橋梁水上鋼棧橋、鋼平臺設(shè)計及有限元仿真分析

耿嘉慶

(1.廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530001；2.南寧市筑路技術(shù)與筑路材料工程技術(shù)研究中心，廣西 南寧 530001)

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，跨越大江大河的橋梁也越來越多，而橋梁深水基礎(chǔ)施工是橋梁施工的難題和關(guān)鍵[1]。由于水上鋼平臺具有施工方便、材料可周轉(zhuǎn)、安全適用等特點，已廣泛應用于各類橋梁深水基礎(chǔ)的施工作業(yè)中。橋梁水上鋼棧橋及鋼平臺主要承受重型運輸車輛的移動荷載、起吊吊裝荷載、風荷載、動水壓力荷載的作用。在綜合考慮施工作業(yè)需求和施工成本的前提下進行鋼棧橋及鋼平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并驗算鋼棧橋及鋼平臺在不同荷載組合下的強度、剛度及穩(wěn)定性具有重要的意義。

1 工程概況

某特大橋位于廣西南寧市橫縣，全長940 m，橋面寬13 m。該橋采用波形鋼腹板預應力連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)，跨徑布置為5×30 m+100 m+2×185 m+100 m+7×30 m。其中主橋結(jié)構(gòu)形式為波形鋼腹板預應力連續(xù)剛構(gòu)，長570 m，孔徑分布為100 m+2×185 m+100 m；北岸側(cè)引橋為5×30 m預應力混凝土(后張)簡支變連續(xù)T梁；南岸側(cè)引橋為7×30 m預應力混凝土(后張)簡支變連續(xù)T梁。

橋位區(qū)地表水主要為郁江，橋梁區(qū)河段屬西津庫區(qū)，最大水深約為11 m，江面寬約590 m。橋址區(qū)常水位為60.68 m，十年一遇最高水位為61.96 m。依據(jù)河床地質(zhì)勘察資料和歷年水文資料，并結(jié)合實際工程需要，確定鋼棧橋及鋼平臺的頂面標高為67.17 m。

2 鋼棧橋及鋼平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 鋼棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

在鋼棧橋順橋向跨徑的選擇上，結(jié)合其他工程項目的類似應用案例，依據(jù)貝雷梁受力特點與強度和剛度的最優(yōu)組合，貝雷梁棧橋多采用12 m跨設(shè)計[2]。綜合本項目鋼棧橋施工和使用期間的荷載組合以及工況考慮，確定本鋼棧橋順橋向標準節(jié)段的跨徑為12 m。

鋼棧橋橋面寬6 m，棧橋的結(jié)構(gòu)布置從上至下分別為10 mm厚花紋鋼板、間距為300 mm的I16a的工字鋼分配梁、貝雷片、貝雷片花架、雙拼I40a工字鋼枕梁、φ630×10 mm鋼管樁、C20a鋼管樁斜撐。其中，鋼棧橋標準斷面橫斷面布置7片貝雷梁，鋼管樁均采用板凳樁的形式，即利用多根C20a槽鋼將相鄰的四根鋼管樁連成一個整體。鋼棧橋標準斷面的橫斷面圖如圖1所示。

2.2 鋼平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

本橋共有3個主墩位于水中，且除樁長不同之外，其他結(jié)構(gòu)形式均相同。擬利用鋼平臺進行橋梁下構(gòu)樁基、承臺及墩柱施工，故三個鋼平臺的設(shè)計形式相同。

在鋼平臺的設(shè)計過程中，因鋼平臺需要既能滿足橋梁下構(gòu)施工過程中各施工階段對鋼平臺空間尺寸的要求，還要滿足橋梁下構(gòu)施工中不同工況下受力的合理性，并且要綜合考慮施工成本。

為滿足不同施工階段鋼平臺空間尺寸的要求，對應每個主墩的6根2.8 m的樁基施工，需在鋼平臺預留樁基施工孔洞。而在樁基施工完成后，下放承臺鋼套箱之前，需拆除已搭設(shè)鋼平臺的一部分以預留鋼套箱下放的空間。綜合考慮施工成本，為避免在樁基施工完成后，拆除已搭設(shè)鋼平臺的一部分后再進行二次搭設(shè)，經(jīng)設(shè)計優(yōu)化，本鋼平臺可以通過鋼平臺各構(gòu)件的合理布置來實現(xiàn)避免二次搭設(shè)鋼平臺，即在樁基施工完成后，只需要拆除一部分鋼平臺就可進行承臺鋼套箱施工。

圖1 鋼棧橋標準斷面橫斷面圖(mm)

鋼平臺各構(gòu)件的鋼材型號與鋼棧橋相同，鋼平臺的平面圖如圖2所示，正立面圖如圖3所示。在樁基施工完成后，拆除一部分鋼平臺后用于承臺鋼套箱下放的鋼平臺平面圖如圖4所示。

圖2 鋼平臺平面圖(mm)

圖3 鋼平臺正立面圖(mm)

圖4 鋼平臺拆除部分后平面圖(mm)

3 鋼棧橋及鋼平臺計算分析

3.1 鋼棧橋計算分析

3.1.1 建立模型

本鋼棧橋以標準節(jié)段3 m+12 m+3 m+12 m利用Midas Civil軟件進行計算分析，采用空間桁架單元模擬貝雷片的橫向支撐架及水平支撐架，利用空間梁單元模擬其他型鋼構(gòu)件，鋼面板采用4節(jié)點板單元模擬，鋼管樁深入河床部分設(shè)置節(jié)點彈性連接，并在鋼管樁底部設(shè)置固接。鋼棧橋標準節(jié)段模型如下頁圖5所示。

圖5 鋼棧橋標準節(jié)段模型示意圖

3.1.2 施工荷載工況

施工過程中，作用于鋼棧橋的荷載包括鋼棧橋結(jié)構(gòu)自重、混凝土車或履帶吊車移動荷載、人群荷載、風荷載以及流水壓力荷載。其中，混凝土車重量為35 t，履帶吊車為50 t。

工況1：1.2×結(jié)構(gòu)自重+1.4×混凝土車移動荷載+1.4×人群荷載+1.4×風荷載+1.4×動水壓力荷載，混凝土車行走在鋼棧橋橋面靠左側(cè)。

工況2：1.2×結(jié)構(gòu)自重+1.4×混凝土車移動荷載+1.4×人群荷載+1.4×風荷載+1.4×動水壓力荷載，混凝土車行走在鋼棧橋橋面正中間。

工況3：1.2×結(jié)構(gòu)自重+1.4×混凝土車移動荷載+1.4×人群荷載+1.4×風荷載+1.4×動水壓力荷載，混凝土車行走在鋼棧橋橋面靠右側(cè)。

工況4：1.2×結(jié)構(gòu)自重+1.4×履帶吊車移動荷載+1.4×人群荷載+1.4×風荷載+1.4×動水壓力荷載，履帶吊車行走在鋼棧橋橋面靠右側(cè)。

3.1.3 計算結(jié)果

(1)鋼棧橋構(gòu)件應力和位移(見表1、表2)

表1 各荷載工況下鋼棧橋構(gòu)件最大應力計算結(jié)果表

從表1可以看出，在不同工況下，鋼棧橋貝雷片組件的最大壓應力為243.2 MPa，最大拉應力為142.8 MPa，均小于貝雷片鋼材強度的設(shè)計值305 MPa；鋼棧橋其他型鋼構(gòu)件的最大壓應力為156.6 MPa，最大拉應力為76.3 MPa，均小于其他型鋼構(gòu)件的強度設(shè)計值215 MPa。鋼棧橋所有構(gòu)件的應力均小于鋼材強度的設(shè)計值，滿足要求。

表2 各荷載工況下鋼棧橋整體最大位移計算結(jié)果表(mm)

從表2可以看出，鋼棧橋在不同荷載組合的作用下，變形以豎向位移為主。鋼棧橋在最不利荷載工況作用下的最大位移為9.26 mm，并且對應貝雷片跨中處附近，最大位移處的容許位移[δ]=12 000/400=30 mm。最大位移小于容許值，鋼棧橋剛度滿足要求。

3.1.4 鋼棧橋穩(wěn)定性分析

鋼棧橋在滿足強度驗算和剛度驗算的前提下還需進行穩(wěn)定性分析?？紤]到鋼棧橋下部結(jié)構(gòu)的鋼管樁，利用C20a剪刀撐連成一個整體的板凳樁，可利用Midas Civil軟件對一組板凳樁在最不利荷載下進行屈曲穩(wěn)定性分析。

其中，對應四種工況，鋼管樁底部承受最大反力的工況為工況4，此時鋼管樁底部承受的最大反力為36.4 t。出于安全考慮，可理解為在最不利工況下，每根鋼管樁頂部承受由棧橋上部結(jié)構(gòu)施加的豎向荷載為36.4 t。將鋼棧橋的下部結(jié)構(gòu)中的一組板凳樁單獨取出，進行穩(wěn)定性分析：

荷載組合=1.2×恒荷載+1.4×活荷載；

恒荷載=結(jié)構(gòu)自重；

活荷載=鋼棧橋上部結(jié)構(gòu)對鋼管樁施加的豎向力+風壓力+水流壓力。

鋼棧橋下部結(jié)構(gòu)屈曲穩(wěn)定性驗算結(jié)果如圖6所示。

由驗算結(jié)果可知，在荷載組合的作用下，鋼棧橋下部結(jié)構(gòu)的屈曲穩(wěn)定性系數(shù)為5.308，>4，因此鋼棧橋的穩(wěn)定性滿足要求。

3.2 鋼平臺計算分析

3.2.1 建立模型

本鋼平臺以實際尺寸1∶1利用Midas Civil軟件建立模型并進行計算分析，各構(gòu)件的模擬單元及邊界條件與鋼棧橋模型基本相同。鋼平臺模型如圖7所示。

圖6 鋼棧橋下部結(jié)構(gòu)屈曲穩(wěn)定性分析云圖

圖7 鋼平臺模型示意圖

3.2.2 施工荷載工況

施工過程中，作用于鋼平臺的荷載包括鋼平臺結(jié)構(gòu)自重、混凝土車或履帶吊車移動荷載、汽車吊裝作業(yè)荷載、人群荷載、風荷載以及流水壓力荷載。其中，混凝土車重量為35 t，履帶吊車為50 t履帶吊車。在鋼平臺上各類吊裝作業(yè)過程中，包括吊裝鋼筋籠、吊裝首節(jié)鋼護筒、吊裝單節(jié)鋼套箱等。經(jīng)驗算，最大吊裝荷載為利用50 t履帶吊吊裝鋼護筒，其中首節(jié)鋼護筒的最大重量為24.6 t。

工況1：1.2×結(jié)構(gòu)自重+1.4×混凝土車移動荷載+1.4×人群荷載+1.4×風荷載+1.4×動水壓力荷載，混凝土車行走在鋼平臺外邊線處。

工況2：1.2×結(jié)構(gòu)自重+1.4×混凝土車移動荷載+1.4×人群荷載+1.4×風荷載+1.4×動水壓力荷載，混凝土車行走在鋼平臺孔口邊緣處。

工況3：1.2×結(jié)構(gòu)自重+1.4×混凝土車移動荷載+1.4×人群荷載+1.4×風荷載+1.4×動水壓力荷載，混凝土車行走在鋼平臺孔口與外邊線中間。

工況4：1.2×結(jié)構(gòu)自重+1.4×履帶吊車移動荷載+1.4×人群荷載+1.4×風荷載+1.4×動水壓力荷載，履帶吊車行走在鋼平臺外邊線處。

工況5：1.2×結(jié)構(gòu)自重+1.4×履帶吊車移動荷載+1.4×人群荷載+1.4×風荷載+1.4×動水壓力荷載，履帶吊車行走在鋼平臺孔口邊緣處。

工況6：1.2×結(jié)構(gòu)自重+1.4×履帶吊車移動荷載+1.4×人群荷載+1.4×風荷載+1.4×動水壓力荷載，履帶吊車行走在鋼平臺孔口與外邊線中間。

工況7：1.2×結(jié)構(gòu)自重+1.4×履帶吊車移動荷載+1.4×人群荷載+1.4×風荷載+1.4×動水壓力荷載+1.4×履帶吊車吊裝荷載。

3.2.3 計算結(jié)果

(1)鋼平臺各構(gòu)件應力和位移(見表3、表4)

表3 各荷載工況下鋼平臺構(gòu)件最大應力計算結(jié)果表

從表3可以看出，在不同工況下，鋼平臺貝雷片組件的最大壓應力為227.1 MPa，最大拉應力為151.9 MPa，均小于貝雷片鋼材強度的設(shè)計值305 MPa；鋼平臺其他型鋼構(gòu)件的最大壓應力為74.3 MPa，最大拉應力為73.6 MPa，均小于其他型鋼構(gòu)件的強度設(shè)計值215 MPa。鋼平臺所有構(gòu)件的應力均小于鋼材強度的設(shè)計值，滿足要求。

表4 各荷載工況下鋼棧橋整體最大位移計算結(jié)果表(mm)

從表4可以看出，鋼平臺在不同荷載組合的作用下，變形以豎向位移為主。鋼平臺在最不利荷載工況作用下的最大位移為4.83 mm，且對應貝雷片跨中處附近，最大位移處的容許位移[δ]=6 000/400=15 mm，最大位移小于容許值，鋼平臺剛度滿足要求。

3.2.4 鋼平臺穩(wěn)定性說明

相較于鋼棧橋，鋼平臺為群樁基礎(chǔ)，且鋼平臺中鋼管樁布置的密度小于鋼棧橋鋼管樁布置的密度，結(jié)合現(xiàn)有施工經(jīng)驗，故此不再進行鋼平臺的穩(wěn)定性分析。

4 結(jié)語

深水橋梁施工鋼棧橋及鋼平臺屬于大型臨時結(jié)構(gòu)物，鋼棧橋、鋼平臺的強度、剛度和穩(wěn)定性將直接關(guān)系到現(xiàn)場施工的安全。本文結(jié)合實體工程方案設(shè)計，在滿足施工需求及成本控制的前提下，對鋼棧橋、鋼平臺進行了合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并利用有限元軟件Midas Civil對鋼棧橋、鋼平臺在不同工況下進行了仿真分析。從計算結(jié)果可以看出，鋼棧橋、鋼平臺的強度、剛度及穩(wěn)定性均能滿足規(guī)范要求。