復雜海域環(huán)境下鋼棧橋的設計與驗算

曾建新 ZENG Jian-xin；劉井義 LIU Jing-yi；王凱 WANG Kai；劉海龍 LIU Hai-long

（中電建路橋集團有限公司，北京100160）

0 引言

作為橋梁施工中的臨時通道，鋼棧橋直接承受施工車輛荷載，是橋梁施工安全控制中重要的環(huán)節(jié)[1-2]。目前水上鋼棧橋已形成了一套相對比較成熟的設計及施工工藝[3]，但在復雜海域下的鋼棧橋設計與常規(guī)鋼棧橋設計不同，需要考慮更多海域環(huán)境對于橋梁設計的影響[4]。張戰(zhàn)凱等通過對兩種鋼棧橋方案的對比，分析了兩種方案的深水鋼棧橋各種優(yōu)缺點[5]。姜楓等以湛江東海島鐵路通明灣特大橋鋼棧橋工程為背景，研究了海洋環(huán)境下鋼棧橋的設計施工要點[6]。因此針對復雜海域鋼棧橋的設計進行詳細的分析，研究其設計及施工驗算具有十分重要的意義。

1 工程概況

該工程在浙江，地處東南沿海，為臺風多發(fā)省份，臺風過境時，在近岸水位會產生明顯的水位升降，擬建工程海域波浪以風浪及混合浪為主，大浪主要為風浪，出現(xiàn)在每年的8~12 月，一般由臺風及秋冬季寒潮大風引起。該項目所在區(qū)域大部為海上淺海區(qū)，施工屬于水上作業(yè)，安全風險高，施工成本大。該項目位處的環(huán)境特點有氣候溫和、四季分明、雨量充沛。季風顯著，風速大，全年多大風，春季多海霧，夏季多熱帶氣旋。年平均風速為6.1m/s，最大風速為25.2m/s，極大風速29.8m/s。因此，在對該工程鋼棧橋設計驗算時需要重點考慮風荷載及水流荷載對于結構的影響。

2 鋼棧橋設計要點

某海上棧橋全寬9m，橋面標高為+6.0m。棧橋標準聯(lián)為 3×12m+9m+ 3×12m+9m，標準跨徑 12m，采用排架樁，每排3 根樁；橋臺采用擴大基礎[7-8]。鋼棧橋標準橫斷面如圖1 所示，鋼棧橋標準跨立面布置如圖2 所示，鋼棧橋標準跨立面如圖3 所示。

圖1 標準橫斷面布置圖（單位：mm）

圖2 標準跨立面布置圖（單位：cm）

圖3 標準跨立面圖（單位：cm）

2.1 棧橋基礎設計

采用鋼管樁作為棧橋基礎，橫向布置3 根Φ800×10mm 鋼管樁，中心間距按3.375m 布置，縱向按照標準跨徑12m，制動墩跨徑9m，在距樁頂橫梁下1m 處設［20a 剪刀撐一道及平聯(lián)鋼管（Φ300×6mm），以增加鋼棧橋側向剛度和整體穩(wěn)定性。鋼管樁頂部橫向放置2I45a 作為主橫梁，每組主橫梁長8.0m。

2.2 主棧橋上部結構設計

鋼棧橋在橋臺位置和平臺相接處設置伸縮縫，縫寬為10cm；棧橋每8 跨設置一道伸縮縫，伸縮縫寬度20cm；每4 跨設置一處制動墩，橋面標準按雙向通行設置，橋面寬8m，人行道寬0.6m。主梁采用上承式單層8 片“321”貝雷梁，貝雷梁間采用90 型花架聯(lián)結。貝雷梁與分配梁用U型螺栓連接。橋面橫梁采用I22a 型鋼，間距0.75m，縱梁采用I12 型鋼，間距0.24m，橋面板采用8mm 花紋鋼板，橋面高程+6.0m。

3 驗算要點

3.1 荷載參數(shù)

①自重。鋼棧橋自重荷載通過考慮自重系數(shù)-1.05 來實現(xiàn)。

②基本可變荷載。包括履帶吊機、混凝土罐車及人群荷載。具體參數(shù)見表1。

表1 基本可變荷載參數(shù)表

③其他可變荷載。包括風載及水流力，分別按照規(guī)范《公路橋梁抗風設計規(guī)范》（JTG/T D60-01-2004）[9]、《港口工程荷載規(guī)范》（JTS144-1-2010）[10]計算。

1）風載

靜陣風風速計算公式為：

Vg=GvVdVd=K1V10

式中：Vd—設計基準風速（m/s）；V10—基本風速（m/s）；K1—風速高度變化修正系數(shù)，取1.08；Vg—靜陣風風速（m/s）；Gv—靜陣風系數(shù)，取 1.29。

棧橋工作期間（8 級）與臺風期（12 級）最大風力下設計基準風速與靜陣風風速見表2。

表2 設計基準風速與靜陣風風速表

貝雷風荷載計算公式：

式中：ρ—空氣密度（kg/m3），取 1.25；η—桁架遮擋系數(shù)，取 0.8；

CH—風阻力系數(shù)，取1.7；φ—單片貝雷片實面積比，取0.27；

A—單片貝雷片面積（m2），取 4.5。

鋼管樁風荷載計算公式：

式中：An—單根鋼管樁迎風面積（m2），取 5.26。

依據上述公式，即可分別計算貝雷梁、鋼管樁在正常使用期及臺風期各自所受風荷載。風荷載參數(shù)見表3。

表3 風荷載參數(shù)表

2）水流力

式中：Fw—水流力標準值（kN）；Cw—水流阻力系數(shù)；ρ—水密度（t/m3），海水取 1.025；V—水流設計流速（m/s），取棧橋處漲落潮最大水流速度3.27m/s；A—計算構件在流向垂直平面上的投影面積（m2）；

依據上述公式，即可計算出鋼管樁所受水流力大小，并將水流壓力合力作用點假定在水位線以下1/3 倍水深處。

3.2 荷載工況

棧橋工作狀態(tài)是指棧橋在正常使用時，車輛作用與其他可變作用的組合。施工機具最不利狀況主要考慮75t 履帶吊在棧橋上吊裝作業(yè)，履帶吊吊重按15t 考慮和12 方混凝土罐車并行兩種情況。機械的布置位置又分為墩頂與跨中兩種。有限元計算的荷載組合具體見表4 所列組合。

表4 有限元計算采用的荷載組合

說明：荷載基本組合用于構件強度及穩(wěn)定性計算；荷載標準組合用于結構剛度及鋼管樁傳至土層反力計算。以上每個工況均包含車輛或機械在樁頂、跨中兩個不同部位的計算（計算結果取大值）：當位于樁頂時用于計算貝雷豎桿，斜腹桿內力，承重梁強度，樁基強度、穩(wěn)定性及承載力；當位于跨中時用于計算貝雷弦桿內力、貝雷擾度。

3.3 鋼棧橋有限元模型

采用Midas/Civil 建立三跨標準跨的有限元模型。構件均采用梁單元，貝雷梁材質為Q345（16Mn），其余構件材質均為Q235，鋼棧橋分析模型如圖4 所示。

圖4 鋼棧橋有限元模型

3.4 計算結果分析

將各個構件在三種工況下及履帶吊、罐車分別在跨中和墩頂布置共五種情況的力學指標匯總在表5 中。

表5 構件各工況計算結果表

由表5 可知，臺風極端天氣情況下即工況三，棧橋各構件的各力學指標均小于棧橋施工狀態(tài)或工作狀態(tài)的力學指標，但工況三下部分鋼管樁受臺風及水流力的影響會產生拉拔力。故在復雜海域環(huán)境下鋼棧橋設計時必須考慮所受拉拔力的大小，并計算鋼管樁嵌固點。工況三鋼管樁反力如圖5 所示。

圖5 鋼管樁反力圖

由鋼管樁反力圖可知，最大拔力為61.5kN。

3.5 鋼管樁嵌固點計算

計算引用《碼頭結構設計規(guī)范》（JTS-167-2018）[11]中計算公式，Lt≥4T，t=ηT

經計算，Φ800×10mm 鋼管樁嵌固點位置位于河床以下4.82m。本次設計鋼管樁樁嵌固點位于河床以下5.5m，滿足抗拉拔的要求。

4 總結

鋼棧橋適用于跨越峽谷、河流、湖泊及江海等大跨度橋梁工程施工，其主要的優(yōu)越性能有：①搭建方便，可實現(xiàn)多點同時搭設最后合龍，施工速度快，節(jié)省工期；②具有良好的水流通過性，可適應水位的快速上漲與回落，保障施工安全；③可做到100%拆除回收，綠色環(huán)保；④經過特殊設計可適應復雜海域條件，可以保證其安全性與適用性，本工程鋼棧橋的設計施工可為同類工程提供參考。