京哈高速公路拉林河特大橋鋼棧橋設計

石春龍

（中國市政工程東北設計研究總院有限公司 長春市 130021）

1 項目背景

項目為京哈高速拉林河（吉黑省界）至哈爾濱段改擴建工程（高速公路），既有拉林河大橋橋跨組合為：7×35m+8×35m，橋梁全長為531.12m，橋梁總寬為28m。改擴建后的拉林河特大橋共37孔，每跨35m，橋跨布置為6×（3×35m）+4×35m+5×35m，全橋長度1301.1m，橋梁角度為90°。橋梁寬度2×20.5m，最大橋高13m，橋梁全長1303.2m，上部構(gòu)造預應力混凝土簡支轉(zhuǎn)連續(xù)箱梁，橋墩為柱式墩，橋臺為肋板臺，基礎為鉆孔樁基礎，設計水位141.43m，設計流量6410m3／s。

拉林河特大橋上部結(jié)構(gòu)采用35m預應力混凝土簡支轉(zhuǎn)連續(xù)箱梁。橋跨橫向全寬42.0m，雙向共八車道。橋面橫向布置為：2×0.5m（防撞墻）+19.0m（行車道）+1.0m（防撞欄）+1.0m（分隔帶），兩幅橋?qū)ΨQ布置，橋面橫坡采用雙向2%。既有橋梁上部結(jié)構(gòu)全部拆除，新建引橋上部。原有橋梁下部結(jié)構(gòu)以利用為原則，16#、36#橋墩，37#橋臺為新建，其余墩臺均完全利用。利用橋墩先鑿除原有下部蓋梁部分，墩身接高后新建整體式橋墩蓋梁，實現(xiàn)新、舊墩臺下部的連接。

鋼棧橋設計標準跨度為12m，寬8m，采用樁柱式貝雷梁支承體系，右幅鋼棧橋跨度分布為3×（7×12m）m，左幅鋼棧橋跨度分布為7×12m+7×12m+6×12m。橋墩處采用鋼管樁樁基，每排鋼管之間的橫向距離為2.8m，鋼管樁直徑為800mm、厚度為10mm，鋼管間設置［22a的槽鋼剪刀撐和Φ300×6mm的鋼管平聯(lián)，樁頂橫梁為雙拼HN450×200工字鋼，貝雷梁采用雙排單層體系，其上的橫向分配梁為工20b工字鋼，橋面鋼板厚度為12mm。標準橫斷面如圖1所示。

2 計算模型

采用MIDAS／CIVIL軟件，建立一聯(lián)7×12m的計算模型，節(jié)點共8073個，單元共14332個，其中橋面板采用板單元，其余均采用梁單元。貝雷梁材料型號為Q345，其余鋼材為Q235［1］?？臻g有限元模型如圖2所示。

3 計算荷載

（1）恒荷載

自重荷載MIDAS／CIVIL軟件可以根據(jù)構(gòu)件的實際重量自動添加，自重按照恒荷載工況添加后和其他荷載組合計算。

（2）移動荷載

根據(jù)施工需要，棧橋除通行人員、運輸小型機具材料的一般車輛外，還需通行80t履帶吊機、12m3水泥罐車和360型旋挖鉆機。模型通過影響面加載，自動確定最不利受力狀態(tài)。

（3）溫度荷載

按整體升溫20℃，降溫40℃考慮。

（4）流水壓力荷載

取水流的設計流速為3m／s，由公路橋涵設計通用規(guī)范（JTG D60-2015）4.3.9條規(guī)定，可得流水壓力標準值為4.2kN／m。

（5）風荷載

施工區(qū)域工作風速V10＝24.1m／s，棧橋橫向風壓Fwh＝0.65kN／m，縱向風壓取橫橋向的40%。一聯(lián)上部結(jié)構(gòu)橫橋向承受的風荷載為54.6kN，平均分攤到7根鋼管樁頂，每根鋼管樁頂為7.8kN，縱向風壓取橫橋向的40%。

4 荷載組合

考慮80t履帶吊機和旋挖鉆機不可能同時作業(yè)，而旋挖鉆機重量比履帶吊機大，故兩者僅考慮旋挖鉆機作用。

（1）工況1：旋挖鉆偏載行走在棧橋上

1.2×自重+1.4×旋挖鉆機+0.75×1.4流水壓力+0.75×1.1風荷載+0.75×1.4溫升（或溫降）

（2）工況2：考慮12m3混凝土罐車滿載與空載錯車狀態(tài)

1.2×自重+1.4×罐車滿載+1.4罐車空載+0.75×1.4流水壓力+0.75×1.1風荷載+0.75×1.4溫升（或溫降）

（3）工況3：僅考慮橫橋向最不利荷載作用，流水壓力和風荷載取同向，旋挖鉆機考慮橫橋向的扭力

1.0×自重+1.0×旋挖鉆機橫向扭力+1.4×流水壓力+1.4×風荷載

工況1和工況2驗算整體強度和剛度，工況3驗算鋼管樁橫向抗傾覆穩(wěn)定性。

5 鋼棧橋結(jié)構(gòu)計算分析

5.1 強度計算分析

通過計算，工況2作用下的鋼棧橋各部件強度效應值最大。

（1）貝雷梁強度

由圖3和圖4可知：工況2作用下，貝雷梁最大正應力為270MPa，小于強度設計值275MPa；最大剪應力為157MPa，小于抗剪設計值160MPa；綜上所述，貝雷梁強度滿足規(guī)范設計要求。

（2）工20b橫向分配梁強度

由圖5和圖6可知：工況2作用下，工20b橫向分配梁最大正應力為89.5MPa，小于抗彎強度設計值190MPa；最大剪應力為24.2MPa，小于抗剪設計值110MPa；綜上所述，工20b橫向分配梁強度滿足規(guī)范設計要求。

（3）樁頂雙拼HN450×200橫向分配梁強度

由圖7、圖8可知：工況2作用下，樁頂雙拼HN450×200橫向分配梁最大正應力為46.4MPa，小于抗彎強度設計值190MPa；最大剪應力為55.6MPa，小于抗剪設計值110MPa；綜上所述，樁頂雙拼HN450×200橫向分配梁強度滿足規(guī)范設計要求。

（4）貝雷片剪刀撐強度

由圖9可知：工況2作用下，貝雷片剪刀撐最大正應力為102.2MPa，小于強度設計值190MPa；故貝雷片剪刀撐強度滿足規(guī)范設計要求。

（5）橋面板強度

由圖10可知：工況2作用下，橋面板最大正應力為60.1MPa，小于強度設計值190MPa；故橋面板強度滿足規(guī)范設計要求。

（6）鋼管樁強度

由圖11可知：工況2作用下，鋼管樁最大正應力為16.7MPa，小于強度設計值190MPa；故鋼管樁強度滿足規(guī)范設計要求。

（7）樁間［22a槽鋼剪刀撐強度

由圖12可知：工況2作用下，樁間［22a槽鋼剪刀撐最大正應力為10.2MPa，小于強度設計值190MPa；故樁間［22a槽鋼剪刀撐強度滿足規(guī)范設計要求。

5.2 鋼棧橋剛度計算分析

通過計算，工況2作用下，鋼棧橋豎向位移最大。

由圖13可知：工況2作用下，貝雷梁最大位移為18.1mm，小于規(guī)范規(guī)定的24mm（L／500，對應L＝12m），故剛度滿足規(guī)范設計要求。

5.3 鋼管樁柱式鋼棧橋穩(wěn)定性分析

由于貝雷梁結(jié)構(gòu)之間采用花架和剪刀撐等構(gòu)件

進行連接，穩(wěn)定性得到滿足，故貝雷梁可以不進行穩(wěn)定性計算，棧橋穩(wěn)定性分析主要在于鋼管排架柱。

旋挖鉆機移動荷載工況下，鋼管立柱支承梁節(jié)點反力如圖14所示；混凝土罐車滿載移動荷載工況下，鋼管立柱支承梁節(jié)點反力如圖15所示。

將旋挖鉆機工況和混凝土罐車工況下得到的鋼管排架柱支承梁節(jié)點反力作為可變荷載，對鋼管排架柱進行屈曲分析驗算整體穩(wěn)定。兩種工況下的失穩(wěn)模態(tài)如圖16和圖17所示。

由圖16和圖17可知：旋挖鉆機工況下的鋼管排架柱一階失穩(wěn)臨界荷載系數(shù)為22.2；混凝土罐車工況下的鋼管排架柱一階失穩(wěn)臨界荷載系數(shù)為23.6；故鋼棧橋結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性符合規(guī)范設計要求。

5.4 鋼棧橋橫向抗傾覆穩(wěn)定性驗算

工況3主要針對無車輛通行時的鋼棧橋橫向傾覆穩(wěn)定性驗算，關心的是鋼管樁的支點反力。在充分考慮風荷載和流水壓力等橫向荷載的作用下，經(jīng)計算，鋼管樁均為正反力，不存在負反力，證明鋼棧橋的橫向抗傾覆是完全能夠保證的。

6 鋼管樁設計

6.1 鋼管樁單樁承載力計算

鋼管樁單樁承載力由鋼棧橋樁底反力乘相應的提高系數(shù)確定，工況1作用下，最大樁端反力為661.6kN；工況2作用下，最大樁端反力為576.7kN，提高系數(shù)取1.1，則要求單樁最大承載力為1.1×661.6kN＝727.8kN。

6.2 鋼管樁長度計算

鋼管樁理論長度按《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》JTG D63-2007第5.3.3-3條

結(jié)合地質(zhì)資料計算確定，粗砂qik＝70kPa，qrk＝280kPa，實際樁長按錘擊荷載現(xiàn)場確定。

計算樁長（不含立柱長度，從最低沖刷線算起），樁埋入粗砂長7.5m，［Ra］＝0.5×（1.0×π×0.8×7.5×70+1.0×0.503×280）＝730.1kN。故樁長滿足規(guī)范設計要求。

7 結(jié)論

（1）工況2作用下，鋼棧橋各部件強度效應值最大。其中貝雷梁最大正應力為270MPa，最大剪應力為157MPa；工20b橫向分配梁最大正應力為89.5MPa，最大剪應力為24.2MPa；樁頂雙拼HN450×200橫向分配梁最大正應力為46.4MPa，最大剪應力為55.6MPa；橋面板最大正應力為60.1MPa；鋼管樁最大正應力為16.7MPa；以上部件均滿足規(guī)范設計要求。

（2）工況2作用下，鋼棧橋豎向位移最大。最大位移為18.1mm，滿足規(guī)范設計要求。

（3）旋挖鉆機工況和混凝土罐車工況下的鋼管排架柱一階失穩(wěn)臨界荷載系數(shù)分別為22.2和23.6，滿足規(guī)范設計要求。無車輛通行時，考慮風荷載和流水壓力等橫向荷載下，鋼棧橋橫向抗傾覆穩(wěn)定性滿足設計要求。

（4）鋼管樁單樁承載力和鋼管樁長度計算均滿足規(guī)范設計要求。