特大跨徑懸索橋鋼桁梁運(yùn)梁棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

朱立山，張國(guó)剛，劉武

(1.湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004； 2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司；3.中南公路建設(shè)及養(yǎng)護(hù)技術(shù)湖南省企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

1 工程概況

杭瑞高速公路湖南段岳陽(yáng)洞庭湖大橋是臨湘至岳陽(yáng)高速公路全線的控制性工程，是目前中國(guó)最大跨徑的鋼桁梁懸索橋，其主纜跨徑組合為：(460+1 480+491) m，主梁跨徑組合為：(1 480+453.6) m，錨碇為重力式錨碇；索塔為鋼筋混凝土門式塔結(jié)構(gòu)。

加勁梁全寬35.4 m，梁高9 m。采用板桁結(jié)合鋼桁加勁梁，設(shè)計(jì)時(shí)均考慮板桁共同作用。主桁架為帶豎腹桿的華倫式結(jié)構(gòu)，由上弦桿、下弦桿、豎腹桿和斜腹桿組成。主桁桁高9.0 m，桁寬35.4 m，節(jié)間長(zhǎng)8.4 m。每個(gè)節(jié)間處設(shè)置一道主橫桁架。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)度16.8 m，由兩個(gè)節(jié)間組成。

目前，懸索橋加勁梁架設(shè)主要有4種方法：橋面吊機(jī)懸拼法、纜索吊拼裝法、跨纜吊機(jī)安裝法以及柔性軌索滑移法。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，選擇采用跨纜吊機(jī)方法安裝加勁梁，由于洞庭湖懸索橋主邊跨淺水區(qū)及無(wú)水區(qū)鋼桁梁節(jié)段架設(shè)區(qū)域受到地形水文條件的影響，鋼桁梁無(wú)法采用常規(guī)運(yùn)梁駁船水運(yùn)就位進(jìn)行架設(shè)施工，故在淺水區(qū)及無(wú)水區(qū)架設(shè)棧橋，進(jìn)行運(yùn)梁和存梁作業(yè)。棧橋的設(shè)計(jì)是否合理、結(jié)構(gòu)是否安全關(guān)系到整個(gè)加勁梁的架設(shè)安全及進(jìn)度。該文對(duì)岳陽(yáng)側(cè)運(yùn)梁棧橋進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等驗(yàn)算，以保證大橋施工進(jìn)行順利、安全。

2 運(yùn)梁棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)梁棧橋從岳陽(yáng)側(cè)A1索塔延伸至江內(nèi)，總長(zhǎng)約258.8 m，從沿江大堤中線計(jì)起至江內(nèi)約143.5 m。標(biāo)準(zhǔn)跨徑單跨9 m。棧橋分左右兩幅，分別與加勁梁節(jié)點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)。

運(yùn)梁棧橋由鋼管樁(φ710鋼管樁)+樁頂橫向分配梁(3I45)+縱向貝雷架+橫向分配梁(2I36b)+運(yùn)梁軌道(2I45b)組成，各片貝雷梁之間采用角鋼花架連接，棧橋端部受力大，故端部花架采用角鋼∠63 mm×10 mm，中間位置花架采用∠63 mm×4 mm。鋼管樁之間的剪力撐采用I36b工字鋼。貝雷架及連接花架采用Q345鋼材，其他采用Q235鋼材?？缪睾范尾捎寐涞剀壍馈；A(chǔ)立柱采用振打鋼管樁，鋼管樁采用專門設(shè)備(振動(dòng)錘)插入巖層。運(yùn)梁棧橋貝雷梁橫向聯(lián)系圖、立面布置圖和棧橋橋墩橫斷面布置圖如圖1～3所示。

圖1 棧橋貝雷梁橫向聯(lián)系圖(單位:cm)

圖2 棧橋立面圖(單位:cm)

圖3 棧橋橋墩橫斷面布置圖(單位:cm)

3 運(yùn)梁棧橋結(jié)構(gòu)分析

3.1 有限元模型

采用橋梁專業(yè)有限元分析軟件Midas/Civil對(duì)運(yùn)梁棧橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維空間有限元分析。桁架弦桿采用梁框架單元，腹桿采用框架單元，貝雷架單元之間采用鉸接連接，貝雷架單元內(nèi)部節(jié)點(diǎn)采用剛結(jié)，貝雷梁橫向連接節(jié)點(diǎn)亦采用剛結(jié)。

運(yùn)梁棧橋在兩端采用簡(jiǎn)支支撐，在跨中相應(yīng)鋼管樁位置處設(shè)置豎向支撐固結(jié)。

3.1.1 岸側(cè)移梁支架有限元模型

岸側(cè)移梁棧橋有限元模型立面圖、空間圖及橫斷面圖分別見圖4～6。該模型單元總數(shù)7 559個(gè)，節(jié)點(diǎn)4 124個(gè)。

圖4 岸側(cè)棧橋有限元模型立面圖

圖5 岸側(cè)棧橋有限元模型空間圖

圖6 岸側(cè)棧橋有限元模型橫斷面圖

3.1.2 江側(cè)移動(dòng)梁棧橋有限元模型

江側(cè)移動(dòng)梁棧橋有限元模型立面圖、空間圖及橫斷面圖分別見圖7～10。該模型單元總數(shù)36 932個(gè)，節(jié)點(diǎn)20 894個(gè)。

圖7 江側(cè)棧橋有限元模型立面圖

圖8 江側(cè)棧橋有限元模型空間圖

圖9 江側(cè)棧橋有限元模型橫斷面圖

圖10 江側(cè)棧橋有限元模型局部圖

3.2 計(jì)算荷載

3.2.1 棧橋自重荷載

棧橋?yàn)槿摻Y(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)自重荷載參數(shù)，鋼材重度：78.5 kN/m3；重力加速度：9.806 m/s2。

3.2.2 加勁梁重量荷載

須用棧橋移運(yùn)的加勁梁最大重量為321 t，強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，荷載分項(xiàng)系數(shù)恒載為1.2、活載為1.4，加勁梁移動(dòng)時(shí)為活載，存梁時(shí)為恒載。加勁梁自重荷載分布如圖11所示。

棧橋存梁階段，加勁梁1#～19#節(jié)段均臨時(shí)存于棧橋之上，1#～7#梁段臨時(shí)存在棧橋上之后即進(jìn)行吊裝。由于沿湖路將棧橋分為岸側(cè)棧橋和江側(cè)棧橋，計(jì)算時(shí)選取江側(cè)棧橋作為滿布鋼桁梁荷載進(jìn)行計(jì)算，即8#～19#梁段全部存放于江側(cè)棧橋上，如圖12所示。

圖11 桁架節(jié)段重量分布圖

圖12 存梁示意圖(單位：m)

3.2.3 風(fēng)荷載

根據(jù)JTG/T D60-01《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，施工階段風(fēng)荷載計(jì)算公式為：

(1)

式中：ρ為空氣密度(kg/m3)，取1.25；Vsg為施工分析陣靜風(fēng)風(fēng)速，Vsg=ηCVVd，重現(xiàn)期取20年，η=0.88，湖南岳陽(yáng)為湖岸地區(qū)，地面粗糙度為A類，取CV=1.29，Vd=K1V10，基準(zhǔn)高度風(fēng)速取V10=25 m/s，K1=1.174(Z/10)0.12，Z為構(gòu)件基準(zhǔn)高度(m)；CH為風(fēng)載阻力系數(shù)，圓形截面取1.0，矩形截面取1.3；AWH為橫向迎風(fēng)面積(m2)。

可計(jì)算得到各構(gòu)件的風(fēng)荷載大小如表1所示。

表1 各構(gòu)件風(fēng)荷載大小

3.2.4 水流沖擊荷載

流水壓力的計(jì)算根據(jù)JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中的第4.3.9條有關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。

(2)

式中：γ=10 kN/m3；V=2 m/s。

棧橋鋼管樁阻水面積A取14.2 m2(以2017年實(shí)測(cè)洪水位32.0 m和最大水深處鋼管樁計(jì)算)；圓形墩柱K取0.8。

3.2.5 荷載組合

棧橋結(jié)構(gòu)驗(yàn)算工況及荷載組合如表2所示。岸側(cè)棧橋考慮運(yùn)梁工況、江側(cè)棧橋考慮運(yùn)梁及存梁工況。

表2 計(jì)算工況及荷載組合

3.3 計(jì)算結(jié)果

3.3.1 工況1計(jì)算結(jié)果

(1) 貝雷架強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

貝雷架的強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果見圖13、14。

圖13 貝雷架最大正應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

圖14 貝雷架最大剪應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

由圖13、14可見:岸側(cè)貝雷架最大應(yīng)力發(fā)生在江側(cè)端部和塔側(cè)端部邊支點(diǎn)位置的花架，最大壓應(yīng)力249.0 MPa，小于Q345鋼材抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fd=275 MPa；貝雷架最大剪應(yīng)力50.0 MPa，小于Q345鋼材抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fvd=160 MPa。

(2) 軌道梁強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

軌道梁的強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果見圖15、16。

圖15 軌道梁最大正應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

圖16 軌道梁最大剪應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

由圖15、16可見：最大壓應(yīng)力為163.3 MPa，小于Q235鋼材抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fd=190 MPa；最大剪應(yīng)力61.7 MPa，小于Q235鋼材抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fvd=110 MPa。

(3) 橫向分配梁強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

橫向分配梁的強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果見圖17、18。

圖17 橫向分配梁最大正應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

圖18 橫向分配梁最大剪應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

由圖17、18可見：最大壓應(yīng)力161.1 MPa，小于Q235鋼材抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fd=190 MPa；最大剪應(yīng)力79.4 MPa，小于Q235鋼材抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fvd=110 MPa。

(4) 鋼管樁、剪刀撐強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

鋼管樁、剪刀撐的強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果見圖19、20。

圖19 鋼管樁、剪刀撐最大正應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

由圖19、20可見：最大壓應(yīng)力98.7 MPa，小于Q235鋼材抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fd=190 MPa；最大剪應(yīng)力48.3 MPa，小于Q235鋼材抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fvd=110 MPa。

(5) 剛度計(jì)算結(jié)果

岸側(cè)棧橋最大位移包絡(luò)圖如圖21所示，運(yùn)梁過(guò)程中最大豎向位移為-6.48 mm(“-”表示向下)，小于規(guī)范限值L/400=9 000/400=22.5 mm，滿足規(guī)范要求。

圖20 鋼管樁、剪刀撐最大剪應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

圖21 岸側(cè)棧橋最大位移包絡(luò)圖(單位：mm)

3.3.2 計(jì)算結(jié)果匯總

3種工況的計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。由表3可知：各工況的強(qiáng)度和剛度以及穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)如圖22所示，失穩(wěn)桿件為鋼管樁斜撐，其細(xì)部如圖23所示。

3.4 運(yùn)梁支座計(jì)算

運(yùn)梁支座頂板、側(cè)邊限位板采用δ20鋼板，其余均采用δ14鋼板。采用Abaqus建模進(jìn)行計(jì)算，用S4R單元模擬各鋼板。邊界條件為：底板約束豎向、縱向平動(dòng)位移，限位板約束橫向位移。荷載條件為：加勁梁移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的最大支座壓力，考慮一個(gè)支座脫空，最大支座反力F=3 210/2×1.4=2 247 kN。主要計(jì)算結(jié)果：最大變形為f=0.27 mm，最大Mises應(yīng)力σ=126 MPa <190 MPa(均位于頂板)(圖24)，滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)洞庭湖特大跨徑懸索橋岳陽(yáng)側(cè)運(yùn)梁棧橋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，棧橋采用貝雷梁和鋼管樁等作為主要受力構(gòu)件，岸側(cè)棧橋無(wú)流水荷載，上下游棧橋之間無(wú)橫向聯(lián)系，江側(cè)棧橋采用X撐進(jìn)行聯(lián)結(jié)。從強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性方面對(duì)棧橋進(jìn)行了分析，貝雷梁正應(yīng)力最大為273 MPa，端部花架加強(qiáng)后可明顯改善端部的局部受力情況。各工況剪應(yīng)力均較小，存梁時(shí)剪力撐橫向位移最大為34.8 mm，穩(wěn)定系數(shù)為4.046，結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。對(duì)運(yùn)梁支座進(jìn)行了細(xì)部分析，最大Mises應(yīng)力σ=126 MPa，滿足規(guī)范要求。

表3 結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果匯總

圖22 穩(wěn)定系數(shù)

圖23 失穩(wěn)桿件細(xì)部圖

圖24 運(yùn)梁支座應(yīng)力云圖(單位：Pa)