码头大跨钢管混凝土拱栈桥成桥索力及动力特性分析

姜 鲁

（大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司，辽宁 大连 116023）

0 引言

拱梁组合体系的下承式钢管混凝土系杆拱桥是一种重要的无推力拱桥形式。该种桥型利用桥面系纵梁作为系杆，拱梁在拱脚处刚接，支承于墩台支座之上，形成类似于简支梁的外部静定、内部超静定受力体系[1]。该种桥型因其具有受力合理、跨越能力强、地基适应性好、造型宏伟美观、海上吊运施工便捷等诸多优点，在港口工程中有着十分广泛的应用，并已成为我国码头大跨栈桥的主要结构形式之一。

由于码头建设及使用要求的特殊性，码头大跨下承式钢管混凝土系杆拱栈桥的荷载形式与一般的公路及市政拱桥有很大的区别，主要体现在：码头栈桥主要承受装卸工艺荷载（如管道输送介质及其配套管架等），汽车（或起重运输机械）及人群荷载处于次要地位；公路及市政桥梁主要承受汽车荷载，专用的人行桥主要承受人群荷载。这种荷载形式的不同导致了码头拱栈桥的吊杆合理成桥索力与动力特性同一般公路及市政桥梁有着显著的区别。

本文以恒力石化（大连）炼化有限公司30万t级原油泊位栈桥工程为背景，利用Midas/Civil有限元软件建立了下承式钢管混凝土系杆拱桥的空间杆系有限元模型，采用弯曲能量最小法对其合理成桥索力进行了计算与优化。同时，针对栈桥的输油管道空载、满载工作等不同工况，对其动力特性进行了分析。

1 工程概况

1.1 概述

恒力石化（大连）炼化有限公司30万t级原油泊位栈桥工程位于辽宁省大连市长兴岛临港工业区，为连接114#、115#泊位（30万t级原油泊位）码头平台与防波堤间的栈桥结构。每个泊位栈桥总长度（含栈桥水工墩）为487 m，由4跨下承式钢管混凝土系杆拱桥支承于水工墩上组成，两个泊位共8跨。每跨桥长118 m，计算跨径111.6 m，矢跨比1/5，桥面全宽14.5 m。栈桥的主要功能为架设工艺管线，同时供检修车辆及行人通行。

每跨桥含两片拱肋。单片拱肋采用双肢桁式断面，由上、下弦杆和腹杆焊接而成，弦杆内灌注混凝土，上、下弦杆轴线间距2 m，横桥向拱肋轴线间距11.9 m。拱肋间设置风撑以增大横向刚度，风撑由米字撑、K撑和一字撑组成。桥面系由系杆、横梁、纵梁及斜撑组成。系杆与拱肋刚接，平衡拱肋产生的水平推力；横梁为主要承载构件，直接承担管线荷载并将纵梁荷载传递至吊杆；纵梁主要承担行车道荷载。为保证桥面系横向整体稳定，设置斜撑。系杆采用焊接箱形截面；纵梁、斜撑采用焊接H形截面；横梁采用焊接箱形截面。吊杆采用环氧喷涂钢绞线成品索GJ15-9，强度fpk=1 860 MPa，两端均设挤压式锚具。桥面除伸缩缝安装范围和行车道部分铺筑纤维混凝土外，其余均铺设钢板。吊杆编号自桥端到跨中依次为1#～10#，对称位置吊杆采用相同编号，施工时按同一索力同时张拉。单跨栈桥立面布置见图1。

图1 单跨栈桥立面构造图（单位：mm）

全桥面横向布置为：900 mm（电缆桥架通道）+800 mm（拱肋）+4 200 mm（行车道）+6 900 mm（管廊带）+800 mm（拱肋）+900 mm（检修通道）=14 500 mm。栈桥横断面见图2。

图2 栈桥横断面（单位：mm）

1.2 主要技术标准

（1）结构设计安全等级为一级；设计使用年限：100 a；环境类别：II类。

（2）设计荷载

a.工艺管线荷载

D-002/D-005管墩:

一层管线竖向总重为7 700 kg/m；

二层管线竖向总重为205 kg/m；

其他管墩:

一层管线竖向总重为3 390 kg/m；

二层管线竖向总重为205 kg/m；

管线水平荷载标准值按《化工工程管架管墩设计规范》有关规定计算。

b.工艺管架荷载

管架布置在横梁和端横梁上，自重荷载3 840 kg/个。

c.检修通道及行车道荷载

按照人群3.0 kPa，20 t单车荷载考虑。

d.温度

最高有效温度：+46℃；最低有效温度：-21℃。

e.风荷载

基本风速 35.2 m/s（1/100），基本风压 0.75 kPa。

（3）地震

本地区地震动峰值加速度为0.1 g，抗震设防烈度为7度，地震动反应谱特征周期为0.40 s，抗震设防类别为C类。

1.3 施工顺序

恒力石化（大连）炼化有限公司30万t级原油泊位栈桥工程根据其工程场地特点及港口工程的建设条件，采用的施工顺序如下：

钢构件工厂预制，并分节段运至拼装场地→场地内搭支架拼装桥面系、拱肋，并安装吊杆，铺设桥面钢板→拆除支架→按照设计初拉力，从两侧向中心按顺序进行张拉调索→安装墩顶支座→采用吊装能力适宜的海吊整体吊运→安装就位后，灌注拱肋混凝土→待混凝土达到设计强度90%以上后，进行桥面施工（包括：现浇混凝土行车道板，安装伸缩缝、栏杆等附属构件，安装管架、工艺管线等）。

2 有限元模型

对于钢管混凝土构件的杆系有限元建模，常用的方法有联合截面法与换算截面法等两种。前者利用有限元方法中的激活钝化（单元生死）方式模拟钢管混凝土构件中管内混凝土在不同施工阶段的状态，能够更好地对桥梁的施工阶段进行分析；后者将钢材与混凝土材料按一定的方式换算成“钢管混凝土”材料，其弹性模量与设计强度分别由换算的组合弹性轴压模量与组合轴心抗压强度确定，这种方法同《钢管混凝土拱桥技术规范》[2]与《公路钢管混凝土拱桥设计规范》[3]贴合密切，成桥分析时宜采用该种方法。

本文采用换算截面法，将钢管混凝土拱肋在成桥阶段按规范方法[3]换算为单一材料，建立杆系有限元模型。模型见图3。

图3 有限元模型

3 合理成桥索力

对于一般的公路及市政桥梁，尤其是一次落架的斜拉桥和拱桥，合理成桥索力及索力优化多在恒载作用下进行。然而，原油码头栈桥的主要功能为架设工艺管线，根据《化工工程管架、管墩设计规范》[4]中对管道介质自重考虑方式的有关规定，码头栈桥的合理成桥索力确定及索力优化中应考虑管道介质的自重。

合理成桥索力的确定及索力优化的方法通常有：刚性支撑连续梁法，零位移法，弯曲能量最小法，弯矩最小法，用索量最小法，最大偏差最小法等[5]。傅金龙[6]等对上述方法进行了分析比较，认为弯曲能量最小法和弯矩最小法的吊杆索力优化结果较好。本桥为下承式系杆拱桥中的刚性系杆刚性拱类型[1]，该种桥型的受力特点为：拱肋与系杆均以受轴力为主，且能承受一定程度的弯矩。为充分发挥材料性能，减小用于抵抗弯矩的材料用量，索力优化的目标为使拱肋和系杆的弯曲能量尽可能小，因此，本桥的合理成桥索力确定方法采用弯曲能量最小法，通过合理的结果修正的到最终合理成桥索力。弯曲能量最小法算得的1#吊杆（边吊杆）索力值较其他吊杆偏大较大，虽符合该种方法的计算特征，即：边吊杆索长短，相同变形量下的应变大，导致计算出的索力大。在设计中对该处吊杆索力进行均匀化处理，得到修正后的合理成桥索力。

计算及修正后的合理成桥索力见表1。

4 动力特性分析

对于一般公路及市政钢管混凝土拱桥，规范[3]给出了基于跨径的冲击系数计算方法，并同《公路桥涵设计通用规范》[7]给出的基于基频的计算方法进行了对比。上述规范方法在计算冲击系数的时候均主要考虑桥梁恒载质量的影响。然而，对于主要用于架设工艺管线的码头钢管混凝土拱栈桥，根据管架规范有关规定[4]，其动力特性中应分工况考虑是否计及管道介质重量。管道介质重量会显著增加桥梁结构广义质量，对其动力特性有较大影响。

针对管线空载与满载两种工况，分别借助有限元模型进行了特征值分析，得到了两种不同工况下的竖向振动基频。针对得到的不同基频，按《通规》[7]公式进行了冲击系数的计算，并同钢管混凝土规范公式[3]的计算结果进行了对比。具体结果见表2。

表2 动力特性及冲击系数

可以看出，对于大跨钢管混凝土系杆拱栈桥，其空间刚度小、质量大，导致管道空载状态下的竖向基频很小，而考虑管道满载增加桥梁广义质量后的竖向基频则更小。对比两种规范给出公式的计算结果中可以发现，《公路钢管混凝土拱桥设计规范》中的冲击系数要显著大于《公路桥涵设计通用规范》，设计中为保守起见应按《公路钢管混凝土拱桥设计规范》的公式执行。

5 结论

对于码头大跨下承式钢管混凝土系杆拱栈桥，由于承受的荷载形式与一般公路及市政桥梁有着显著不同，同时需要兼顾港口工程建设的特殊要求，其合理成桥索力及动力特性的计算方法与一般公路与市政桥梁有很大区别。

本文通过对恒力石化（大连）炼化有限公司30万t级原油泊位栈桥工程的有限元计算分析，得到了如下结论：

（1）验证了弯曲能量最小法在码头拱栈桥的合理成桥索力计算中的合理性，通过修正得到了设计中使用的合理成桥索力值；

（2）通过对管线满载状态及空载状态竖向基频的对比计算，发现管道介质自重对桥梁的动力特性影响显著，设计中应充分考虑；

（3）通过对不同规范的冲击系数计算公式进行对比，发现《公路钢管混凝土拱桥设计规范》中的冲击系数要显著大于《公路桥涵设计通用规范》，设计中应采用《公路钢管混凝土拱桥设计规范》的公式。