跨海施工棧橋穩(wěn)定性研究
2017-06-05
1 概述
在近海或江河進行橋梁下部結(jié)構(gòu)施工時，一般會面臨潮位變化大、水流急、浪高等不利因素的影響，施工過程中的水上運輸比較困難。在這種情況下，架設臨時棧橋可以有效地解決上述問題。臨時棧橋可作為施工中的運輸通道，也可作為下部結(jié)構(gòu)的施工平臺，使水上施工變成路上施工，保證了在惡劣環(huán)境下施工的正常進行，大大縮短了施工工期，所以臨時棧橋在橋梁施工工程中得到了廣泛地應用。
1.1 棧橋應用和研究現(xiàn)狀
由于要保證施工過程中的水上運輸?shù)恼＿M行，所以臨時棧橋通常具有一些比較特殊的服務功能。一般來講，臨時棧橋應具有承載能力大、施工快捷、拆除方便、臨時性及可重復利用等特點。
從理論上來講，棧橋的上部結(jié)構(gòu)形式并無特殊要求，但為了滿足施工快捷及拆除方便的需要，通長采用便于拼裝和拆除的結(jié)構(gòu)形式，如桁架梁、鋼箱梁等。與上部結(jié)構(gòu)相似，棧橋的下部結(jié)構(gòu)也要考慮施工與拆除的方便，從而普遍采用鋼管樁基礎或預應力混凝土管樁基礎等。
一般情況下臨時棧橋的施工環(huán)境比較惡劣，棧橋施工受周圍環(huán)境的影響也比較大。特別是對于跨海臨時棧橋，受風、浪、流等環(huán)境荷載復雜的作用，計算參數(shù)較多，在棧橋設計和施工中應盡量全面考慮。
目前我國修建了多種形式的臨時棧橋，并且隨著更多跨海、跨江大橋的修建，今后的橋梁施工將更多地采用臨時施工棧橋。另一方面，國內(nèi)外對臨時棧橋工程很少有比較系統(tǒng)研究，現(xiàn)有的參考文獻也多為針對某具體工程的介紹。為促進臨時施工棧橋工程的發(fā)展，使棧橋的設計和施工更加科學合理化，有必要對臨時棧橋的設計和施工進行系統(tǒng)地研究。
1.2 工程背景
1.2.1 工程概況
此特大橋是跨海大橋，全長2436.3 m。 下部有墩臺75座，樁基594根，均為Ф1.25 m鉆孔灌注樁基礎，群樁式承臺，圓端式橋墩，矩形空心橋臺。上部均為32.6 m預應力鋼筋混凝土簡支箱梁。
全橋范圍內(nèi)大部分位于海灣、海灘和養(yǎng)殖場內(nèi)，小部分在山坡邊緣；橋址范圍基巖均為強、弱風化花崗巖。兩岸覆蓋層為素填土、粉質(zhì)粘性土，灘涂部分為流塑淤泥、中密飽和中砂，軟硬塑粉質(zhì)粘土；橋址位于云淡門海域，水中和海灘部分的墩位每天都有一日兩潮海水往返通過，最高時潮水位在3～4 m，每月月初及月中潮水位較高，每年農(nóng)歷八月中旬前后潮水位最高，最高潮水位+4.9 m。最大浪尖高度為黃海標高+9.0 m。
1.2.2 工程特點
此特大橋是一座跨海的水上大橋，該橋施工點多線長，管理難度較大。而且橋址處受潮汐影響，每日兩次漲落潮，施工范圍在漲潮時處于海水中，落潮后又位于漁民的養(yǎng)殖灘上。其施工方法既不同于完全的水上作業(yè)，也不同于陸上施工。
根據(jù)特大橋所處的地理位置和設計勘探所揭示的水文地質(zhì)狀況，結(jié)合現(xiàn)有材料及施工設備，并考慮到環(huán)境保護因素，確定水中墩及基礎作業(yè)時沿橋梁邊緣設置重型棧橋作為縱向施工通道。并在沿線適當位置搭設橫向棧橋與縱向棧橋連接，樁基施工則搭設水上施工平臺，與縱向棧橋連接。
2 棧橋結(jié)構(gòu)設計及計算參數(shù)的選擇
棧橋體系一般由上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)和橋面系三部分構(gòu)成。棧橋作為臨時結(jié)構(gòu)，考慮施工與拆除的方便，其上部結(jié)構(gòu)多采用便于工廠化拼裝的結(jié)構(gòu)形式，如桁架梁、鋼箱梁等，下部結(jié)構(gòu)則普遍采用鋼管樁基礎或預應力混凝土管樁基礎。
2.1 棧橋結(jié)構(gòu)的設計
結(jié)合特大橋的水文地質(zhì)條件，沿橋梁前進路線右側(cè)10 m搭設通長施工棧橋一座。棧橋按折線型布置，中心線為半徑4512.31 m的左偏曲線，棧橋縱軸線基本與大云特大橋縱軸線平行。
棧橋下部樁基為橫向兩排φ80cm鋼管樁基礎，樁頂橫梁采用I32工字鋼，樁間采用[20槽鋼剪刀撐連接；縱向設兩排承重梁，每排承重梁由2片HM588×300工字鋼組焊而成；橋面橫向分布梁采用I16工字鋼，間距30 cm，橋面鋪設6 mm壓花鋼板。
棧橋按單向通行考慮，橋面寬度4.5 m，人行道設于曲線外側(cè)。橋上會車僅在棧橋會車平臺上；履帶吊機應盡量居中行，以保證棧橋的穩(wěn)定性。為抵抗車輛行駛制動力，每7～8孔設一制動墩。棧橋2#、10#、26#、42#、57#、70#墩及錯車平臺上設置固定支座以抵抗水平力，其余均為活動支座；其中0#臺、7#、14#、22#、30#、38#、45#、53#、61#、67#、72#臺均設伸縮縫，伸縮縫按4 cm設置。
棧橋主要結(jié)構(gòu)圖如圖1～3所示，圖中尺寸除注明外均以mm計。
2.2 棧橋穩(wěn)定性分析
棧橋設計一般考慮三種狀態(tài)：即工作狀態(tài)、非工作狀態(tài)和災難狀態(tài)。
對于一般的結(jié)構(gòu)設計而言，強度計算是一項基本要求。通過強度計算可以判斷界面的最大應力是否達到了材料的允許應力，而穩(wěn)定分析則是要找出結(jié)構(gòu)內(nèi)部抵抗力之間的不穩(wěn)定平衡狀態(tài)，結(jié)構(gòu)達到這一狀態(tài)時，其變形便開始劇增長，結(jié)構(gòu)區(qū)域破壞。而此時結(jié)構(gòu)內(nèi)力或許并沒有達到強度極限，所以有必要對結(jié)構(gòu)進行穩(wěn)定性分析。
本文既是在棧橋強度和剛度計算基礎上，以靜力分析為基礎，運用有限元分析軟件Midas/civil分別對各設計狀態(tài)的棧橋結(jié)構(gòu)進行屈曲分析，得出棧橋結(jié)果的穩(wěn)定性能，從整體穩(wěn)定的角度保證棧橋結(jié)構(gòu)的安全。
2.2.1 棧橋工況組合
“工作狀態(tài)”時棧橋允許施工人員、施工車輛和機械自由通過。此時棧橋所處環(huán)境不會發(fā)生影響施工的風、雨、潮、浪等災害。“工作狀態(tài)”的棧橋承受的荷載有結(jié)構(gòu)自重、混凝土罐車荷載、履帶吊荷載、對應工作狀態(tài)的風、波浪和潮流荷載。工作狀態(tài)時棧橋的風、浪、潮等自然荷載的重現(xiàn)期取5年。 “非工作狀態(tài)”時棧橋承受較大的風、潮汐和波浪荷載，此時棧橋不允許車輛通行。棧橋承受的荷有結(jié)構(gòu)自重、對應非工作狀態(tài)的風、波浪和潮流荷載。非工作狀態(tài)時棧橋的風、浪、潮等自然荷載的重現(xiàn)期取10年。
“災難狀態(tài)”指棧橋可能經(jīng)受的最不利極端狀態(tài)。災難狀態(tài)棧橋承受很大的風、潮汐和波浪荷載。棧橋模型的荷載有結(jié)構(gòu)自重、對應災難狀態(tài)的風、波浪和潮流荷載[18]。災難狀態(tài)時棧橋的風、浪、潮等自然荷載的重現(xiàn)期取20年。
以上3種狀態(tài)具體化為4種荷載工況，見表1。
2.2.2 工作狀態(tài)下棧橋穩(wěn)定性分析
（1）第一工況下棧橋的穩(wěn)定性計算
通過有限元軟件對工作狀態(tài)第一工況作用下棧橋的穩(wěn)定性進行分析，得到棧橋的屈曲模態(tài)和臨界荷載，如圖4～6和表2所示。
由圖4～6可知，在工作狀態(tài)第一工況下棧橋的I階失穩(wěn)模態(tài)形態(tài)為跨中內(nèi)側(cè)主梁向相同方向屈曲失穩(wěn)，同一位置處外側(cè)主梁發(fā)生屈曲范圍相對較小；II階失穩(wěn)模態(tài)失穩(wěn)形態(tài)為跨中內(nèi)側(cè)主梁向相反方向失穩(wěn)，同一位置處外側(cè)主梁發(fā)生屈曲范圍相對較小；III階失穩(wěn)模態(tài)與I階相似，同為跨中內(nèi)側(cè)主梁向相同方向屈曲失穩(wěn)，同一位置處外側(cè)主梁發(fā)生屈曲范圍相對較小。I階模態(tài)失穩(wěn)系數(shù)為10.08，大于設計要求的棧橋穩(wěn)定性限值。
?。?）第二工況下棧橋的穩(wěn)定性計算
改變棧橋的邊界條件，通過有限元軟件計算工作狀態(tài)第二工況作用下棧橋的穩(wěn)定性，得到第二工況作用下棧橋的屈曲模態(tài)和臨界荷載，如圖7～9和表3所示。
由圖7～9可知，在工作狀態(tài)第二工況下棧橋的I階失穩(wěn)模態(tài)形態(tài)為棧橋四根主梁均向一側(cè)橫向屈曲；II階失穩(wěn)模態(tài)失穩(wěn)形態(tài)與I模態(tài)相似，棧橋四根主梁向與I階模態(tài)屈曲相反一側(cè)橫向屈曲，且失穩(wěn)系數(shù)相近，為6.5～6.8。III階模態(tài)與前兩階模態(tài)屈曲形式差別較大，為跨中雙向橫向失穩(wěn)，橫向呈三角函數(shù)狀，失穩(wěn)系數(shù)為14.76，約為前兩階失穩(wěn)系數(shù)的兩倍。由表3可知，棧橋I階模態(tài)的失穩(wěn)系數(shù)為6.56，大于設計要求的棧橋穩(wěn)定性限值。
2.2.3 非工作狀態(tài)下棧橋穩(wěn)定性分析
非工作狀態(tài)下棧橋主要承受自重、風荷載和水流荷載，其中水平荷載在總荷載中占有較大比重。運用有限元軟件Midas/civil對非工作狀態(tài)下棧橋的穩(wěn)定行進行計算，得出相應的屈曲模態(tài)和臨界荷載，如表4所示。
通過分析可知，非工作狀態(tài)下棧橋的I階失穩(wěn)模態(tài)為棧橋邊跨縱梁豎向失穩(wěn)，中跨完好；II階失穩(wěn)模態(tài)與I階相似，為同一側(cè)邊跨縱向失穩(wěn)，失穩(wěn)系數(shù)近似相等。III階模態(tài)與前兩階模態(tài)相差很大，為另外一側(cè)邊跨橫向失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)為8.89 m，三階模態(tài)棧橋的中跨均完好，說明在非工作狀態(tài)下，棧橋的邊跨是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。由表4可知，棧橋I階模態(tài)的失穩(wěn)系數(shù)為7.62，大于設計要求的棧橋穩(wěn)定性限值。
2.2.4 災害狀態(tài)下棧橋穩(wěn)定性分析
災害狀態(tài)下棧橋承受罕見的風荷載和水流荷載，水平荷載相對于棧橋自重進一步擴大，橋梁發(fā)生整體失穩(wěn)的可能行增大。本文對在災害狀態(tài)的下的棧橋進行屈曲分析，得出災害狀態(tài)下棧橋的屈曲模態(tài)和臨界荷載，如表5所示。從而確定棧橋在災害狀態(tài)下的整體穩(wěn)定性能。
通過分析可知，災害狀態(tài)下棧橋的I階失穩(wěn)模態(tài)和II階模態(tài)與非工作狀態(tài)下相似，為棧橋邊跨縱梁豎向失穩(wěn)，中跨完好，穩(wěn)定系數(shù)為4.3～4.7，約為非工作狀態(tài)的1/2。III階模態(tài)與本狀態(tài)前兩階模態(tài)相差很大，與非工作狀態(tài)的III階模型也不盡相同，為中跨完好，兩側(cè)邊跨豎向失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)為4.74。災害狀態(tài)下三階模態(tài)中棧橋的垮均完好，說明災害狀態(tài)下棧橋的邊跨同樣是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。由表5可知，棧橋I階模態(tài)的失穩(wěn)系數(shù)為4.35，大于設計要求的棧橋穩(wěn)定性限值。
3 結(jié)語
（1）本文以溫福鐵路大云特大橋施工棧橋為工程背景，從概率論的角度闡述了棧橋設計標準的確定方法；提出棧橋的三種設計狀態(tài)，并給出三種設計狀態(tài)的下的六種工況組合，使棧橋設計荷載參數(shù)化。
?。?）運用大型有限元軟件Midas/civil分三種設計狀態(tài)分別對棧橋進行屈曲分析，對棧橋的穩(wěn)定性能進行評價，計算結(jié)果現(xiàn)實，棧橋在三種狀態(tài)下穩(wěn)定性滿足設計要求。
?。?）對于屈曲分析，彈力系數(shù)的取值對計算結(jié)果的影響較大，在屈曲分析中如何模擬桿件之間的耦合關(guān)系今后需要進一步研究。
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