跨海施工栈桥稳定性研究
2017-06-05
1 概述
在近海或江河进行桥梁下部结构施工时，一般会面临潮位变化大、水流急、浪高等不利因素的影响，施工过程中的水上运输比较困难。在这种情况下，架设临时栈桥可以有效地解决上述问题。临时栈桥可作为施工中的运输通道，也可作为下部结构的施工平台，使水上施工变成路上施工，保证了在恶劣环境下施工的正常进行，大大缩短了施工工期，所以临时栈桥在桥梁施工工程中得到了广泛地应用。
1.1 栈桥应用和研究现状
由于要保证施工过程中的水上运输的正常进行，所以临时栈桥通常具有一些比较特殊的服务功能。一般来讲，临时栈桥应具有承载能力大、施工快捷、拆除方便、临时性及可重复利用等特点。
从理论上来讲，栈桥的上部结构形式并无特殊要求，但为了满足施工快捷及拆除方便的需要，通长采用便于拼装和拆除的结构形式，如桁架梁、钢箱梁等。与上部结构相似，栈桥的下部结构也要考虑施工与拆除的方便，从而普遍采用钢管桩基础或预应力混凝土管桩基础等。
一般情况下临时栈桥的施工环境比较恶劣，栈桥施工受周围环境的影响也比较大。特别是对于跨海临时栈桥，受风、浪、流等环境荷载复杂的作用，计算参数较多，在栈桥设计和施工中应尽量全面考虑。
目前我国修建了多种形式的临时栈桥，并且随着更多跨海、跨江大桥的修建，今后的桥梁施工将更多地采用临时施工栈桥。另一方面，国内外对临时栈桥工程很少有比较系统研究，现有的参考文献也多为针对某具体工程的介绍。为促进临时施工栈桥工程的发展，使栈桥的设计和施工更加科学合理化，有必要对临时栈桥的设计和施工进行系统地研究。
1.2 工程背景
1.2.1 工程概况
此特大桥是跨海大桥，全长2436.3 m。 下部有墩台75座，桩基594根，均为Ф1.25 m钻孔灌注桩基础，群桩式承台，圆端式桥墩，矩形空心桥台。上部均为32.6 m预应力钢筋混凝土简支箱梁。
全桥范围内大部分位于海湾、海滩和养殖场内，小部分在山坡边缘；桥址范围基岩均为强、弱风化花岗岩。两岸覆盖层为素填土、粉质粘性土，滩涂部分为流塑淤泥、中密饱和中砂，软硬塑粉质粘土；桥址位于云淡门海域，水中和海滩部分的墩位每天都有一日两潮海水往返通过，最高时潮水位在3～4 m，每月月初及月中潮水位较高，每年农历八月中旬前后潮水位最高，最高潮水位+4.9 m。最大浪尖高度为黄海标高+9.0 m。
1.2.2 工程特点
此特大桥是一座跨海的水上大桥，该桥施工点多线长，管理难度较大。而且桥址处受潮汐影响，每日两次涨落潮，施工范围在涨潮时处于海水中，落潮后又位于渔民的养殖滩上。其施工方法既不同于完全的水上作业，也不同于陆上施工。
根据特大桥所处的地理位置和设计勘探所揭示的水文地质状况，结合现有材料及施工设备，并考虑到环境保护因素，确定水中墩及基础作业时沿桥梁边缘设置重型栈桥作为纵向施工通道。并在沿线适当位置搭设横向栈桥与纵向栈桥连接，桩基施工则搭设水上施工平台，与纵向栈桥连接。
2 栈桥结构设计及计算参数的选择
栈桥体系一般由上部结构、下部结构和桥面系三部分构成。栈桥作为临时结构，考虑施工与拆除的方便，其上部结构多采用便于工厂化拼装的结构形式，如桁架梁、钢箱梁等，下部结构则普遍采用钢管桩基础或预应力混凝土管桩基础。
2.1 栈桥结构的设计
结合特大桥的水文地质条件，沿桥梁前进路线右侧10 m搭设通长施工栈桥一座。栈桥按折线型布置，中心线为半径4512.31 m的左偏曲线，栈桥纵轴线基本与大云特大桥纵轴线平行。
栈桥下部桩基为横向两排φ80cm钢管桩基础，桩顶横梁采用I32工字钢，桩间采用[20槽钢剪刀撑连接；纵向设两排承重梁，每排承重梁由2片HM588×300工字钢组焊而成；桥面横向分布梁采用I16工字钢，间距30 cm，桥面铺设6 mm压花钢板。
栈桥按单向通行考虑，桥面宽度4.5 m，人行道设于曲线外侧。桥上会车仅在栈桥会车平台上；履带吊机应尽量居中行，以保证栈桥的稳定性。为抵抗车辆行驶制动力，每7～8孔设一制动墩。栈桥2#、10#、26#、42#、57#、70#墩及错车平台上设置固定支座以抵抗水平力，其余均为活动支座；其中0#台、7#、14#、22#、30#、38#、45#、53#、61#、67#、72#台均设伸缩缝，伸缩缝按4 cm设置。
栈桥主要结构图如图1～3所示，图中尺寸除注明外均以mm计。
2.2 栈桥稳定性分析
栈桥设计一般考虑三种状态：即工作状态、非工作状态和灾难状态。
对于一般的结构设计而言，强度计算是一项基本要求。通过强度计算可以判断界面的最大应力是否达到了材料的允许应力，而稳定分析则是要找出结构内部抵抗力之间的不稳定平衡状态，结构达到这一状态时，其变形便开始剧增长，结构区域破坏。而此时结构内力或许并没有达到强度极限，所以有必要对结构进行稳定性分析。
本文既是在栈桥强度和刚度计算基础上，以静力分析为基础，运用有限元分析软件Midas/civil分别对各设计状态的栈桥结构进行屈曲分析，得出栈桥结果的稳定性能，从整体稳定的角度保证栈桥结构的安全。
2.2.1 栈桥工况组合
“工作状态”时栈桥允许施工人员、施工车辆和机械自由通过。此时栈桥所处环境不会发生影响施工的风、雨、潮、浪等灾害。“工作状态”的栈桥承受的荷载有结构自重、混凝土罐车荷载、履带吊荷载、对应工作状态的风、波浪和潮流荷载。工作状态时栈桥的风、浪、潮等自然荷载的重现期取5年。 “非工作状态”时栈桥承受较大的风、潮汐和波浪荷载，此时栈桥不允许车辆通行。栈桥承受的荷有结构自重、对应非工作状态的风、波浪和潮流荷载。非工作状态时栈桥的风、浪、潮等自然荷载的重现期取10年。
“灾难状态”指栈桥可能经受的最不利极端状态。灾难状态栈桥承受很大的风、潮汐和波浪荷载。栈桥模型的荷载有结构自重、对应灾难状态的风、波浪和潮流荷载[18]。灾难状态时栈桥的风、浪、潮等自然荷载的重现期取20年。
以上3种状态具体化为4种荷载工况，见表1。
2.2.2 工作状态下栈桥稳定性分析
（1）第一工况下栈桥的稳定性计算
通过有限元软件对工作状态第一工况作用下栈桥的稳定性进行分析，得到栈桥的屈曲模态和临界荷载，如图4～6和表2所示。
由图4～6可知，在工作状态第一工况下栈桥的I阶失稳模态形态为跨中内侧主梁向相同方向屈曲失稳，同一位置处外侧主梁发生屈曲范围相对较小；II阶失稳模态失稳形态为跨中内侧主梁向相反方向失稳，同一位置处外侧主梁发生屈曲范围相对较小；III阶失稳模态与I阶相似，同为跨中内侧主梁向相同方向屈曲失稳，同一位置处外侧主梁发生屈曲范围相对较小。I阶模态失稳系数为10.08，大于设计要求的栈桥稳定性限值。
（2）第二工况下栈桥的稳定性计算
改变栈桥的边界条件，通过有限元软件计算工作状态第二工况作用下栈桥的稳定性，得到第二工况作用下栈桥的屈曲模态和临界荷载，如图7～9和表3所示。
由图7～9可知，在工作状态第二工况下栈桥的I阶失稳模态形态为栈桥四根主梁均向一侧横向屈曲；II阶失稳模态失稳形态与I模态相似，栈桥四根主梁向与I阶模态屈曲相反一侧横向屈曲，且失稳系数相近，为6.5～6.8。III阶模态与前两阶模态屈曲形式差别较大，为跨中双向横向失稳，横向呈三角函数状，失稳系数为14.76，约为前两阶失稳系数的两倍。由表3可知，栈桥I阶模态的失稳系数为6.56，大于设计要求的栈桥稳定性限值。
2.2.3 非工作状态下栈桥稳定性分析
非工作状态下栈桥主要承受自重、风荷载和水流荷载，其中水平荷载在总荷载中占有较大比重。运用有限元软件Midas/civil对非工作状态下栈桥的稳定行进行计算，得出相应的屈曲模态和临界荷载，如表4所示。
通过分析可知，非工作状态下栈桥的I阶失稳模态为栈桥边跨纵梁竖向失稳，中跨完好；II阶失稳模态与I阶相似，为同一侧边跨纵向失稳，失稳系数近似相等。III阶模态与前两阶模态相差很大，为另外一侧边跨横向失稳，稳定系数为8.89 m，三阶模态栈桥的中跨均完好，说明在非工作状态下，栈桥的边跨是结构的薄弱环节。由表4可知，栈桥I阶模态的失稳系数为7.62，大于设计要求的栈桥稳定性限值。
2.2.4 灾害状态下栈桥稳定性分析
灾害状态下栈桥承受罕见的风荷载和水流荷载，水平荷载相对于栈桥自重进一步扩大，桥梁发生整体失稳的可能行增大。本文对在灾害状态的下的栈桥进行屈曲分析，得出灾害状态下栈桥的屈曲模态和临界荷载，如表5所示。从而确定栈桥在灾害状态下的整体稳定性能。
通过分析可知，灾害状态下栈桥的I阶失稳模态和II阶模态与非工作状态下相似，为栈桥边跨纵梁竖向失稳，中跨完好，稳定系数为4.3～4.7，约为非工作状态的1/2。III阶模态与本状态前两阶模态相差很大，与非工作状态的III阶模型也不尽相同，为中跨完好，两侧边跨竖向失稳，稳定系数为4.74。灾害状态下三阶模态中栈桥的垮均完好，说明灾害状态下栈桥的边跨同样是结构的薄弱环节。由表5可知，栈桥I阶模态的失稳系数为4.35，大于设计要求的栈桥稳定性限值。
3 结语
（1）本文以温福铁路大云特大桥施工栈桥为工程背景，从概率论的角度阐述了栈桥设计标准的确定方法；提出栈桥的三种设计状态，并给出三种设计状态的下的六种工况组合，使栈桥设计荷载参数化。
（2）运用大型有限元软件Midas/civil分三种设计状态分别对栈桥进行屈曲分析，对栈桥的稳定性能进行评价，计算结果现实，栈桥在三种状态下稳定性满足设计要求。
（3）对于屈曲分析，弹力系数的取值对计算结果的影响较大，在屈曲分析中如何模拟杆件之间的耦合关系今后需要进一步研究。
参考文献
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