钢栈桥及作业平台设计方案研究

廖 祯 虎， 李 友 谊， 赵 腾 飞， 何 杰， 冯 川

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

笔者以白龙江大桥为例，阐述了钢栈桥及作业平台涉及的技术方案。该桥全长448 m，位于虎头寺水电站库区，为旧桥加宽项目，原旧桥桥宽12 m，拓宽改造后桥梁全宽为36 m。桥梁结构上部采用11 m×40 m简支T梁，下部结构采用桩柱式桥墩，两侧桥台采用肋板式桥台。白龙江大桥2#～7#墩属于水中墩施工，枯水期水深约4.3 m，汛期达到6.1 m。根据白龙江大桥设计图和相关规定，拟在白龙江大桥下游侧修建一座临时钢栈桥，且在2#～7#墩附近修建水中作业平台，栈桥和水中作业平台相连。

钢栈桥采用贝雷梁钢管柱常规搭设，总长度为291 m，宽6 m，共37跨，最大跨距9 m，桥面高程为476.311 m，梁底高出最高水位面1 m，间隔3跨施工一排制动墩以增加栈桥的整体稳定性。栈桥结构形式为上承式，横向为八排单层普通型321贝雷桁架，单侧八排桁架组合。底部设有限位装置，主跨9 m。栈桥桥面板采用10 mm厚钢板，纵梁采用I14@255 mm，横梁采用I20b@750 mm，下部构造主横梁采用2I56b双拼工字钢，基础采用Φ630×10 mm钢管柱。作业平台为12 m×21 m，共6个，分别设置在2#～7#墩处，同样采用贝雷梁和钢管柱施工，最大跨径9 m[1]。钢栈桥及作业平台断面见图1。

2 平台设计方案

图1 钢栈桥及作业平台断面图

依据钢栈桥相关设计图纸，结合大桥施工方案及施工的实际情况，通过MIDAS/Civil有限元分析软件建出钢栈桥及作业平台模型，模拟各个加载工况进行受力分析，对当前结构设计做出评估，目的是了解该结构在施工过程中其强度、刚度及稳定性是否满足规范要求，并对钢管桩进行地基承载力计算，通过试算得出每根钢管桩的最小桩长，在保证结构安全的条件下，尽可能地节省材料，避免过度设计，其技术方案包含以下两方面：

一是对钢栈桥及作业平台结构自身的强度、刚度及稳定性进行计算，其中强度计算是指结构各部分主要承重构件是否满足承载力要求；刚度计算是指结构的变形是否满足规范要求；稳定性计算是指结构在施工过程中对于部分受压杆件(主要是钢管桩)是否会发生屈曲失稳。

二是对钢管桩进行地基承载力计算，通过计算每层土的地基承载力，与MIDAS/Civil计算得到的每根桩桩底最大支反力进行对比，试算得到每根桩刚好满足地基承载力要求的临界埋深位置，从而确定最小桩长。

2.1 方案建模

根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)，进行钢栈桥及作业平台结构安全分析时应该考虑下列各项荷载[2]：

(1)自重：钢栈桥及作业平台结构自身的重量，自重系数取1。

(2)施工荷载：施工人员和施工材料、机具等行走运输或堆放的荷载取2.5 kN/m2。

(3)汽车荷载：汽车荷载布置参数见表 1，商品混凝土车和泵送车车道按正载和偏载的形式考虑各布置3个车道；旋挖钻机布置1个车道。

表1 栈桥车辆荷载表

(4)风荷载：根据《建筑结构荷载规范》GB5009-2012要求，结构风荷载按下式计算。

wk=βzμsμzw0

式中wk为风荷载标准值(kN/m2)；βz为高度z处的风振系数，取1；μs为风荷载体型系数，取1.3；μz为风压高度变化系数，取0.65；w0为按v2/1 600计算，取0.39 kN/m2。

将取值参数代入上述计算公式可得：

wk=βzμsμzw0

=1×1.3×0.65×0.39=0.33(kN/m2)

(5)流水压力。根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)第4.3.9条：作用在桥墩上的流水压力标准值可按下式计算：

式中Fw为流水压力标准值(kN)；γ为水的重度(kN/m3)；v为设计流速(m/s)，最大流速为2 m/s；A为桥墩阻水面积(m2)，桩最大阻水面积为7.917 m2；g为重力加速度，g=9.8 m/s2；K为桥墩形状系数，取0.8。

将取值参数代入上述计算公式可得：

(6)漂浮物撞击力：取漂浮物的总质量m=500 kg，漂浮物的流速等于水的流速v=2 m/s，根据相关规范，漂浮物对栈桥的撞击力F=m·g·v/g·t，即漂浮物对栈桥的冲量Ft=mv。取撞击时间为单位时间，则漂流物对栈桥的撞击力F=mv/t=500×2/1=1(kN)。

(7)汽车制动力：根据《栈桥设计指南》说明，由于栈桥上重车行驶速度较慢，因此，不考虑其制动力荷载。

(8)冲击力：通过自振频率算出的冲击系数不足0.2，考虑到作业平台上存在钻机作业，局部冲击相对较严重，为保证安全，直接采用按局部结构的冲击系数取值，即取0.3作为钻机等的冲击系数。

在支架结构验算过程中，为安全起见，采用极限状态应力法。荷载组合分为三种，其中基本组合和偶然组合适用于强度计算，标准值组合适用于刚度计算，包括将各种同类型组合放在一起，以方便查询最不利荷载组合[3]。

2.2 设计方案优化

针对结构中极为重要的钢管桩桩长参数，首先对钢栈桥和作业平台钢管桩各桩最不利支反力进行计算，再根据《公路工程水文勘测设计规范》(JTG C30-2015)第8.3.1条计算最大冲刷深度，最后根据《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63-2007)第5.3.3条计算钢管桩单桩承载力。

钢栈桥钢管桩布置间距为每跨9 m，间隔3跨施工一排制动墩，间距3 m。在钢栈桥施工图纸中选取3 m+9 m+9 m+9 m相同一段区域的钢管桩范围进行建模，该模型可以等效替代其他钢管桩区域，按不低于7 m入土深度进行地基承载力计算，考虑冲刷深度1 m，即实际入土深度为不低于6 m，最终可得钢管桩最佳桩长计算结果。

3 方案仿真与分析

3.1 平台结构仿真

本次计算模型共14 530个节点，21 258个单元，其中梁单元19 022个，板单元2 236个，模型建出了钢栈桥及作业平台主要承重构件。

桥面钢板采用板单元模拟；分配梁、贝雷梁、主横梁、钢管柱均采用梁单元模拟；桥面钢板与分配梁、分配梁与贝雷片、贝雷片与主横梁之间均采用弹性连接；每片贝雷梁之间的销接处通过释放梁端约束进行模拟；主横梁与钢管桩采用共节点考虑；钢管桩底部约束其平动自由度和转动自由度。计算模型见图2。

图2 钢栈桥及作业平台计算模型图

3.2 结果分析

通过MIDAS/CIVIL软件对各有限元进行结构验算。

(1)桥面板应力计算。

①桥面板最大组合应力：计算所得桥面板最大组合应力为36.1 MPa≤215 MPa(Q235钢强度设计值)，结构安全。

② 桥面板最大剪应力：计算所得桥面板最大剪应力为19.4 MPa≤125 MPa(Q235钢强度设计值)，结构安全。

(2)纵梁应力计算。

① 纵梁最大组合应力：计算所得纵梁最大组合应力为95.4 MPa≤215 MPa(Q235钢强度设计值)，结构安全。

② 纵梁最大剪应力：计算所得纵梁最大剪应力为31.4 MPa≤125 MPa(Q235钢强度设计值)，结构安全。

(3)分配梁横梁应力计算。

①分配梁横梁最大组合应力：计算所得分配梁横梁最大组合应力为160.6 MPa≤215 MPa(Q235钢强度设计值)，结构安全。

②分配梁横梁最大剪应力：计算所得分配梁横梁最大剪应力为116.9 MPa≤125 MPa(Q235钢强度设计值)，结构安全。

(4)贝雷片应力计算。

① 贝雷片最大组合应力：计算所得贝雷片最大组合应力为165.3 MPa≤295 MPa(Q345钢强度设计值)，结构安全。

② 贝雷片最大剪应力：计算所得贝雷片最大剪应力为103.7 MPa≤170 MPa(Q345钢强度设计值)，结构安全。

(5)主横梁应力计算。

① 主横梁最大组合应力：计算所得主横梁最大组合应力为41.7 MPa≤215 MPa(Q235钢强度设计值)，结构安全。

② 主横梁最大剪应力：计算所得主横梁最大剪应力为26.7 MPa≤125 MPa(Q235钢强度设计值)，结构安全。

(6)平联斜撑应力计算。

①平联斜撑最大组合应力：计算所得平联斜撑最大组合应力为28.3 MPa≤215 MPa(Q235钢强度设计值)，结构安全。

②平联斜撑最大剪应力：计算所得平联斜撑最大剪应力为1.3 MPa≤125 MPa(Q235钢强度设计值)，结构安全。

(7)钢管桩最大组合应力。

计算所得钢管桩最大组合应力为27.1 MPa≤215 MPa(Q235钢强度设计值)，结构安全。

(8)变形计算。

①贝雷梁最大位移计算：已知该钢栈桥最大跨度为9 m，由有限元进行结构验算得知其贝雷梁最大变形为6.79 mm

② 主横梁最大位移计算。已知作业平台横向最大跨度为4.78 m，由各有限元进行结构验算得知其主横梁最大变形为2.7 mm

(9)稳定计算。通过采用MIDAS/Civil对钢栈桥和作业平台结构进行有限元稳定分析，对整个钢栈桥和作业平台结构进行稳定分析得到的临界系数为-93.3<0，稳定性验算满足要求，结构安全[4]。

4 方案抗浮分析

对钢管桩进行抗浮计算，通过MIDAS/Civil查得结构在自重作用下的最小支反力为87.7 kN，见图3。

图3 自重作用下支反力示意图

假设水面淹没整个钢管桩时，其受到水的浮力作用容易发生失稳，钢管桩占水体积为6.235 m3，浮力计算公式：

F浮=ρ液gV排=1 000×9.8×6.235

=61 103(N)=61.103(kN)

F自重=87.7 kN>F浮=61.103 kN

故：水浮力不仅不会对钢管桩产生安全影响，反而会对钢管桩起到有利作用[5]。

5 结 语

总体而言，为了确保钢栈桥最终的环保效益以及经济效益的实现，必须强化对相关结构验算技术的研究和运用，有效把握结构计算中的重点和关键点，对计算过程中出现的问题进行进一步的分析研究并制定出相应的完善和优化措施，在技术上先行做好对整个钢栈桥的安全、质量保证，杜绝任何质量问题和安全隐患的出现，为桥梁水中施工的安全稳定进行奠定良好的基础。