京哈高速公路拉林河特大桥钢栈桥设计

石春龙

（中国市政工程东北设计研究总院有限公司 长春市 130021）

1 项目背景

项目为京哈高速拉林河（吉黑省界）至哈尔滨段改扩建工程（高速公路），既有拉林河大桥桥跨组合为：7×35m+8×35m，桥梁全长为531.12m，桥梁总宽为28m。改扩建后的拉林河特大桥共37孔，每跨35m，桥跨布置为6×（3×35m）+4×35m+5×35m，全桥长度1301.1m，桥梁角度为90°。桥梁宽度2×20.5m，最大桥高13m，桥梁全长1303.2m，上部构造预应力混凝土简支转连续箱梁，桥墩为柱式墩，桥台为肋板台，基础为钻孔桩基础，设计水位141.43m，设计流量6410m3／s。

拉林河特大桥上部结构采用35m预应力混凝土简支转连续箱梁。桥跨横向全宽42.0m，双向共八车道。桥面横向布置为：2×0.5m（防撞墙）+19.0m（行车道）+1.0m（防撞栏）+1.0m（分隔带），两幅桥对称布置，桥面横坡采用双向2%。既有桥梁上部结构全部拆除，新建引桥上部。原有桥梁下部结构以利用为原则，16#、36#桥墩，37#桥台为新建，其余墩台均完全利用。利用桥墩先凿除原有下部盖梁部分，墩身接高后新建整体式桥墩盖梁，实现新、旧墩台下部的连接。

钢栈桥设计标准跨度为12m，宽8m，采用桩柱式贝雷梁支承体系，右幅钢栈桥跨度分布为3×（7×12m）m，左幅钢栈桥跨度分布为7×12m+7×12m+6×12m。桥墩处采用钢管桩桩基，每排钢管之间的横向距离为2.8m，钢管桩直径为800mm、厚度为10mm，钢管间设置［22a的槽钢剪刀撑和Φ300×6mm的钢管平联，桩顶横梁为双拼HN450×200工字钢，贝雷梁采用双排单层体系，其上的横向分配梁为工20b工字钢，桥面钢板厚度为12mm。标准横断面如图1所示。

2 计算模型

采用MIDAS／CIVIL软件，建立一联7×12m的计算模型，节点共8073个，单元共14332个，其中桥面板采用板单元，其余均采用梁单元。贝雷梁材料型号为Q345，其余钢材为Q235［1］。空间有限元模型如图2所示。

3 计算荷载

（1）恒荷载

自重荷载MIDAS／CIVIL软件可以根据构件的实际重量自动添加，自重按照恒荷载工况添加后和其他荷载组合计算。

（2）移动荷载

根据施工需要，栈桥除通行人员、运输小型机具材料的一般车辆外，还需通行80t履带吊机、12m3水泥罐车和360型旋挖钻机。模型通过影响面加载，自动确定最不利受力状态。

（3）温度荷载

按整体升温20℃，降温40℃考虑。

（4）流水压力荷载

取水流的设计流速为3m／s，由公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2015）4.3.9条规定，可得流水压力标准值为4.2kN／m。

（5）风荷载

施工区域工作风速V10＝24.1m／s，栈桥横向风压Fwh＝0.65kN／m，纵向风压取横桥向的40%。一联上部结构横桥向承受的风荷载为54.6kN，平均分摊到7根钢管桩顶，每根钢管桩顶为7.8kN，纵向风压取横桥向的40%。

4 荷载组合

考虑80t履带吊机和旋挖钻机不可能同时作业，而旋挖钻机重量比履带吊机大，故两者仅考虑旋挖钻机作用。

（1）工况1：旋挖钻偏载行走在栈桥上

1.2×自重+1.4×旋挖钻机+0.75×1.4流水压力+0.75×1.1风荷载+0.75×1.4温升（或温降）

（2）工况2：考虑12m3混凝土罐车满载与空载错车状态

1.2×自重+1.4×罐车满载+1.4罐车空载+0.75×1.4流水压力+0.75×1.1风荷载+0.75×1.4温升（或温降）

（3）工况3：仅考虑横桥向最不利荷载作用，流水压力和风荷载取同向，旋挖钻机考虑横桥向的扭力

1.0×自重+1.0×旋挖钻机横向扭力+1.4×流水压力+1.4×风荷载

工况1和工况2验算整体强度和刚度，工况3验算钢管桩横向抗倾覆稳定性。

5 钢栈桥结构计算分析

5.1 强度计算分析

通过计算，工况2作用下的钢栈桥各部件强度效应值最大。

（1）贝雷梁强度

由图3和图4可知：工况2作用下，贝雷梁最大正应力为270MPa，小于强度设计值275MPa；最大剪应力为157MPa，小于抗剪设计值160MPa；综上所述，贝雷梁强度满足规范设计要求。

（2）工20b横向分配梁强度

由图5和图6可知：工况2作用下，工20b横向分配梁最大正应力为89.5MPa，小于抗弯强度设计值190MPa；最大剪应力为24.2MPa，小于抗剪设计值110MPa；综上所述，工20b横向分配梁强度满足规范设计要求。

（3）桩顶双拼HN450×200横向分配梁强度

由图7、图8可知：工况2作用下，桩顶双拼HN450×200横向分配梁最大正应力为46.4MPa，小于抗弯强度设计值190MPa；最大剪应力为55.6MPa，小于抗剪设计值110MPa；综上所述，桩顶双拼HN450×200横向分配梁强度满足规范设计要求。

（4）贝雷片剪刀撑强度

由图9可知：工况2作用下，贝雷片剪刀撑最大正应力为102.2MPa，小于强度设计值190MPa；故贝雷片剪刀撑强度满足规范设计要求。

（5）桥面板强度

由图10可知：工况2作用下，桥面板最大正应力为60.1MPa，小于强度设计值190MPa；故桥面板强度满足规范设计要求。

（6）钢管桩强度

由图11可知：工况2作用下，钢管桩最大正应力为16.7MPa，小于强度设计值190MPa；故钢管桩强度满足规范设计要求。

（7）桩间［22a槽钢剪刀撑强度

由图12可知：工况2作用下，桩间［22a槽钢剪刀撑最大正应力为10.2MPa，小于强度设计值190MPa；故桩间［22a槽钢剪刀撑强度满足规范设计要求。

5.2 钢栈桥刚度计算分析

通过计算，工况2作用下，钢栈桥竖向位移最大。

由图13可知：工况2作用下，贝雷梁最大位移为18.1mm，小于规范规定的24mm（L／500，对应L＝12m），故刚度满足规范设计要求。

5.3 钢管桩柱式钢栈桥稳定性分析

由于贝雷梁结构之间采用花架和剪刀撑等构件

进行连接，稳定性得到满足，故贝雷梁可以不进行稳定性计算，栈桥稳定性分析主要在于钢管排架柱。

旋挖钻机移动荷载工况下，钢管立柱支承梁节点反力如图14所示；混凝土罐车满载移动荷载工况下，钢管立柱支承梁节点反力如图15所示。

将旋挖钻机工况和混凝土罐车工况下得到的钢管排架柱支承梁节点反力作为可变荷载，对钢管排架柱进行屈曲分析验算整体稳定。两种工况下的失稳模态如图16和图17所示。

由图16和图17可知：旋挖钻机工况下的钢管排架柱一阶失稳临界荷载系数为22.2；混凝土罐车工况下的钢管排架柱一阶失稳临界荷载系数为23.6；故钢栈桥结构整体稳定性符合规范设计要求。

5.4 钢栈桥横向抗倾覆稳定性验算

工况3主要针对无车辆通行时的钢栈桥横向倾覆稳定性验算，关心的是钢管桩的支点反力。在充分考虑风荷载和流水压力等横向荷载的作用下，经计算，钢管桩均为正反力，不存在负反力，证明钢栈桥的横向抗倾覆是完全能够保证的。

6 钢管桩设计

6.1 钢管桩单桩承载力计算

钢管桩单桩承载力由钢栈桥桩底反力乘相应的提高系数确定，工况1作用下，最大桩端反力为661.6kN；工况2作用下，最大桩端反力为576.7kN，提高系数取1.1，则要求单桩最大承载力为1.1×661.6kN＝727.8kN。

6.2 钢管桩长度计算

钢管桩理论长度按《公路桥涵地基与基础设计规范》JTG D63-2007第5.3.3-3条

结合地质资料计算确定，粗砂qik＝70kPa，qrk＝280kPa，实际桩长按锤击荷载现场确定。

计算桩长（不含立柱长度，从最低冲刷线算起），桩埋入粗砂长7.5m，［Ra］＝0.5×（1.0×π×0.8×7.5×70+1.0×0.503×280）＝730.1kN。故桩长满足规范设计要求。

7 结论

（1）工况2作用下，钢栈桥各部件强度效应值最大。其中贝雷梁最大正应力为270MPa，最大剪应力为157MPa；工20b横向分配梁最大正应力为89.5MPa，最大剪应力为24.2MPa；桩顶双拼HN450×200横向分配梁最大正应力为46.4MPa，最大剪应力为55.6MPa；桥面板最大正应力为60.1MPa；钢管桩最大正应力为16.7MPa；以上部件均满足规范设计要求。

（2）工况2作用下，钢栈桥竖向位移最大。最大位移为18.1mm，满足规范设计要求。

（3）旋挖钻机工况和混凝土罐车工况下的钢管排架柱一阶失稳临界荷载系数分别为22.2和23.6，满足规范设计要求。无车辆通行时，考虑风荷载和流水压力等横向荷载下，钢栈桥横向抗倾覆稳定性满足设计要求。

（4）钢管桩单桩承载力和钢管桩长度计算均满足规范设计要求。