郑州黄河特大桥主桥临时墩结构设计研究*
2021-11-10黄彩萍甘书宽翟凯凯
黄彩萍 林 琦,2 甘书宽 翟凯凯
(1.湖北工业大学土木建筑与环境学院 武汉 430068； 2.中铁大桥局集团第一工程有限公司 郑州 450053)
临时墩结构大多用于大跨度桥梁，在主桥没有合龙之前相当于“桥墩”，用于承载塔吊、拼装机械的安装，以及各种施工材料与设备的重量[1-2]。临时墩可以在桥梁顶推架设、悬臂拼装时，减小梁的悬臂长度，改善梁的受力状态，满足梁体抗倾覆稳定的要求的同时不影响江河中船舶的运行[3-4]。临时墩结构将特大型跨江海桥梁施工建设推向了一个崭新的高度。
郑州黄河特大桥为大跨度公铁两用桥梁，水文地质条件较差，主桥钢桁梁数量多，跨数多，结构形式多样，结构受力复杂，采用悬臂拼装法架设时设置了若干临时墩作为临时支撑点进行施工，施工难度较大，没有可借鉴的先例，且临时墩结构的安全可靠性直接关系到整个桥梁施工过程的顺利进行，对整个桥梁施工过程起着关键的作用[5-6]。因此本文对郑州黄河特大桥临时墩的设计方案和施工工艺进行研究，根据大桥受力状态和施工方案设计临时墩，并对临时墩进行受力分析，对临时墩结构的强度、刚度、稳定性进行验算。
1 工程概况
郑州黄河特大桥全长4 336 m，为公铁两用桥，主桥桥梁孔跨布置为：112 m+6×168 m+112 m连续钢桁梁。
其中112 m+6×168 m+112 m连续钢桁梁采用悬臂拼装法架设，利用龙门吊吊装钢桁梁杆件，分别以382号墩、2个交界墩378、386号墩为架梁起点，在跨径范围内设置若干临时墩作为临时支撑点。主桥示意图见图1。主桥全部的临时墩均采用分配梁+钢管桩立柱的结构形式，钢管桩外径1 100 mm、壁厚14 mm。
图1 112 m+6×168 m+112 m连续钢桁梁
2 临时墩结构设计及施工工艺
临时墩由钢管桩、墩顶分配梁组成[7]，对应节点布置，根据各临时墩受力情况设计管桩数量，钢管桩之间设置连接系，增加拼装平台刚度。临时支墩布置示意图见图2。钢管桩加工制作完成后，精确定位，利用履带吊机配合振动打桩锤插打钢管桩，钢管桩插打到位后设置连接系。为防止钢管桩插打过程中下口变形卷曲，影响插打深度，钢管桩均采用开口桩，并在底端增加1道加强箍，以增大钢管桩的刚度及桩端承载力。
图2 临时支墩布置示意图(单位：mm)
钢管桩安装完成后在钢管桩上面焊接分配梁。分配梁将节点集中力均匀分配至支架各个柱脚的结构体系。根据设计荷载的差异，分配梁设计为箱形梁及工形梁2种截面。分配梁均采用简支结构，通过多层分配将力传至各钢桩上。分配梁安装时按照设计位置放线，单根分配梁将位置调整后再安装连接系杆件。上、下层分配梁之间设计通过螺栓连接或施焊固定，下层分配梁固定好后再安装上层分配梁。
3 临时墩受力分析
3.1 荷载计算
临时墩设计荷载需考虑钢桁梁传递来的压力、自重、风力、水流冲击力等作用，以及安全渡洪的要求。按荷载方向分类，临时墩在郑州黄河特大桥施工过程中主要承受竖向荷载和水平荷载[8-9]。
1) 竖向荷载。表1列出了郑州黄河大桥主桥临时支墩施工过程中的最大竖向荷载，临时墩以382号墩为对称轴镜像布置，因此A～E与A’～E’的受力相同，临时墩布置见图1。
表1 临时墩竖向荷载值 kN
2) 水平荷载。临时墩在施工过程中承受水平荷载主要为水流力荷载(仅水中的临时墩)、风荷载、摩擦力。
①水流力荷载。根据相关水文资料，黄河平均水流速2.0 m/s，调水调沙期间的最大水流速3.5 m/s，水流力标准值按式(1)计算。
(1)
式中：Fw为水流力标准值，kN；Cw为水流阻力系数，钢管桩为圆形截面，取 0.73；ρ为水密度，取1.0 t/m3；v为水流设计流速，取3.5 m/s；A为计算构件在与流向垂直平面上的投影面积，临时墩范围内的最大水深为 4.54 m，A=4.994 m2。将以上参数代入式(1)计算可得：水流力标准值Fw=22.3 kN。
②风荷载。静风荷载按式(2)计算。
(2)
式中：ρ为空气密度，取1.25 kg/m3；vg为28.7 m/s ；CH为阻力系数，圆形截面取 0.6 ；An为迎风面积22 m2。将以上参数代入式(2)计算可得：风荷载FH=6.8 kN。
③摩擦力。由于钢桁梁自重及施工荷载对临时墩墩顶与钢桁梁底接触面产生摩擦力，摩擦系数取0.035。摩擦力=13 563.2 kN×0.035=474.7 kN，作用点取分配梁F1顶面。
3.2 数值计算
临时墩A/B/C/C1/D/E/F1的结构形式相同，其中A墩所受竖向荷载最大，且为涉水临时墩，相比较于其他临时墩，施工安全稳定性要求最高。故采用有限元ABAQUS对临时墩A进行受力分析。
有限元模型图见图3，临时墩A上层分配梁为分配梁F1，下层分配梁为分配梁F2，对桩底固定约束。分别对4根钢管桩、分配梁F1和分配梁F2进行受力分析。根据GB 50017-2017 《钢结构设计规范》(以下简称《规范》)[10]，钢材的强度容许值见表2，挠度容许值取l/400，l为受弯构件的跨度，悬臂结构为悬臂长度的2倍。
图3 有限元模型图
表2 钢材的强度容许值
3.2.1临时墩钢管桩的计算
全部临时墩钢管桩的桩径、壁厚、材质均相同，采用Q235B圆形钢管，壁厚14 mm，长度为6 m。在最不利的荷载组合条件下进行计算。
1) 桩身强度计算。钢管桩按照压弯构件计算。竖向力荷载：F=13 563.2 kN(取A墩中桁的竖向荷载值)，4根桩承担，竖向荷载作用于分配梁1跨中。水平荷载：流水力22.3 kN作用在分配梁2跨中，风荷载值6.8 kN作用在分配梁2跨中，摩擦力作用在分配梁F1的上表面，此工况为临时墩受力最不利情况。
有限元计算的钢管桩应力图见图4，桩身最大应力163 MPa<[σ]=170 MPa ，满足要求。
图4 临时墩A钢管桩应力图(单位：MPa)
2) 桩身稳定性计算。根据《规范》，对桩身进行稳定性计算，得到绕X轴的稳定应力：φx=168 MPa<[σ]=170 MPa；绕Y轴的稳定应力：φy=158 MPa<[σ]=170 MPa；桩身稳定性满足《规范》要求。
3.2.2分配梁F1受力分析
1) 强度。分配梁F1采用Q235B钢材的焊接箱型截面，截面参数见图5，图中N5为加劲肋，加劲肋和腹板的厚度均为20 mm，计算所得的弯应力图见图6，剪应力图见图7。最大竖向荷载F=13 563.2 kN(取A墩中桁的竖向荷载值)，计算跨度l1为3 m，按照承受集中荷载的简支梁计算。
图5 分配梁F1的截面参数(单位：mm)
图6 分配梁F1截面弯应力图(单位：MPa)
图7 分配梁F1截面剪应力图(单位：MPa)
分配梁F1的强度、刚度的计算结果如下：①弯应力σ=97.7 MPa<[σ]=160 MPa；②剪应力τ=79.2 MPa<[τ]=90 MPa；③最大跨中竖向绕度f=0.31 mm 2) 整体稳定性。根据《规范》要求：箱型截面简支梁，如果其截面尺寸满足：h/b≤6，l1/b≤95×235/fy，其中：h为梁高；b为梁宽。 分配梁 F1：h/b=2 200 mm/1 500 mm=1.47≤6，l1/b=3 000 mm/1 500 mm=2≤95，满足要求。 3) 局部稳定性。受压翼缘宽厚比的要求：b0/t≤40。分配梁 F1：b0/t=750 mm/20 mm=37.5≤40，满足要求，其中：b0=b/2=750 mm；t为钢板的厚度，取20 mm。 《规范》对加劲肋间距要求：横向加劲肋的最小间距为0.5h0=0.5×2 160 mm=1 080 mm，最大间距为2h0=2×2 160 mm=4 320 mm。分配梁F1横向加劲肋的最大间距为850 mm，小于0.5h0，满足要求。 3.2.3分配梁F2计算结果 1) 强度。分配梁F2采用3根HN900×300型钢组焊，截面参数设置见图8，计算所得的弯应力图见图9，剪应力图见图10。 图8 分配梁F2的截面参数(单位：mm) 图9 分配梁F2截面弯应力图(单位：MPa) 图10 分配梁F1截面剪应力图(单位：MPa) 最大竖向荷载F=13 563.2/2=6 781.6 kN(取A墩中桁的竖向荷载值的一半)，计算跨度l1为3 m，顶底板及腹板厚30 mm，按照承受集中荷载的简支梁计算。强度、刚度的计算结果如下。 1) 弯应力σ=120 MPa<[σ]=160 MPa；剪应力τ=71.3 MPa<[τ]=90 MPa；最大跨中竖向绕度f=0.91 mm 2) 整体稳定性。根据《规范》要求：如果其截面尺寸满足：h/b≤6，l1/b≤95×235/fy。其整体稳定性满足要求。分配梁F2:h/b=2 060 mm/2 090 mm=0.99≤6，l1/b=3 000 mm/2 090 mm=1.44≤95，满足要求。 3) 局部稳定性。受压翼缘宽厚比的要求：b0/t≤40。分配梁F2：b0/t=1 045 mm/30 mm=34.8≤40，满足要求。 本文结合郑州黄河特大桥主桥的设计及施工，探索了临时墩特有的施工工艺，包括临时墩钢管桩施工以及分配梁的安装；并结合有限元分析软件ABAQUS对主桥临时墩结构进行了受力性能和稳定性分析。计算结果如下。 1) 临时墩的钢管桩最大应力163 MPa<[σ]=170 MPa ，桩身强度满足要求。 2) 临时墩的钢管桩绕X轴的稳定应力：φx=168<[σ]=170 MPa，绕Y轴的稳定应力：φy=158<[σ]=170 MPa，桩身稳定性满足规范要求。 3) 分配梁F1和F2的强度、刚度及稳定性设计值在规范要求以内，满足设计要求。 郑州黄河特大桥主桥采用了上述的临时支墩顺利地完成了施工任务，保障了施工时结构的稳定与安全，说明上述数值模拟方法真实有效，可以作为临时支墩计算的参考。
4 结语
