白石大橋棧橋結構設計與有限元仿真分析

田福建

(中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300459)

1 工程概況

浙江樂清灣港區(qū)鐵路支線工程SG04標白石大橋，位于樂清市白石鎮(zhèn)境內(nèi)，中心里程DK31+842.46，起點里程DK31+627.15,終點里程DK32+077.79，橋梁全長450.64 m。由于橋位跨越新河浜，為八級通航河流，航向與水流方向與橋梁基本垂直，且3#～5#墩位于水中。為了進行水中墩樁基承臺及墩柱的施工，需在新河浜河中搭設棧橋輔助施工?？紤]通航要求，棧橋不全部貫通，首先在左岸(以河流流向為參考，小里程方向為左岸(側(cè))，大里程方向為右岸(側(cè)))至3#、4#墩線路左側(cè)搭設棧橋，施工3#、4#墩，留4#～5#墩約27.6 m航道；待3#、4#墩施工完成，拆除棧橋，搭設右岸～5#墩施工平臺，以確保通航要求。在承臺一側(cè)設置支棧橋，主要用于鋼板樁吊裝及輔助樁基施工，墩位上方設置鉆孔平臺，支棧橋在鉆孔平臺的順橋向后方布置1座，順橋向?qū)挾? m，橫橋向長度24 m，支棧橋及鉆孔平臺頂標高同主棧橋。

棧橋位置水文地質(zhì)情況如下：溫州為我國東南沿海臺風的主要登陸點之一，多年臺風統(tǒng)計頻率2.4次/a，瞬時最大風力達12級以上，瞬時風速可達40 m/s，定時最大風速達25 m/s。新河浜橋區(qū)測時水位+2.82 m，通航水位+3.00 m，百年一遇水位+4.90 m。橋區(qū)水下地形總體而言平坦，最大水深約4.06 m。擬建白石大橋所處位置地形平緩。橋址區(qū)地質(zhì)土層依次為：①淤泥層，厚度0.8 m；②淤泥質(zhì)粘土層，厚度1 m；③粘土層，厚度6 m；④中砂層，厚度9 m；⑤細圓礫土，厚度3 m。其中，淤泥及淤泥質(zhì)粘土具有強度低、高壓縮性、高靈敏度、高含水量、高孔隙比、易觸變等特性，工程性質(zhì)差，未見其它不良地質(zhì)現(xiàn)象。

2 棧橋結構設計與施工

2.1 棧橋結構形式

由于棧橋位于強風地區(qū)，風荷載對棧橋會產(chǎn)生很大的附加荷載，并且會導致棧橋主梁和鋼管樁的應力大幅增加，因此應盡可能減小迎風面積，以降低風阻，保證強風、臺風條件下棧橋結構的安全可靠。

常用的棧橋主梁有三種結構形式[1]：即型鋼、貝雷梁和六四軍用梁，通過對橫橋向迎風面積的計算，六四軍用梁橫橋向的迎風面積最大，其次是貝雷梁，最小的工字鋼(32a為例)。此外對于貝雷梁和軍用梁這種桁架結構，在臺風來作用時，由于風會從桁架較大面積透空處穿過，可能誘發(fā)風致振動，使得其位移增加，甚至產(chǎn)生扭曲，增加傾覆、墜落的風險。而對于型鋼結構，不僅迎風面積比較小，同時風致動力效應會相對較小。通過以上分析，采用工字鋼作為棧橋主梁比較合適，最終確定的棧橋結構自下而上依次為：①打入河床的鋼管樁(?478 mm×10 mm)，間距4 m，每排兩根，鋼管之間設置十字槽鋼([14a背靠背)作為連接系。②焊接的雙拼I40b橫梁，布置在鋼管上，在鋼管頂部開一個矩形槽，把雙拼I40b卡入槽中。為了防止局部應力過大，在開槽位置的鋼管外壁貼焊10 mm厚度的鋼板。③縱橋向I32a主梁，間距0.3 m。④橋面鋼板，采用厚度10 mm的花紋鋼板作為橋面。棧橋采用兩跨一聯(lián)，其橫斷面如圖1所示。

圖1 棧橋橫斷面(單位：m)

2.2 棧橋的施工工藝

根據(jù)以上棧橋的構造，其施工順序依次為：①打入螺旋鋼管樁。采用50 t履帶吊逐根打入河床，并焊接聯(lián)結系槽鋼。②吊裝橫梁。在每排鋼管樁上布置雙拼工字鋼橫梁，雙橫梁卡入鋼管頂部的槽中，并在每排鋼管樁的外側(cè)鋼管位置，將工字鋼下翼緣接觸位置與鋼管壁焊接，另一側(cè)鋼管位置則不焊接，保證橫梁在橫橋向自由伸縮。③吊裝主梁。在雙拼工字鋼橫梁上面布設縱橋向主梁，為保工字鋼主梁的穩(wěn)定性，在一聯(lián)梁的中間鋼管樁位置，將橫梁與縱向主梁滿焊連接；在一聯(lián)梁兩側(cè)邊墩的鋼管樁位置，橫梁與主梁則不焊接，只是對主梁的橫橋向設限位裝置，從而保證主梁不產(chǎn)生附加軸力。④鋪設橋面鋼板。縱向主梁上面鋪設花紋鋼板，橋面鋼板采用分塊鋪設，在鋼板與工字鋼翼緣板接觸位置焊接(縱橋向)，同時在橋面兩側(cè)焊接鋼管護欄。施工完一聯(lián)后，履帶吊在棧橋上前移進行下一聯(lián)梁作業(yè)，如此循環(huán)。

3 棧橋有限元仿真計算

3.1 荷載分析

荷載分析需要考慮棧橋的功能和施工現(xiàn)場的重車情況，通過分析施工現(xiàn)場的車輛情況，較重的車輛荷載包括以下兩種：

(1)12 m3混凝土罐車(攪拌車)按照車輛參數(shù)總重25 t，只能裝5～6 m3混凝土，考慮施工中有時存在嚴重超載，這里按照12 m3混凝土計算；罐車車體自重14 t，則滿載12×2.4 t+14 t=42.8 t，計算采用45 t的計算總荷載。罐車縱向3個軸重依次7 t、19 t、19 t，軸距為4 m、1.4 m，雖然車速較低，仍有一定沖擊，計算考慮1.1的沖擊系數(shù)。

(2)自重50 t的履帶吊，吊重20 t，按照總重70 t計算。計算時，取用標準的履-50荷載(履帶寬0.7 m，有效長度4.5 m，履帶中心距2.5 m)，考慮1.4的系數(shù)，實現(xiàn)70 t總重的荷載。起吊作業(yè)均應緩慢作業(yè)，不考慮沖擊系數(shù)。

最不利的荷載組合共兩種：荷載組合1，結構自重+罐車荷載；荷載組合2，自重+履帶吊作業(yè)時總重70 t。根據(jù)相關規(guī)范，計算時對結構自重采用1.2的分項系數(shù)，對活載(罐車、50 t履帶吊車)采用1.4的分項系數(shù)。

3.2 有限元模型的建立

為了準確計算棧橋的工作狀態(tài)，需要對棧橋進行模擬分析，雖然棧橋主梁結構簡單，可以按照單梁進行分析，但是橋上的移動荷載在20根主梁上的荷載分布很難準確計算，還需要確定活載的最不利位置，因此單梁計算分析存在很大限制。而建立橋面鋼板、主梁、橫梁和管樁的整體模型并直接施加荷載，則更能反映棧橋的實際工作狀態(tài)。顯然整體模型需要合理模擬鋼板與主梁、主梁與橫梁、橫梁與鋼管的接觸位置條件，保證棧橋工作狀態(tài)產(chǎn)生的位移與模型一致就尤為重要。

經(jīng)過細致分析和試算，最終建立的有限元模型中，橋面板使用薄板單元進行模擬，主梁和橫梁使用普通梁單元進行模擬，不建立鋼管樁單元，而是在鋼管樁位置設邊界條件，計算得到的反力施加在鋼管樁上，對鋼管樁進行單獨計算。對于不同構件接觸位置的交界約束模擬如下[2]：①橋面鋼板與縱向主梁之間。由于橋面鋼板與工字鋼主梁設置縱向焊縫，鋼板橫橋向可以自由產(chǎn)生線位移，所以在模型中板單元橫橋向中間的點與對應的主梁采用剛性連接來模擬焊接，其他接觸點采用一般連接，釋放橫橋向的相對位移，這樣保證橋面鋼板單元可在橫橋向向兩側(cè)自由伸縮，與結構相吻合。②主梁和橫梁之間。此二者接觸位置采用共用節(jié)點，由于在鋼管立柱位置設置一般支撐，在6個支撐中，其中一個為固定支座約束形式，其他支撐位置釋放相應的縱橫向線位移，從而保證了橫梁在順橋向、橫橋向均可自由變位，這樣實際上也就保證了主梁縱橋向可以自由伸縮、橫梁在橫橋向也可以產(chǎn)生自由變位。采用如上模擬，就可以保證棧橋主梁、橫梁的位移與實際工作狀態(tài)相吻合。整個計算模型梁單元共2 580個、板單元共2 400個。計算模型如圖2所示。

圖2 棧橋有限元模型

3.3 計算結果

對于混凝土罐車19 t重的兩個后輪作用在棧橋跨中(主梁受力最不利)、中墩上方(下橫梁受力最不利)兩種情況，單輪的輪胎作用面積為0.2 m×0.6 m，則鋼板的荷載集度為791 kN/m2；單個前輪35 kN作用面積0.2 m×0.3 m，鋼板的荷載集度583 kN/m2?？紤]到車輛不可能嚴格按照中線行駛，左右兩輪荷載在偏離橋面板中線0.5 m的板單元上加載。

對于70 t的履帶吊荷載，履帶吊總重700 kN，一側(cè)為350 kN，履帶作用面積4.5 m×0.6 m，兩側(cè)履帶的中心距2.5 m，換算成均布荷載為130 kN/m2。由于吊車作業(yè)不能偏心太多，因此按均布荷載偏離橋面板中線0.2 m位置的板單元上加載。

按照最不利位置加載，即將罐車的重軸、履帶吊車的履帶荷載分別施加在主梁的跨中、支座位置上方的橋面板單元上。加載計算后，最終荷載組合1的計算結果如圖3所示。

從圖3可以看出結構的最大正應力：σmax=145.45 MPa、160.4 MPa，均小于215 MPa。最大正應力位于中間橫梁(雙拼40b工字鋼)上，接近其中點的位置；最大剪應力：τmax=24.7 MPa、29.16 MPa，均小于 125 MPa，位于中間橫梁(雙拼40b工字鋼)上，臨近與鋼管接觸的位置。強度滿足要求[3]。

主梁的最大豎向位移(重軸作用在跨中)：13.24 mm

圖3 混凝土罐車不同作用位置棧橋計算結果

荷載組合2的計算結果為：結構的最大正應力σmax=166.9 MPa、183 MPa，均小于215 MPa。剪應力τmax=85 MPa、41.9 MPa，均小于125 MPa，滿足強度要求[3]。主梁的最大豎向位移(履帶在跨中)：14.67 mm

荷載組合2的最大應力和變形位置與荷載組合1基本相同。

3.4 鋼管計算

經(jīng)過對比結果，荷載組合2(自重+履帶)荷載作用在支座位置，反力最大，計算結果如圖4所示。該反力即為鋼管承受的豎向荷載。

圖4 最大反力計算結果(單位：kN)

從圖4可以看出，橫梁的最大豎向反力為380 kN。由于鋼管樁主要承受豎向壓力，即軸力控制設計，按照施工方案，鋼管打入時要求貫入力不小于450 kN>380 kN，顯然鋼管軸向承載力滿足要求。

4 結束語

結合白石大橋位于強風地區(qū)的工程實際，采用工字鋼作為主梁，設計施工了輔助水中墩樁基承臺及墩柱施工的棧橋。經(jīng)施工檢驗，該棧橋安全可靠，目前棧橋已經(jīng)拆除，順利完成了輔助橋梁施工的作用。