大型景观云桥的水中钢栈桥及临时支撑钢管桩设计分析

曹鹏飞 庞伟军 朱兆荣 牌立芳 马坤 李仁强 李锴 阎树东 杜宏元

摘  要：通过凤翔洲景观云桥工程北桥水中钢栈桥及临时支撑钢管桩基础工程的施工过程，详细介绍了临时钢栈桥及临时支撑钢管桩基础工程的搭设方案，并以此对栈桥和钢管桩结构进行验算。在对栈桥及临时支撑钢管桩基础进行验算时，利用空间计算软件Midas civil，建立栈桥有限元分析模型，结合栈桥的实际荷载对钢栈桥及临时支撑钢管桩基础的整体模型进行了承载力验算，从而确保了钢栈桥及临时支撑钢管桩基础的强度、刚度及稳定性。

关键词：钢栈桥;钢管桩基础;稳定性分析

中图分类号：U44 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）35-0001-05

Abstract： Through the construction process of bridge water steel trestle bridge and temporary supporting steel pipe pile foundation project in Fengxiangzhou Landscape Bridge Project， this paper introduces the erection scheme of temporary steel trestle and temporary supporting steel pipe pile foundation engineering and check calculation of bridge pier and steel pipe pile structure. While checking the foundation of trestle bridge and temporary supporting steel pipe pile foundation， finite element analysis model is established by using Midas Civil software. Considering actual load of trestle bridge， load bearing capacity is checked for steel trestle bridge and temporary supporting steel pipe pile foundation， thus ensuring strength， rigidity and stability of steel trestle bridge and temporary supporting steel pipe pile foundation.

Keywords： steel trestle; steel pipe pile foundation; stability analysis

1 概述

伴随着桥梁施工技术的发展，辅助其施工的钢栈桥及钢平台施工在国内也得到了迅速的发展。栈桥作为水上施工的重要通道，在不同的水文地质条件下，特别是在应对复杂恶劣条件下的栈桥设计施工成为项目成功关键。因此研究对该地质及水流条件栈桥及平台施工技术是十分有必要的，国内外相关学者也对该难题进行了一定程度的研究，并获取了一些研究成果。

李垚等[1]、伊凯[2]、任加亮[3]、王雪元[4]等采用RBCCE 软件等不同方法，提出了针对浅覆盖层深水急流裸岩地层等复杂恶劣条件下的栈桥及平台设计施工的方法。Weining Sui等[5]进行了钢管混凝土柱的准静态试验和有限元（FE）分析，提出了经验公式来描述这种桥墩在极限荷载条件下的工程应用极限强度和延性。封帆[6]借助Matlab神经网络工具箱，为钢管桩稳定性预测分析提供了借鉴与参考。张小鹏[7]、史双涛[8]等通过Midas civil计算软件模拟计算混凝土简支梁在移动集中力作用下的动力特性，并对比静力分析法，冲击系数法和时程分析法在临时钢栈桥设计计算中的差异和应用。Yanguo Hou[9]通过实验测试了支架在垂直荷载下的极限荷载能力，揭示了失效是由中跨附近的顶部桁条的屈曲引发的。

但国内外学者针对复杂、恶劣条件下的栈桥及平台设计分析方面涉足不多，因此研究钢栈桥及钢管桩在不同荷载作用下的整体稳定性是十分必要的。本文通过应用Midas civil建立栈桥有限元分析模型，结合栈桥的实际荷载对钢栈桥及临时支撑钢管桩基础的整体模型进行了承载力验算，得出了在不同工况下应对钢栈桥及钢管桩基础的设计要点。

2 工程概况

凤翔洲景观云桥桥梁总长1935.01m。主桥总长1121.88m，包括南桥、中栈桥、北桥三部分，南主橋跨衢江南侧支流及衢江航运主航道，长409.16m;中栈桥为凤翔洲洲头空中栈道，长361.52m;北桥跨衢江北侧支流，长354.2m。引桥和匝道总长为810.13m，包括南引桥132.16m、南匝道228.93m、中匝道168.77m、北引桥145.74m及北匝道134.53m。

沿线场地范围内地基土自上而下可划分为四个工程地质层，各岩土层分布情况如下：（1）素填土（Q4ml）;（2）卵石（Q4pl）;（3）中风化泥质粉砂岩（K）;（4）中风化砂砾岩（K）。

2.1 工程设计荷载

施工钢栈桥主要需满足施工阶段重型设备及材料运输的需要，如桩基施工阶段大型旋挖机、履带吊、大直径钢护筒及钢筋笼转运等，施工荷载主要选取以下几类典型工况：

轮式荷载：12m3砼罐车，最大装载9m3混凝土=9×2.4t=21.6t;混凝土搅拌车自重25t。总荷载为46.6t。

履带荷载：150t履带吊自重及配重128.362t+最大吊重56t（考虑现场代表性的最大荷载车辆）。

钢栈桥最大承受组合荷载：150t履带吊+钢箱梁运输车+最大起吊物（梁重）=128.362t+20t+56t=204.362t。

2.2 栈桥设计

钢栈桥主要采用H型钢布置，设置在墩位上游侧，与桥梁轴线平行，结构形式为13×6m+3m，总长81m。栈桥采用水中打钢管桩基础，上设双拼I56a承重梁，主纵梁采用20根H400×400×13×21型钢，间距按600mm布置;纵梁上铺设桥面板。桥面采用20cm厚专用桥面钢板，车道两侧设1.2m高防撞护栏，护栏立杆采用I10工字钢，纵向间距为1.5m，横杆采用48mm钢管，单侧护栏上下设置2道，下杆离桥面高0.4m，栏杆统一设置为红白相间的颜色;栈桥梁底面工程为42.66m，桥面高程为43.08m（见图1）。

3 钢栈桥结构受力分析

3.1 计算模型

根据现场实际情况考虑，在设备行走和吊装时，最多占用两跨距离，因此建立两跨力学模型，进行结构计算（见图2）。

3.2 荷载计算

计算荷载钢栈桥所受荷载分恒载和活载。

3.2.1 恒载计算

恒载为结构自重，采用MIDAS软件自动计算输入。

3.2.2 活载计算

设计考虑在指定车道1（車道宽9m）通行150t履带吊，指定车道2（车道宽3m）通行运梁车和混凝土罐车。

3.2.3 荷载组合

根据架梁时实际施工工况，分为不同加载工况，考虑基本组合=1.2×自重+1.4×活载：

工况1（车道1单独通行150t履带吊）工况2（车道2单独通行运梁车），工况3（150t履带吊和运梁车分别在车道1和车道2同时通行）具体尺寸如图3、4。

3.2.4 不同工况荷载下的结构计算

将以上三种不同工况作为最不利荷载，利用Midas civil分别对钢栈桥的桥面板、纵向分配梁、双I56a横梁上的正应力、剪应力及变形进行的模型计算，工况1结果如图5所示。

由图5可知，桥面板在工况1荷载作用下的最大正应力为79.5MPa<[σ]=180MPa，满足结构抗弯强度要求。

依次作上述工作将计算结整理后如表1所示。

由表1可知在不同工况下桥梁上部各结构均满足受力要求。

3.3 钢管立柱计算

3.3.1 水压力计算

钢栈桥钢管立柱位于衢江中，受潮汐和水流影响，水压力将处于实时变动中，因此要考虑动水压力影响（见图6）。

根据《港口工程荷载规范》（JTS 114-1-2010）动水压力公式[10]：

F-水流压力作用（kN）;υ-水流设计速度（m/s），现场实测最大流速1.4m/s;ρ-水的密度（t/m3），淡水取1.0;A-钢管桩结构与流向垂直平面上的投影面积（m2）;Cw-水流阻力系数，《根据港口工程荷载规范》，圆形取0.73;钢管桩迎水侧水流力考虑采用倒三角分布，即上式水流力作用点作用于水面下1/3水深处。钢管水流压力F=1.4×0.73×1/2×1.42×0.53×6.309=3.34kN

3.3.2 钢管立柱强度计算

参照《钢结构设计规范》GB50017-2017，8.1.1-1条[11]。

压弯构件强度计算公式：

603000/16336+5340000/1.15/2804420=38.57MPa<[f]=215MPa，满足强度要求。

3.3.3 钢管立柱稳定性计算

参照《钢结构设计规范》GB50017-2017，8.2.1-1条。

压弯构件稳定性计算公式：

603000/0.707/16336+1×5340000/[1.15×2084420×（1-0.8×1.4×603000/3657695）]=54.94MPa<【f】=215MPa，满足稳定性要求。

3.3.4 钢管立柱单桩承载力计算（图7、表2）

单桩竖向承载力

侧阻计算：Qsk=2119.27（kN）

端阻计算：

ζr×frk×Ap=1.4503×10330.0000×0.2206=3305.26

最后端计算：Qpk=3305.26（kN）

单桩竖向极限承载力标准值：Quk=3305.26+2119.27= 5424.53（kN）

单桩竖向承载力特征值：Ra=Quk/2=2712.266（kN）>603kN，满足单桩承载能力要求。

3.3.5 钢栈桥纵向稳定性验算

根据现场实际施工情况取运梁车（20t+56t=76t）行驶到第一跨的最不利状态进行计算。

每根钢管立柱分配的制动力为：P1=1.4×760/2×5×30%=31.9kN

单桩水平承载力根据《桩基规范》5.7.2第6款（式5.7.2-2）计算：

式中：桩的水平变形系数α=0.634（1/m）;

桩身抗弯刚度EI=113788.335（kN·m2）;

桩顶水平位移系数Vx=2.441;

单桩水平承载力特征值Rha=89.092（kN）>P1=31.9kN。

故钢栈桥纵向稳定性满足规范要求。

4 结论

通过对凤翔洲景观云桥工程北桥水中钢栈桥及临时支撑钢管桩基础工程的施工，可以得出以下结论：

（1）钢栈桥是水中桥梁施工重要的临时结构，需综合考虑工程地质、水文情况、场地条件、施工工期、工程造价等方面的因素确定其结构形式、跨度、净空、建筑高度等参数，确保其承载能力、刚度、稳定性符合要求。施工时要严格按设计要求进行。

（2）经分析计算，在上述三种最不利荷载下，利用Midas分别对钢栈桥的桥面板、纵向分配梁、双I56a横梁上的正应力、剪应力及变形进行的计算结果，选取最不利钢管立柱为第2排左侧第二根钢管计算钢管桩所受到的水压力、单桩立柱稳定性、承载力及纵向稳定性计算结果显示，在保证各构件连接完好的前提下，钢栈桥各主要受力构件强度、刚度、稳定性均满足要求。

参考文献：

[1]李垚，卢勇，关成元，等.浅覆盖地层钢栈桥施工技术[J].公路工程，2013，38（05）：249-253+286.

[2]伊凯.深水急流裸岩钢栈桥施工技术研究[J].铁道建筑技术，2016（02）：17-21.

[3]任加亮.钢栈桥在深水施工中的设计与应用[J].城市道桥与防洪，2014（09）：195-199+23.

[4]王雪元.桩底锚固技术在钢管桩栈桥施工中的应用[J].北方交通，2013（07）：65-67.

[5]Weining Sui，Hang Li，Qiang Zhang，et al. Hysteretic Mechanical Behaviour of an Eccentrically Loaded Partially-Concrete-Filled Steel Tubular Bridge Pier under Out-of-Plane Horizontal Cyclic Loading[J]. KSCE Journal of Civil Engineering，2020，24（10）：1509-1523.

[6]封帆.超长钢管桩施工栈桥受力分析研究[D].重庆交通大学，2018.

[7]张小鹏，万齐龙.施工用型钢栈桥设计与施工及监测[A].江苏省综合交通运输学会公路分会.2019年泛长三角公路发展论坛论文集[C].江苏省综合交通运输学会公路分会：江苏省公路学会，2019：9.

[8]史双涛，上官长城.临时钢栈桥在车辆荷载作用下的动力响应[J].公路交通科技（应用技术版），2019，15（05）：221-224.

[9]Yanguo Hou，Zhanjie Li，Shihua Ni，et al. Structural responses of a modular thin-walled steel trestle structure[J]. Journal of Constructional Steel Research，2019，158：520-521.

[10]JTS 114-1-2010 港口工程荷載规范[S].

[11]GB50017-2017 钢结构设计规范[S].