1 概述
在近;蚪舆M(jìn)行橋梁下部結(jié)構(gòu)施工時(shí),一般會(huì)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(yùn)輸比較困難。在這種情況下,架設(shè)臨時(shí)棧橋可以有效地解決上述問題。臨時(shí)棧橋可作為施工中的運(yùn)輸通道,也可作為下部結(jié)構(gòu)的施工平臺(tái),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(jìn)行,大大縮短了施工工期,所以臨時(shí)棧橋在橋梁施工工程中得到了廣泛地應(yīng)用。
1.1 棧橋應(yīng)用和研究現(xiàn)狀
由于要保證施工過程中的水上運(yùn)輸?shù)恼_M(jìn)行,所以臨時(shí)棧橋通常具有一些比較特殊的服務(wù)功能。一般來(lái)講,臨時(shí)棧橋應(yīng)具有承載能力大、施工快捷、拆除方便、臨時(shí)性及可重復(fù)利用等特點(diǎn)。
從理論上來(lái)講,棧橋的上部結(jié)構(gòu)形式并無(wú)特殊要求,但為了滿足施工快捷及拆除方便的需要,通長(zhǎng)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(chǔ)或預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)等。
一般情況下臨時(shí)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(duì)于跨海臨時(shí)棧橋,受風(fēng)、浪、流等環(huán)境荷載復(fù)雜的作用,計(jì)算參數(shù)較多,在棧橋設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)盡量全面考慮。
目前我國(guó)修建了多種形式的臨時(shí)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(shí)施工棧橋。另一方面,國(guó)內(nèi)外對(duì)臨時(shí)棧橋工程很少有比較系統(tǒng)研究,現(xiàn)有的參考文獻(xiàn)也多為針對(duì)某具體工程的介紹。為促進(jìn)臨時(shí)施工棧橋工程的發(fā)展,使棧橋的設(shè)計(jì)和施工更加科學(xué)合理化,有必要對(duì)
臨時(shí)棧橋的設(shè)計(jì)和施工進(jìn)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(zhǎng)2436.3 m。 下部有墩臺(tái)75座,樁基594根,均為Ф1.25 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ),群樁式承臺(tái),圓端式橋墩,矩形空心橋臺(tái)。上部均為32.6 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡(jiǎn)支箱梁。
全橋范圍內(nèi)大部分位于海灣、海灘和養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi),小部分在山坡邊緣;橋址范圍基巖均為強(qiáng)、弱風(fēng)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(shí)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(biāo)高+9.0 m。
1.2.2 工程特點(diǎn)
此特大橋是一座跨海的水上大橋,該橋施工點(diǎn)多線長(zhǎng),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(shí)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(shè)計(jì)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(shè)備,并考慮到環(huán)境保護(hù)因素,確定水中墩及基礎(chǔ)作業(yè)時(shí)沿橋梁邊緣設(shè)置重型棧橋作為縱向施工通道。并在沿線適當(dāng)位置搭設(shè)橫向棧橋與縱向棧橋連接,樁基施工則搭設(shè)水上施工平臺(tái),與縱向棧橋連接。
2 棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)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(shí)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(chǔ)或預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)。
2.1 棧橋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
結(jié)合特大橋的水文地質(zhì)條件,沿橋梁前進(jìn)路線右側(cè)10 m搭設(shè)通長(zhǎng)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(chǔ),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(shè)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(shè)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(shè)于曲線外側(cè)。橋上會(huì)車僅在棧橋會(huì)車平臺(tái)上;履帶吊機(jī)應(yīng)盡量居中行,以保證棧橋的穩(wěn)定性。為抵抗車輛行駛制動(dòng)力,每7~8孔設(shè)一制動(dòng)墩。棧橋2#、10#、26#、42#、57#、70#墩及錯(cuò)車平臺(tái)上設(shè)置固定支座以抵抗水平力,其余均為活動(dòng)支座;其中0#臺(tái)、
7#、14#、22#、30#、38#、45#、53#、61#、67#、72#臺(tái)均設(shè)伸縮縫,伸縮縫按4 cm設(shè)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(jì)。
2.2 棧橋穩(wěn)定性分析
棧橋設(shè)計(jì)一般考慮三種狀態(tài):即工作狀態(tài)、非工作狀態(tài)和災(zāi)難狀態(tài)。
對(duì)于一般的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言,強(qiáng)度計(jì)算是一項(xiàng)基本要求。通過強(qiáng)度計(jì)算可以判斷界面的最大應(yīng)力是否達(dá)到了材料的允許應(yīng)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(dá)到這一狀態(tài)時(shí),其變形便開始劇增長(zhǎng),結(jié)構(gòu)區(qū)域破壞。而此時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)力或許并沒有達(dá)到強(qiáng)度極限,所以有必要對(duì)結(jié)構(gòu)
進(jìn)行穩(wěn)定性分析。
本文既是在棧橋強(qiáng)度和剛度計(jì)算基礎(chǔ)上,以靜力分析為基礎(chǔ),運(yùn)用有限元分析軟件Midas/civil分別對(duì)各設(shè)計(jì)狀態(tài)的棧橋結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shí)棧橋允許施工人員、施工車輛和機(jī)械自由通過。此時(shí)棧橋所處環(huán)境不會(huì)發(fā)生影響施工的風(fēng)、雨、潮、浪等災(zāi)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(duì)應(yīng)工作狀態(tài)的風(fēng)、波浪和潮流荷載。工作狀態(tài)時(shí)棧橋的風(fēng)、浪、潮等自然荷載的重現(xiàn)期取5年。 “非工作狀
態(tài)”時(shí)棧橋承受較大的風(fēng)、潮汐和波浪荷載,此時(shí)棧橋不允許車輛通行。棧橋承受的荷有結(jié)構(gòu)自重、對(duì)應(yīng)非工作狀態(tài)的風(fēng)、波浪和潮流荷載。非工作狀態(tài)時(shí)棧橋的風(fēng)、浪、潮等自然荷載的重現(xiàn)期取10年。
“災(zāi)難狀態(tài)”指棧橋可能經(jīng)受的最不利極端狀態(tài)。災(zāi)難狀態(tài)棧橋承受很大的風(fēng)、潮汐和波浪荷載。棧橋模型的荷載有結(jié)構(gòu)自重、對(duì)應(yīng)災(zāi)難狀態(tài)的風(fēng)、波浪和潮流荷載[18]。災(zāi)難狀態(tài)時(shí)棧橋的風(fēng)、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(jì)算
通過有限元軟件對(duì)工作狀態(tài)第一工況作用下棧橋的穩(wěn)定性進(jìn)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(duì)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(duì)較;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(duì)較小。I階模態(tài)失穩(wěn)系數(shù)為10.08,大于設(shè)計(jì)要求的棧橋穩(wěn)定性限值。
(2)第二工況下棧橋的穩(wěn)定性計(jì)算
改變棧橋的邊界條件,通過有限元軟件計(jì)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(shè)計(jì)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(fēng)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(yùn)用有限元軟件Midas/civil對(duì)非工作狀態(tài)下棧橋的穩(wěn)定行進(jìn)行計(jì)算,得出相應(yīng)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(shuō)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(shè)計(jì)要求的棧橋穩(wěn)定性限值。
2.2.4 災(zāi)害狀態(tài)下棧橋穩(wěn)定性分析
災(zāi)害狀態(tài)下棧橋承受罕見的風(fēng)荷載和水流荷載,水平荷載相對(duì)于棧橋自重進(jìn)一步擴(kuò)大,橋梁發(fā)生整體失穩(wěn)的可能行增大。本文對(duì)在災(zāi)害狀態(tài)的下的棧橋進(jìn)行屈曲分析,得出災(zāi)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(zāi)害狀態(tài)下的整體穩(wěn)定性能。
通過分析可知,災(zāi)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(zāi)害狀態(tài)下三
階模態(tài)中棧橋的垮均完好,說(shuō)明災(zāi)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(shè)計(jì)要求的棧橋穩(wěn)定性限值。
3 結(jié)語(yǔ)
(1)本文以溫福鐵路大云特大橋施工棧橋?yàn)楣こ瘫尘埃瑥母怕收摰慕嵌汝U述了棧橋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的確定方法;提出棧橋的三種設(shè)計(jì)狀態(tài),并給出三種設(shè)計(jì)狀態(tài)的下的六種工況組合,使棧橋設(shè)計(jì)荷載參數(shù)化。
(2)運(yùn)用大型有限元軟件Midas/civil分三種設(shè)計(jì)狀態(tài)分別對(duì)棧橋進(jìn)行屈曲分析,對(duì)棧橋的穩(wěn)定性能進(jìn)行評(píng)價(jià),計(jì)算結(jié)果現(xiàn)實(shí),棧橋在三種狀態(tài)下穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。
(3)對(duì)于屈曲分析,彈力系數(shù)的取值對(duì)計(jì)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(jìn)一步研究。
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