；

其他管墩:

一層管線豎向總重為3 390 kg/m；

二層管線豎向總重為205 kg/m；

管線水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值按《化工工程管架管墩設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定計(jì)算。

b.工藝管架荷載

管架布置在橫梁和端橫梁上，自重荷載3 840 kg/個(gè)。

c.檢修通道及行車道荷載

按照人群3.0 kPa，20 t單車荷載考慮。

d.溫度

最高有效溫度：+46℃；最低有效溫度：-21℃。

e.風(fēng)荷載

基本風(fēng)速 35.2 m/s（1/100），基本風(fēng)壓 0.75 kPa。

（3）地震

本地區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.1 g，抗震設(shè)防烈度為7度，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40 s，抗震設(shè)防類別為C類。

1.3 施工順序

恒力石化（大連）煉化有限公司30萬(wàn)t級(jí)原油泊位棧橋工程根據(jù)其工程場(chǎng)地特點(diǎn)及港口工程的建設(shè)條件，采用的施工順序如下：

鋼構(gòu)件工廠預(yù)制，并分節(jié)段運(yùn)至拼裝場(chǎng)地→場(chǎng)地內(nèi)搭支架拼裝橋面系、拱肋，并安裝吊桿，鋪設(shè)橋面鋼板→拆除支架→按照設(shè)計(jì)初拉力，從兩側(cè)向中心按順序進(jìn)行張拉調(diào)索→安裝墩頂支座→采用吊裝能力適宜的海吊整體吊運(yùn)→安裝就位后，灌注拱肋混凝土→待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度90%以上后，進(jìn)行橋面施工（包括：現(xiàn)澆混凝土行車道板，安裝伸縮縫、欄桿等附屬構(gòu)件，安裝管架、工藝管線等）。

2 有限元模型

對(duì)于鋼管混凝土構(gòu)件的桿系有限元建模，常用的方法有聯(lián)合截面法與換算截面法等兩種。前者利用有限元方法中的激活鈍化（單元生死）方式模擬鋼管混凝土構(gòu)件中管內(nèi)混凝土在不同施工階段的狀態(tài)，能夠更好地對(duì)橋梁的施工階段進(jìn)行分析；后者將鋼材與混凝土材料按一定的方式換算成“鋼管混凝土”材料，其彈性模量與設(shè)計(jì)強(qiáng)度分別由換算的組合彈性軸壓模量與組合軸心抗壓強(qiáng)度確定，這種方法同《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范》[2]與《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]貼合密切，成橋分析時(shí)宜采用該種方法。

本文采用換算截面法，將鋼管混凝土拱肋在成橋階段按規(guī)范方法[3]換算為單一材料，建立桿系有限元模型。模型見(jiàn)圖3。

圖3 有限元模型

3 合理成橋索力

對(duì)于一般的公路及市政橋梁，尤其是一次落架的斜拉橋和拱橋，合理成橋索力及索力優(yōu)化多在恒載作用下進(jìn)行。然而，原油碼頭棧橋的主要功能為架設(shè)工藝管線，根據(jù)《化工工程管架、管墩設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]中對(duì)管道介質(zhì)自重考慮方式的有關(guān)規(guī)定，碼頭棧橋的合理成橋索力確定及索力優(yōu)化中應(yīng)考慮管道介質(zhì)的自重。

合理成橋索力的確定及索力優(yōu)化的方法通常有：剛性支撐連續(xù)梁法，零位移法，彎曲能量最小法，彎矩最小法，用索量最小法，最大偏差最小法等[5]。傅金龍[6]等對(duì)上述方法進(jìn)行了分析比較，認(rèn)為彎曲能量最小法和彎矩最小法的吊桿索力優(yōu)化結(jié)果較好。本橋?yàn)橄鲁惺较禇U拱橋中的剛性系桿剛性拱類型[1]，該種橋型的受力特點(diǎn)為：拱肋與系桿均以受軸力為主，且能承受一定程度的彎矩。為充分發(fā)揮材料性能，減小用于抵抗彎矩的材料用量，索力優(yōu)化的目標(biāo)為使拱肋和系桿的彎曲能量盡可能小，因此，本橋的合理成橋索力確定方法采用彎曲能量最小法，通過(guò)合理的結(jié)果修正的到最終合理成橋索力。彎曲能量最小法算得的1#吊桿（邊吊桿）索力值較其他吊桿偏大較大，雖符合該種方法的計(jì)算特征，即：邊吊桿索長(zhǎng)短，相同變形量下的應(yīng)變大，導(dǎo)致計(jì)算出的索力大。在設(shè)計(jì)中對(duì)該處吊桿索力進(jìn)行均勻化處理，得到修正后的合理成橋索力。

計(jì)算及修正后的合理成橋索力見(jiàn)表1。

4 動(dòng)力特性分析

對(duì)于一般公路及市政鋼管混凝土拱橋，規(guī)范[3]給出了基于跨徑的沖擊系數(shù)計(jì)算方法，并同《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[7]給出的基于基頻的計(jì)算方法進(jìn)行了對(duì)比。上述規(guī)范方法在計(jì)算沖擊系數(shù)的時(shí)候均主要考慮橋梁恒載質(zhì)量的影響。然而，對(duì)于主要用于架設(shè)工藝管線的碼頭鋼管混凝土拱棧橋，根據(jù)管架規(guī)范有關(guān)規(guī)定[4]，其動(dòng)力特性中應(yīng)分工況考慮是否計(jì)及管道介質(zhì)重量。管道介質(zhì)重量會(huì)顯著增加橋梁結(jié)構(gòu)廣義質(zhì)量，對(duì)其動(dòng)力特性有較大影響。

針對(duì)管線空載與滿載兩種工況，分別借助有限元模型進(jìn)行了特征值分析，得到了兩種不同工況下的豎向振動(dòng)基頻。針對(duì)得到的不同基頻，按《通規(guī)》[7]公式進(jìn)行了沖擊系數(shù)的計(jì)算，并同鋼管混凝土規(guī)范公式[3]的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。具體結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 動(dòng)力特性及沖擊系數(shù)

可以看出，對(duì)于大跨鋼管混凝土系桿拱棧橋，其空間剛度小、質(zhì)量大，導(dǎo)致管道空載狀態(tài)下的豎向基頻很小，而考慮管道滿載增加橋梁廣義質(zhì)量后的豎向基頻則更小。對(duì)比兩種規(guī)范給出公式的計(jì)算結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》中的沖擊系數(shù)要顯著大于《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，設(shè)計(jì)中為保守起見(jiàn)應(yīng)按《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》的公式執(zhí)行。

5 結(jié)論

對(duì)于碼頭大跨下承式鋼管混凝土系桿拱棧橋，由于承受的荷載形式與一般公路及市政橋梁有著顯著不同，同時(shí)需要兼顧港口工程建設(shè)的特殊要求，其合理成橋索力及動(dòng)力特性的計(jì)算方法與一般公路與市政橋梁有很大區(qū)別。

本文通過(guò)對(duì)恒力石化（大連）煉化有限公司30萬(wàn)t級(jí)原油泊位棧橋工程的有限元計(jì)算分析，得到了如下結(jié)論：

（1）驗(yàn)證了彎曲能量最小法在碼頭拱棧橋的合理成橋索力計(jì)算中的合理性，通過(guò)修正得到了設(shè)計(jì)中使用的合理成橋索力值；

（2）通過(guò)對(duì)管線滿載狀態(tài)及空載狀態(tài)豎向基頻的對(duì)比計(jì)算，發(fā)現(xiàn)管道介質(zhì)自重對(duì)橋梁的動(dòng)力特性影響顯著，設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮；

（3）通過(guò)對(duì)不同規(guī)范的沖擊系數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》中的沖擊系數(shù)要顯著大于《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，設(shè)計(jì)中應(yīng)采用《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》的公式。