白石大桥栈桥结构设计与有限元仿真分析

田福建

(中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300459)

1 工程概况

浙江乐清湾港区铁路支线工程SG04标白石大桥，位于乐清市白石镇境内，中心里程DK31+842.46，起点里程DK31+627.15,终点里程DK32+077.79，桥梁全长450.64 m。由于桥位跨越新河浜，为八级通航河流，航向与水流方向与桥梁基本垂直，且3#～5#墩位于水中。为了进行水中墩桩基承台及墩柱的施工，需在新河浜河中搭设栈桥辅助施工。考虑通航要求，栈桥不全部贯通，首先在左岸(以河流流向为参考，小里程方向为左岸(侧)，大里程方向为右岸(侧))至3#、4#墩线路左侧搭设栈桥，施工3#、4#墩，留4#～5#墩约27.6 m航道；待3#、4#墩施工完成，拆除栈桥，搭设右岸～5#墩施工平台，以确保通航要求。在承台一侧设置支栈桥，主要用于钢板桩吊装及辅助桩基施工，墩位上方设置钻孔平台，支栈桥在钻孔平台的顺桥向后方布置1座，顺桥向宽度6 m，横桥向长度24 m，支栈桥及钻孔平台顶标高同主栈桥。

栈桥位置水文地质情况如下：温州为我国东南沿海台风的主要登陆点之一，多年台风统计频率2.4次/a，瞬时最大风力达12级以上，瞬时风速可达40 m/s，定时最大风速达25 m/s。新河浜桥区测时水位+2.82 m，通航水位+3.00 m，百年一遇水位+4.90 m。桥区水下地形总体而言平坦，最大水深约4.06 m。拟建白石大桥所处位置地形平缓。桥址区地质土层依次为：①淤泥层，厚度0.8 m；②淤泥质粘土层，厚度1 m；③粘土层，厚度6 m；④中砂层，厚度9 m；⑤细圆砾土，厚度3 m。其中，淤泥及淤泥质粘土具有强度低、高压缩性、高灵敏度、高含水量、高孔隙比、易触变等特性，工程性质差，未见其它不良地质现象。

2 栈桥结构设计与施工

2.1 栈桥结构形式

由于栈桥位于强风地区，风荷载对栈桥会产生很大的附加荷载，并且会导致栈桥主梁和钢管桩的应力大幅增加，因此应尽可能减小迎风面积，以降低风阻，保证强风、台风条件下栈桥结构的安全可靠。

常用的栈桥主梁有三种结构形式[1]：即型钢、贝雷梁和六四军用梁，通过对横桥向迎风面积的计算，六四军用梁横桥向的迎风面积最大，其次是贝雷梁，最小的工字钢(32a为例)。此外对于贝雷梁和军用梁这种桁架结构，在台风来作用时，由于风会从桁架较大面积透空处穿过，可能诱发风致振动，使得其位移增加，甚至产生扭曲，增加倾覆、坠落的风险。而对于型钢结构，不仅迎风面积比较小，同时风致动力效应会相对较小。通过以上分析，采用工字钢作为栈桥主梁比较合适，最终确定的栈桥结构自下而上依次为：①打入河床的钢管桩(∅478 mm×10 mm)，间距4 m，每排两根，钢管之间设置十字槽钢([14a背靠背)作为连接系。②焊接的双拼I40b横梁，布置在钢管上，在钢管顶部开一个矩形槽，把双拼I40b卡入槽中。为了防止局部应力过大，在开槽位置的钢管外壁贴焊10 mm厚度的钢板。③纵桥向I32a主梁，间距0.3 m。④桥面钢板，采用厚度10 mm的花纹钢板作为桥面。栈桥采用两跨一联，其横断面如图1所示。

图1 栈桥横断面(单位：m)

2.2 栈桥的施工工艺

根据以上栈桥的构造，其施工顺序依次为：①打入螺旋钢管桩。采用50 t履带吊逐根打入河床，并焊接联结系槽钢。②吊装横梁。在每排钢管桩上布置双拼工字钢横梁，双横梁卡入钢管顶部的槽中，并在每排钢管桩的外侧钢管位置，将工字钢下翼缘接触位置与钢管壁焊接，另一侧钢管位置则不焊接，保证横梁在横桥向自由伸缩。③吊装主梁。在双拼工字钢横梁上面布设纵桥向主梁，为保工字钢主梁的稳定性，在一联梁的中间钢管桩位置，将横梁与纵向主梁满焊连接；在一联梁两侧边墩的钢管桩位置，横梁与主梁则不焊接，只是对主梁的横桥向设限位装置，从而保证主梁不产生附加轴力。④铺设桥面钢板。纵向主梁上面铺设花纹钢板，桥面钢板采用分块铺设，在钢板与工字钢翼缘板接触位置焊接(纵桥向)，同时在桥面两侧焊接钢管护栏。施工完一联后，履带吊在栈桥上前移进行下一联梁作业，如此循环。

3 栈桥有限元仿真计算

3.1 荷载分析

荷载分析需要考虑栈桥的功能和施工现场的重车情况，通过分析施工现场的车辆情况，较重的车辆荷载包括以下两种：

(1)12 m3混凝土罐车(搅拌车)按照车辆参数总重25 t，只能装5～6 m3混凝土，考虑施工中有时存在严重超载，这里按照12 m3混凝土计算；罐车车体自重14 t，则满载12×2.4 t+14 t=42.8 t，计算采用45 t的计算总荷载。罐车纵向3个轴重依次7 t、19 t、19 t，轴距为4 m、1.4 m，虽然车速较低，仍有一定冲击，计算考虑1.1的冲击系数。

(2)自重50 t的履带吊，吊重20 t，按照总重70 t计算。计算时，取用标准的履-50荷载(履带宽0.7 m，有效长度4.5 m，履带中心距2.5 m)，考虑1.4的系数，实现70 t总重的荷载。起吊作业均应缓慢作业，不考虑冲击系数。

最不利的荷载组合共两种：荷载组合1，结构自重+罐车荷载；荷载组合2，自重+履带吊作业时总重70 t。根据相关规范，计算时对结构自重采用1.2的分项系数，对活载(罐车、50 t履带吊车)采用1.4的分项系数。

3.2 有限元模型的建立

为了准确计算栈桥的工作状态，需要对栈桥进行模拟分析，虽然栈桥主梁结构简单，可以按照单梁进行分析，但是桥上的移动荷载在20根主梁上的荷载分布很难准确计算，还需要确定活载的最不利位置，因此单梁计算分析存在很大限制。而建立桥面钢板、主梁、横梁和管桩的整体模型并直接施加荷载，则更能反映栈桥的实际工作状态。显然整体模型需要合理模拟钢板与主梁、主梁与横梁、横梁与钢管的接触位置条件，保证栈桥工作状态产生的位移与模型一致就尤为重要。

经过细致分析和试算，最终建立的有限元模型中，桥面板使用薄板单元进行模拟，主梁和横梁使用普通梁单元进行模拟，不建立钢管桩单元，而是在钢管桩位置设边界条件，计算得到的反力施加在钢管桩上，对钢管桩进行单独计算。对于不同构件接触位置的交界约束模拟如下[2]：①桥面钢板与纵向主梁之间。由于桥面钢板与工字钢主梁设置纵向焊缝，钢板横桥向可以自由产生线位移，所以在模型中板单元横桥向中间的点与对应的主梁采用刚性连接来模拟焊接，其他接触点采用一般连接，释放横桥向的相对位移，这样保证桥面钢板单元可在横桥向向两侧自由伸缩，与结构相吻合。②主梁和横梁之间。此二者接触位置采用共用节点，由于在钢管立柱位置设置一般支撑，在6个支撑中，其中一个为固定支座约束形式，其他支撑位置释放相应的纵横向线位移，从而保证了横梁在顺桥向、横桥向均可自由变位，这样实际上也就保证了主梁纵桥向可以自由伸缩、横梁在横桥向也可以产生自由变位。采用如上模拟，就可以保证栈桥主梁、横梁的位移与实际工作状态相吻合。整个计算模型梁单元共2 580个、板单元共2 400个。计算模型如图2所示。

图2 栈桥有限元模型

3.3 计算结果

对于混凝土罐车19 t重的两个后轮作用在栈桥跨中(主梁受力最不利)、中墩上方(下横梁受力最不利)两种情况，单轮的轮胎作用面积为0.2 m×0.6 m，则钢板的荷载集度为791 kN/m2；单个前轮35 kN作用面积0.2 m×0.3 m，钢板的荷载集度583 kN/m2。考虑到车辆不可能严格按照中线行驶，左右两轮荷载在偏离桥面板中线0.5 m的板单元上加载。

对于70 t的履带吊荷载，履带吊总重700 kN，一侧为350 kN，履带作用面积4.5 m×0.6 m，两侧履带的中心距2.5 m，换算成均布荷载为130 kN/m2。由于吊车作业不能偏心太多，因此按均布荷载偏离桥面板中线0.2 m位置的板单元上加载。

按照最不利位置加载，即将罐车的重轴、履带吊车的履带荷载分别施加在主梁的跨中、支座位置上方的桥面板单元上。加载计算后，最终荷载组合1的计算结果如图3所示。

从图3可以看出结构的最大正应力：σmax=145.45 MPa、160.4 MPa，均小于215 MPa。最大正应力位于中间横梁(双拼40b工字钢)上，接近其中点的位置；最大剪应力：τmax=24.7 MPa、29.16 MPa，均小于 125 MPa，位于中间横梁(双拼40b工字钢)上，临近与钢管接触的位置。强度满足要求[3]。

主梁的最大竖向位移(重轴作用在跨中)：13.24 mm

图3 混凝土罐车不同作用位置栈桥计算结果

荷载组合2的计算结果为：结构的最大正应力σmax=166.9 MPa、183 MPa，均小于215 MPa。剪应力τmax=85 MPa、41.9 MPa，均小于125 MPa，满足强度要求[3]。主梁的最大竖向位移(履带在跨中)：14.67 mm

荷载组合2的最大应力和变形位置与荷载组合1基本相同。

3.4 钢管计算

经过对比结果，荷载组合2(自重+履带)荷载作用在支座位置，反力最大，计算结果如图4所示。该反力即为钢管承受的竖向荷载。

图4 最大反力计算结果(单位：kN)

从图4可以看出，横梁的最大竖向反力为380 kN。由于钢管桩主要承受竖向压力，即轴力控制设计，按照施工方案，钢管打入时要求贯入力不小于450 kN>380 kN，显然钢管轴向承载力满足要求。

4 结束语

结合白石大桥位于强风地区的工程实际，采用工字钢作为主梁，设计施工了辅助水中墩桩基承台及墩柱施工的栈桥。经施工检验，该栈桥安全可靠，目前栈桥已经拆除，顺利完成了辅助桥梁施工的作用。