五里亭大橋鋼棧橋模型建立及穩(wěn)定性驗(yàn)算分析

■陳 輝

（南平市公路局順昌公路分局，順昌 353200）

1 工程概況

1.1 橋梁工程情況

五里亭大橋位于國(guó)道528順昌縣煥仔坑至五里亭公路工程終點(diǎn)處，橫跨金溪，橋梁起點(diǎn)樁號(hào)K2+816，終點(diǎn)樁號(hào)K3+103，橋梁全長(zhǎng)287m。為進(jìn)行五里亭大橋施工，需在路線跨越金溪修建棧橋一座，棧橋?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)橋跨為3m+9m+單聯(lián)[1 跨×12m+3m（制動(dòng)墩）]×14 聯(lián)+3m，共計(jì)225m長(zhǎng)，橋面寬5m。在棧橋兩端設(shè)置橋臺(tái)。主棧橋線型按擬建五里亭大橋線型布置。每個(gè)墩采用雙排二根共四根Ф529×10mm鋼管樁支撐，棧橋縱橫方向均采用[16a槽鋼作為剪刀撐。棧橋兩頭設(shè)置C25砼橋臺(tái)防止鋼管樁受側(cè)向壓力，橋臺(tái)與便道相接，橋臺(tái)與棧橋間設(shè)置2cm伸縮縫，橋臺(tái)尺寸為8m×1m×2.76m，橋面高程與鋼平臺(tái)高程一致為120.30m。

連續(xù)梁縱梁采用6排貝雷梁，采用90支撐架連接，其間距沿貝雷梁方向3m一道，增強(qiáng)貝雷梁整體穩(wěn)定性。樁頂橫梁采用2根I40a工字鋼，限位槽鋼5m通長(zhǎng)與240mm短邊連接板與樁頂Ⅰ40a工字鋼焊接，限制貝雷梁的滑動(dòng)；定位槽鋼與Ⅰ25a工字鋼分配梁焊接成整體，形成整體橋面板，整體橋面板擱置在貝雷梁上，槽鋼兼起左右限位作用，防止Ⅰ25a工字鋼分配梁左右滑動(dòng)。Ⅰ25a工字鋼作為分配梁，中心間距30cm，橋面滿鋪1cm厚的鋼板。貝鋼棧橋設(shè)計(jì)僅允許同時(shí)通過(guò)一輛車，主要通過(guò)的車輛設(shè)備為砼料運(yùn)輸車（車重35t+水泥重25t=60t）、汽車吊 25t（自重 31t+吊重 25t），行駛速度小于 5km/h。

1.2 工程水文及地質(zhì)情況

本項(xiàng)目橋址區(qū)內(nèi)穿過(guò)金溪，溪寬約180～210m，水深約 3.0～6.5m，流速約 1.0～1.5m/s，受上游水流沖刷影響，地表覆蓋層全部被沖刷掉，河底直接出露侏羅系梨山組的炭質(zhì)炭質(zhì)粉砂巖及其風(fēng)化層，根據(jù)勘察其間觀測(cè)的河水水位標(biāo)高分別為：最高河水位：115.70m，最低河水位114.74m，主要受降雨及上游水電站泄水影響。

橋址區(qū)河底直接出露侏羅系梨山組的炭質(zhì)粉砂巖（J1lS1b）、震旦系麻源群云母石英片巖（AnZjn2c）及其風(fēng)化層，基巖風(fēng)化層中見(jiàn)散體狀強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)粉砂巖巖軟弱夾層、孤石分布。工程地質(zhì)條件為較復(fù)雜。從上到下各層依次為：（1）⑨-1 全風(fēng)化炭質(zhì)粉砂巖（J1lS1b）：深灰色、灰黑色，為巖石風(fēng)化成因。該層主要分部于河床上層，層厚約 0.2～1.5m。（2）⑨-2 全風(fēng)化云母石英片巖（AnZjn2c）：褐灰色，為巖石風(fēng)化成因。該層主要分部于河床上層，層厚約 0.1～1.8m。（3）⑩-1散體狀強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)粉砂巖（J1lS1b）：深灰色，灰黑色，為巖石風(fēng)化成因，母巖系炭質(zhì)粉砂巖。該層主要分部于河床下層，居于全風(fēng)化巖層之下，層厚約1～8m。（4）⑩-2碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)粉砂巖（J1lS1b）：深灰、灰黑色，為巖石風(fēng)化成因，母巖系炭質(zhì)粉砂巖。該層主要分部于河床下層，居于全風(fēng)化巖層之下，層厚約 1～8m。

2 棧橋總體施工方案

鋼棧橋設(shè)計(jì)荷載為砼罐車單車道行駛及25t汽車吊工作荷載設(shè)計(jì)，棧橋設(shè)計(jì)時(shí)速為5km/h，縱向行車間距不小于12m。主棧橋橋面寬度5m，設(shè)計(jì)基本孔徑12m，全橋設(shè)置每跨設(shè)3m制動(dòng)墩。鋼棧橋及平臺(tái)施工時(shí)將各種鋼材加工場(chǎng)和小件拼裝等設(shè)在兩頭河岸堤壩旁施工生產(chǎn)區(qū)內(nèi)。鋼棧橋及平臺(tái)鋼管樁采用25t汽車吊和振動(dòng)錘配合，逐孔施打下沉，上部結(jié)構(gòu)架設(shè)采用“釣魚法”施工，逐孔架設(shè)，施工平板運(yùn)輸車運(yùn)輸鋼管樁及各種型鋼、橋面板等。主棧橋全長(zhǎng)225m，棧橋兩側(cè)欄桿采用Φ48×3.5鋼管作為立柱和扶手，立柱間距300cm，立柱高1.2m，棧橋兩端設(shè)置砼橋臺(tái)，全橋共設(shè)制動(dòng)墩14個(gè)。棧橋設(shè)計(jì)圖橫斷面及材料構(gòu)成圖如圖1。

為了增加鋼棧橋在流水壓力和風(fēng)荷載的作用下的橫向穩(wěn)定性，相鄰鋼管樁通過(guò)槽鋼焊接，貝雷片底設(shè)置限位槽鋼聯(lián)接，貝雷片頂設(shè)置限位槽鋼連接，以增加整體剛性。為保證結(jié)構(gòu)要求，其入土深度應(yīng)穿過(guò)覆蓋層至巖層頂面，且同一制動(dòng)墩4根橫向間距為4m及縱向3m間距的鋼管樁橫向在同一軸線上。

圖1 棧橋設(shè)計(jì)圖橫斷面（單位：cm）

3 設(shè)計(jì)荷載及計(jì)算原則

3.1 荷載作用

（1）結(jié)構(gòu)自重

鋼結(jié)構(gòu)自重由軟件按照容重78.5kN/m3自動(dòng)計(jì)算。

（2）混凝土運(yùn)輸車

按12m3砼罐車，自重60t，按公路-Ⅰ級(jí)車輛布置，考慮砼罐車在棧橋一側(cè)及中間分別驗(yàn)算。

（3）50t履帶吊

50t級(jí)別的履帶吊，容許吊重20t。50t履帶自行式起重吊車參數(shù)：自重按50t計(jì)，計(jì)算履帶作用長(zhǎng)度5150 mm，履帶寬度760mm，中對(duì)中距離4000 mm。容許吊重200kN，在吊重時(shí)，履帶吊總重700kN。

（4）汽車吊荷載

上式中，K為橋墩形狀系數(shù)，K=0.8；γ為水重力密度，γ=10kN/m3；V 為設(shè)計(jì)速度，V=1.5m/s；g 為重力加速度，g=10m/s2；A為橋墩阻水面積，計(jì)算至一般沖刷線處。

3.2 設(shè)計(jì)荷載組合

設(shè)計(jì)荷載組合有6種：組合1—恒載+履帶吊施工荷載；組合2—恒載+履帶吊行走荷載；組合3—恒載+混凝土罐車走一側(cè)；組合4—恒載+混凝土罐車走中間；組合5—恒載+汽車吊側(cè)方吊荷載；組合6—恒載+汽車吊后方吊荷載。

3.3 設(shè)計(jì)計(jì)算原則

根據(jù) 《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范 》（JTG D64-2015）中臨時(shí)結(jié)構(gòu)材料允許應(yīng)力取值提高1.30，模型建立時(shí)考慮舊材料折減系數(shù)0.8，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算采用允許應(yīng)力法。

按徐工25t汽車吊在棧橋上側(cè)方吊、后方吊工作驗(yàn)算。

（5）水流力荷載

水流壓力沿一般沖刷水深按三角形分布施加在迎水面，計(jì)算如公式（1）。

4 模型建立與分析

4.1 模型建立

采用MIDAS CIVIL 2012進(jìn)行空間梁?jiǎn)卧治?，縱向選取2跨一聯(lián)作為計(jì)算模型，計(jì)算模型如圖2所示。橋面板采用板單元，分配梁、貝雷架、主橫梁、鋼管樁采用梁?jiǎn)卧舻稉蔚壤Y(jié)件采用桁架單元模擬，總計(jì)2698個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)1671個(gè)。

4.2 計(jì)算模型分析

4.2.1 上部結(jié)構(gòu)變形分析

由表1和圖3可知，在組合5工況作用（自重和汽車吊側(cè)方工作）下，最大位移量為7.107mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 結(jié)構(gòu)位移量表（mm）

4.2.2 主要構(gòu)件應(yīng)力分析

由表2和圖4可知，在組合工況下，橋面板最大應(yīng)力為34.0MPa，橋面分配梁最大應(yīng)力57.8MPa，貝雷架最大應(yīng)力為230.5MPa，主橫梁最大應(yīng)力為45.8MPa，均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 計(jì)算模型

圖3 結(jié)構(gòu)豎向變形（mm）

圖4 各主要構(gòu)件最大應(yīng)力（MPa）

圖5 橋墩鋼管樁最大支反力（kN）

表2 主要構(gòu)件應(yīng)力（MPa）

4.2.3 鋼管樁反力分析

由表3和圖5可知，在組合工況下，單樁反力最大值374.1kN。

4.3 鋼管樁及樁基穩(wěn)定計(jì)算分析

4.3.1 持力層計(jì)算參數(shù)

表3 橋墩鋼管樁最大支反力（kN）

根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)地質(zhì)資料，以及現(xiàn)場(chǎng)管樁試樁土層揭露顯示：地表覆蓋層全部被沖流掉，河底直接出露侏羅系梨山組的炭質(zhì)炭質(zhì)粉砂巖及其風(fēng)化層，土層主要為 （岸邊）人工填土（Q4ml），下伏為侏羅系梨山組的炭質(zhì)粉砂巖（J1lS1b）、震旦系麻源群云母石英片巖（AnZjn2c）及其風(fēng)化層，河床中棧橋管樁可以振動(dòng)貫入全風(fēng)化層 （層厚0.1～1.8m），部分可以貫入強(qiáng)風(fēng)化層0.5m左右。

為鋼棧橋進(jìn)行安全儲(chǔ)備，樁基鋼管樁持力層選取碎石狀極軟巖（Raj＜5MPa，σ0=400～800kPa），選取 σ0=400kPa。

碎石狀極軟巖按碎石土的極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值為160～400kPa，為了安全儲(chǔ)備，統(tǒng)一取160kPa，并乘以 0.8的折減系數(shù)后，以128kPa極限摩阻力值對(duì)鋼管樁入土深度進(jìn)行計(jì)算。

4.3.2 樁基承載力計(jì)算

樁基組合后最大反力設(shè)計(jì)值為374.1kN。

Φ529 鋼管每米的表面積為：S=πDh=3.14×0.529×1=1.661m2。

圓礫土層中每米Φ529鋼管所產(chǎn)生的摩擦力為：F=PS=128×1.661=212.6kN。

取每根樁的荷載為384.5kN，則鋼管樁進(jìn)入泥質(zhì)粉沙巖的深度為：L=374.1/F=374.1/212.6=1.8m，即進(jìn)入一般沖刷線以下不少于1.8m的深度，樁基樁底進(jìn)入一般沖刷線以下不小于1.8m即可滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3.3 鋼管樁強(qiáng)度計(jì)算

（1）在以上組合最不利荷載作用下，鋼管樁樁身組合應(yīng)力最大值41.1MPa，如圖6；在50t級(jí)別的履帶吊制動(dòng)力荷載作用下，鋼棧橋鋼管樁樁身應(yīng)力最大值44.3MPa；樁身強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 橋墩組合工況下鋼管樁樁身應(yīng)力（MPa）

（2）在50t級(jí)別的履帶吊制動(dòng)力荷載作用下，制動(dòng)力選取履帶吊工作自重700kN×10%=70kN，鋼棧橋鋼管樁最大反力7.3kN，如圖7所示：

圖7 橋墩制動(dòng)鋼管樁反力（kN）

（3）在50t級(jí)別的履帶吊制動(dòng)力荷載作用下，并組合履帶吊自重后，鋼棧橋鋼管樁樁身應(yīng)力44.3MPa，如圖8。

圖8 橋墩制動(dòng)鋼管樁樁身應(yīng)力（MPa）

4.3.4 鋼管樁穩(wěn)定計(jì)算

由支反力模型中知，在最不利荷載作用下，樁基組合后最大反力設(shè)計(jì)值為374.1kN。Φ529×10mm鋼管樁自錨固點(diǎn)到貝雷梁底面的最大長(zhǎng)度為8.5m，按一端嵌固，一端鉸支計(jì)算壓桿穩(wěn)定，長(zhǎng)度系數(shù)μ=0.7。

Φ529×10mm 鋼管樁截面面積為 A=163.049cm2，i=18.352，故壓桿長(zhǎng)細(xì)比查a類截面軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)φ=0.958。

故Φ529×10mm鋼管樁壓應(yīng)力：

由歐拉臨界應(yīng)力：

壓桿維持直線平衡無(wú)彎曲屈曲，樁身穩(wěn)定滿足設(shè)計(jì)要求。

4.4 整體抗傾覆穩(wěn)定分析

4.4.1 穩(wěn)定性分析

整體抗傾覆穩(wěn)定分析主要考慮結(jié)構(gòu)自重和橫向水流力荷載。樁底反力分布如圖9。

由圖9可見(jiàn)，從反力分布上，橫向水流力和自重組合下不會(huì)發(fā)生橫向傾覆失穩(wěn)，因?yàn)闃痘撞烤霈F(xiàn)受壓狀態(tài)，最小壓力為18.4kN，沒(méi)有失穩(wěn)危險(xiǎn)。

棧橋1聯(lián)3m+9m+3m自重反力合計(jì)為373.0kN（模型鋼材用量指標(biāo)為497.3kg/m2），抗傾覆力臂為2m；單樁水流力為4.05kN，1聯(lián)共計(jì)4根樁，傾覆力臂為5.67m（計(jì)算樁長(zhǎng)8.5m），鋼管樁不計(jì)樁底抗拔力，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為8.1。施工期抗傾覆安全系數(shù)允許值為1.2，滿足穩(wěn)定要求。

圖9 橋墩鋼管樁支反力（kN）

4.4.2 考慮風(fēng)速穩(wěn)定性分析

考慮風(fēng)速影響，以及實(shí)際施工棧橋在極端天氣中停止使用的狀況，棧橋僅考慮水流及風(fēng)力作用下的抗傾覆穩(wěn)定，因此根據(jù) 《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D60-01-2004）施工水位以上橫橋向風(fēng)荷載可按下列公式計(jì)算：

按上式，結(jié)合查詢福建省順昌縣常年風(fēng)速數(shù)據(jù)，選取風(fēng)速為順昌10年重現(xiàn)期14.3m/s，空氣密度1.25kg/m3，風(fēng)阻系數(shù) CH為 1.7，遮擋系數(shù)為0.80，梁高 H=1.5m，因此每片貝雷架橫向風(fēng)荷載為0.261kN/m。

1聯(lián)跨18m主棧橋抗傾覆驗(yàn)算：風(fēng)荷載傾覆力矩為0.261kN/m×18m×6×8.5m=240kN·m； 水流力傾覆力矩為：4.05×4×5.67m=92kN·m； 結(jié)構(gòu)自重抗傾覆力矩：373.0×2.0m=746kN·m。

因此，施工期間百年一遇洪水期水流速度為1.5m/s時(shí)，同時(shí)考慮風(fēng)速影響時(shí)，棧橋1聯(lián)18m在完全不考慮樁基抗拔力的情況下，抗傾覆安全系數(shù)為2.25大于施工期安全系數(shù)允許值1.2，滿足穩(wěn)定要求。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析可見(jiàn)，在最不利荷載組合下，棧橋各構(gòu)件強(qiáng)度及變形均滿足設(shè)計(jì)要求。為了確保鋼棧橋使用安全可靠，在施工時(shí)要保障鋼管樁入土深度，以滿足結(jié)構(gòu)承載力要求，另外鋼結(jié)構(gòu)接縫設(shè)置需滿足規(guī)范要求，焊縫飽滿。鋼棧橋施工的吊車作業(yè)時(shí)支腿應(yīng)盡量避開鋼管樁頂，如需支于該處，則其枕木總體面積應(yīng)大于結(jié)構(gòu)驗(yàn)算值，以利于施工荷載傳遞擴(kuò)散，減小應(yīng)力集中處數(shù)值。鋼棧橋施工屬于危險(xiǎn)性較大的工程，施工中除了按照正常的施工工藝組織實(shí)施外，著重做好上述各個(gè)方面的質(zhì)量控制對(duì)鋼棧橋成橋后的質(zhì)量能起到重要作用。另外使用過(guò)程中需要加強(qiáng)對(duì)鋼棧橋的位移沉降及變形的監(jiān)測(cè)。