深海通航限高區(qū)域臨時懸索棧橋設計方案研究

李 鑫 張 杰

(1.成都城投城建科技有限公司，四川 成都 610030； 2.中鐵二十三局集團軌道交通工程有限公司，上海 200000)

懸索棧橋一般作為懸索橋主纜架設、緊纜、索夾安裝及吊索架設的重要臨時措施，但較少在跨海大橋施工過程中應用。本文依托項目新建橋梁的總長度較長，橋址位置海水較深,橋址區(qū)附近機場對施工期凈空高度要求較高，綜合考慮施工進度與工程造價問題,選用多塔不等跨的懸索棧橋形式作為臨時施工平臺。本文重點介紹了懸索棧橋的索形確定、索力計算以及靜風穩(wěn)定分析。文中介紹的懸索棧橋施工便道攻克了海上橋梁施工沒有好的操作空間的技術(shù)難點,為施工人員提供了安全、舒適的海上施工作業(yè)平臺,同時減少了對海域環(huán)境的污染,節(jié)約了成本，并且有效保證了橋址區(qū)通航凈空要求。

1 設計概況

依托項目新建橋梁跨徑為100 m+180 m+180 m+140 m+100 m+60 m，橋梁總長度較長，為之施工需要設計的棧橋長度也比較長，考慮到橋址位置的海水深度較深，使用一般的棧橋形式會使得樁基的數(shù)目過多，樁長較長，成本加大，再考慮到經(jīng)濟上的原因，決定選用多塔不等跨的懸索棧橋的形式，這樣，樁基的數(shù)目減少，相應其他的鋼材使用增加不多，經(jīng)濟上比較節(jié)約。

懸索棧橋的截面形式如圖1所示，最底部的鋼橫梁采用16a的槽鋼。中間8根橋面系纜索和2根扶手索在吊索的位置處，最上面的為貓道面層的鋼絲網(wǎng)作為最后的鋪裝。

由于施工現(xiàn)場距離機場較近，需要考慮航空限高的問題，滿足航空限高的要求[1]。且海面的波浪較大，棧橋的橋面距離海平面要有一定的距離，以免受到海浪的影響，航空限高值和棧橋橋面標高的最小值如表1所示。根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，繪制CAD如圖2所示，墩號編號如圖2所示，航空限高線如圖2中上方線條所示，棧橋橋面標高的最小值為圖中的中間線條，最下方線條為海平面的高度，按照圖2中的示意，棧橋的最高點和最低點只能在圖中的最上方線條和中間線條之間，才可以滿足航空限高和棧橋橋面最低標高的要求。構(gòu)件自重荷載和活荷載計算見表2。

表1 棧橋最低和最高限高值 m

表2 荷載情況統(tǒng)計表 kN

需要說明的是，表2中各荷載值為所有同類構(gòu)件荷載的總和，主纜索和吊索的荷載單獨考慮不計在內(nèi)；其中混凝土和泥漿管的為混凝土、鋼管與泥漿和鋼管的總重。橋面上同時需要布置混凝土泵管，泵管的數(shù)量為3根，沿著橋面橫向均勻布置，正常工作時為兩邊的泵管輸送混凝土，中間的泵管用以備用。人群等其他的荷載也是均勻的布置在橋面上。泥漿管的個數(shù)為2根，也是均勻的分布在橋面系上。

2 設計要點

2.1 索形的確定

懸索棧橋索形的確定是整個棧橋設計的核心問題，其目的是使棧橋成橋后的線形與主纜空纜時的線形平行[2]。該棧橋設計中采用懸鏈線解析計算結(jié)果，在給定的荷載值條件下，確定主纜索上以2 m為吊索間距的關鍵點的坐標值[3]。然后在Ansys中建模計算，采用Beam4梁單元模擬纜索的受力形式，梁單元的截面特性取值很小，對結(jié)果的影響較小，可以用來模擬索單元的受力形式。全模型共計4 572個節(jié)點和8 751個單元，模型的邊界條件為各塔塔頂位置的節(jié)點固結(jié)，橋面系8根纜索約束水平位移。正常使用時所有的荷載都施加在模型上，以此確定線形形狀。各主要構(gòu)件圖見圖3。

在表1中，對棧橋最低和最高限高值有明確的要求，為了滿足限高的要求，懸索棧橋的主纜索的高度在兩邊的邊跨是逐漸降低的，如圖4所示，在圖4中最上方線條表示航空限高，最下方線條表示海平面位置，中間直線條表示棧橋橋面最低位置，中間曲線條表示棧橋形狀。棧橋的橋面設在棧橋橋面的最低位置的中間直線條處。這樣的布置23號墩處成為控制關鍵點，如圖4中圓形細部圖，此時，棧橋頂部距離航空限高0.7 m，總體上，棧橋的線型設計是滿足要求的。

在懸鏈線解析計算結(jié)果的基礎上，確定了線型坐標值和主纜內(nèi)力值，以此為基礎在Ansys中建模計算，Ansys建模如圖5所示。Ansys的計算結(jié)果表明，主纜施加了初始內(nèi)力后，模型的位移值為0.007 6 m，如圖6所示，即表明對真實荷載的模擬已經(jīng)足夠精確，計算的結(jié)果是比較準確的。提取主纜計算結(jié)果可知主纜索的無應力長度為771.996 m，吊索的無應力長度和幾何長度相差甚小，基本忽略不計。

2.2 橋面系拉索索力確定

考慮到小車和人群荷載作用在棧橋橋面系上，會產(chǎn)生較大的局部位移，需要給予橋面系拉索一張力作用，使得橋面系上的受力變形更加均勻變化。局部荷載為兩人一車的共計2 500 N，分布在吊索中間的橋面系拉索上，以集中力的形式施加，集中力在第二跨徑的中間位置施加，棧橋的位移結(jié)果如圖7所示。分別模擬橋面系拉索產(chǎn)生5 t(見圖7),10 t，20 t的拉力作用。

結(jié)果表明，橋面系拉索未施加張力時，在人群和小車的作用下產(chǎn)生0.136 m的位移，拉索施加了5 t，10 t，20 t的張力后，位移分別為0.028 m，0.022 m，0.016 m，位移值減小，并且拉索的線形也變平順，構(gòu)件的運送和行人都比較有利，綜上，施加拉索的拉力定為10 t。

2.3 棧橋靜風穩(wěn)定分析

進行靜風穩(wěn)定分析時，需確定設計基準風速。根據(jù)設計資料，該棧橋設計基準風速取為29 m/s，施工階段設計基準風速按《公路橋梁抗風設計規(guī)范》[4]取20年重現(xiàn)期取為25.52 m/s。

靜三分力系數(shù)是風載和靜風穩(wěn)定計算的依據(jù)[5]，但靜力三分力系數(shù)的準確獲得需要開展節(jié)段模型試驗。本設計將參考某大橋施工貓道風洞試驗(如圖8a)所示)取值。該大橋貓道面層下層鋼絲網(wǎng)透風率83.3%，上層鋼絲網(wǎng)透風率84%，總透風率67.3%；側(cè)面防護網(wǎng)透風率85%。試驗得到的貓道靜力三分力系數(shù)如圖8b)所示。

參照現(xiàn)行《公路橋梁抗風設計規(guī)范》中的靜風穩(wěn)定性分析方法進行二維線性靜風穩(wěn)定性分析。分別對3.5 m和2 m寬貓道進行靜風穩(wěn)定驗算，得到扭轉(zhuǎn)發(fā)散臨界風速分別為63.2 m/s和56.45 m/s，均大于失穩(wěn)檢驗風速31.9 m/s，3.5 m和2 m寬貓道靜風穩(wěn)定性均滿足規(guī)范限值要求。

3 結(jié)語

本文介紹了某深海通航區(qū)新建大跨棧橋的設計過程，對懸索棧橋的設計要點進行了闡述，總結(jié)懸索棧橋設計關鍵點，得出以下結(jié)論：

1)索形的確定是整個棧橋設計的核心問題，通過懸鏈線解析得到線形坐標、主纜內(nèi)力等參數(shù)后，表明線形滿足各項要求。

2)為保障人群和小車在棧橋上時棧橋的穩(wěn)定性，通過分析得到了橋面系拉索初張力。

3)棧橋的靜風穩(wěn)定分析是棧橋穩(wěn)定性分析的重要環(huán)節(jié)，通過風洞試驗得到靜力三分力系數(shù)，得到了靜風穩(wěn)定性的臨界風速。