考虑流凌效应的大跨径梁桥最大悬臂施工状态作用响应分析＊

韩成林 张谢东 崔 凯 商 敏

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (内蒙古交通设计研究院有限责任公司2) 呼和浩特 010010) (内蒙古东达蒙古王集团公司3) 鄂尔多斯 014300)

包树黄河特大桥位处黄河从西南流向东北进入内蒙古,由于从低纬度进入高纬度区,气温降低,造成黄河内蒙古段封河自下而上,开河自上而下的特殊情况.当下游封河而上游尚未封河时,上游产生的大量冰花在下游封河河段冰盖下发生堆积,缩小过水断面面积,阻塞了上游冰水去路,造成上游水位涌高,容易形成冰塞;然而当上游开河,冰水逐渐释放,而此时下游还未达到自然开河条件,冰下过流能力不足以通过上游凌峰,经常形成水鼓冰裂的武开河形势.开河后,冰块在大水强流的推动下向下游流动,遇河道狭窄段或浅滩弯道,则容易形成卡冰结坝.在开河凌汛期间,大面积冰排在洪水的驱动下整体移动,必然对阻碍冰层相对运动的桥墩等结构物产生冲击,致使桥墩等水中结构物产生较大内力及变形[1-2];此外,冰层在流动过程中发生连续碰撞破碎,大面积流冰体的流动对结构物产生长期挤压和冲击,以致大量的冰块堆积到冰与结构物的接触面上,这在一定程度上会加剧了结构物的变形及安全性.

鉴于黄河流凌期间洪水和流冰对桥梁可能的冲击破坏作用,特别是本桥冬季停工时处于最大悬臂施工最不利状态,一方面单T构的线性和内力直接影响到其与相邻T构的顺利合龙;另一方面单T构的内力状态也直接影响成桥后箱梁混凝土的应力储备.因此有必要对该桥最大悬臂状态流凌期的受力进行分析验算,以保证该桥安全度过流凌期,同时保证后续合拢施工和顺利成桥.

1 工程概况

本黄河特大桥主桥位于西部开发省际通道跨越包头市和鄂尔多斯之间黄河的重要桥梁工程,主桥上部采用85 m+6×150 m+85 m变截面预应力连续箱梁,总长1 070 m,如图1所示.

图1 主桥立面布置图(单位：m)

单幅桥宽13.75 m,翼缘板悬臂长3.3 m,箱梁底宽7.15 m;根部梁高8.5 m,跨中梁高3.8 m,梁高曲线采用1.5次幂抛物线;跨中底板厚度0.3 m,根部底板厚度1.2 m,采用1.5次幂抛物线;箱梁顶板厚度0.35 m;箱梁采用直腹板,腹板厚度0.5,0.6 m;0号块长10 m,悬臂浇筑段梁段划分为8×3 m+5×4 m+5×5 m,最大悬臂长度接近79 m,最大块件重量182 t;箱梁采用三向全预应力结构,纵向预应力采用大吨位群锚体系,横向预应力采用扁锚群锚体系,竖向预应力采用精轧螺纹粗钢筋锚固体系.

主桥下部采用钢筋混凝土薄壁空心墩,桥墩截面外形为10.65×7 m不等边长的六边形截面,面向迎水侧三角部分兼有破冰棱和防撞作用,并外包钢板防护,桥墩薄壁厚度0.7 m.左右幅桥采用一个承台基础,平面采用32.5 m×12 m不等边长的六边形截面,两侧三角部分兼有破冰棱和防撞作用,承台厚度为4 m,采用22根直径1.8 m钻孔桩基础,桩长90 m,桩基础均按摩擦桩设计.见图2所示.

图2 主桥横向及破冰棱结构布置图(单位：cm)

2 数值仿真模型

2.1 T构桩-墩-梁结构模拟

采用空间梁单元对包树黄河特大桥主桥建立三维有限元数值模型,该桥变截面主梁采用符合Timoshenko梁理论的两节点梁单元,较好地模拟外荷载作用下主梁的剪切变形和翘曲变形.本桥23#中墩为制动墩,采用KZQZ37500-GD型抗震支座;20,21,22,24,25,26#墩墩顶均采用LQZ37500型普通滑动支座,并附加设置2 100 kN FLUID VICOUS DAMPER抗震阻尼器.19,27#过渡墩墩顶采用LQZ4000-SX型普通双向滑动支座.

考虑到本桥22号墩采用了2 100 kN FLUID VICOUS DAMPER抗振阻尼器,建立了粘弹性消能器Maxwell模型,各参数取值如下：消能器阻尼;参考速度;阻尼指数s=0.5;连接弹簧刚度取为极大值(无限刚);有效阻尼为2 500 kN.桩身柔度和桩周围土进行模型简化处理,将桩-地基体系按土层厚度离散成一个理想化的参数系统,用弹簧和阻尼器模拟土介质的动力性质,形成一个地下部分的多质点体系,然后和上部结构近质点体系联合建立整体耦联的动力微分方程组进行求解.假设土介质为线弹性的连续介质;等代土弹簧的刚度由土介质的m值计算.

图3 主桥22号墩最大双悬臂数值模型

2.2 流冰荷载

目前我国对冰荷载及其产生的外力计算问题,对不同地区尚缺乏一些具体的规定[3].对收集黄河封冰资料的研究,了解到本河段平均封冻日期为11月中下旬,平均解冻日期为4月上中旬.包头市水文大队在黄河岸边设有冰情研究所,断面位于本桥下游500 m处,成立于1981年,控制集水面积为355 961 km2,流凌一般开始于11月底或12月初,开河于3月中下旬,最大冰厚1.02 m,(1965年和1966年).一般情况下,开河期间冰块流速在2 m/s以上,开河时最大流冰块为3 m ×5 m,其速度在3.5 m/s以下.最大流冰块为“冰滑块”.1983年以来最大冰凌流量为3 000 m3/s,发生于1989年9月21日,频率为7%.

通过对内蒙古黄河地区流凌期间最高、最低流冰水位、流冰厚度、有效冰厚度、流冰强度以及温度等相关因素的实际调查统计分析,提出了适应于该地区的竖直墩流冰撞击荷载计算公式为

根据包树黄河特大桥施工图设计及桥位处实测流冰调查资料[4],最大悬臂状态冰排最大流速、冰排厚H=0.8 m、冰排面积A= 10 004 m2、局部挤压系数I=1.414、单轴抗压极限强度形状系数m=1、接触条件系数K=0.8、内蒙古包头市地处北纬40.6°,故地区系数Kn=2.0.根据该公式得到的冰荷载公式计算得6 732.437 kN.该冰荷载的作用位置在黄河特大桥的最高设计流冰水位处.

2.3 冰凌洪水荷载

本桥位处于中高纬度地区内,黄河由较低纬度地区流向较高纬度地区(河段),在冬春季节因上下游封冻期的差异或解冻期差异,可能形成冰塞或冰坝而引起.冰凌洪水是由大量冰凌阻塞,形成冰雪或冰坝,使上游水位显著壅高.当冰雪融化,冰坝突然破坏时,河槽蓄水量下泄,形成流凌洪水.冰凌洪水往往造成严重灾害.

根据桥位处实测水流速度、水流形态、水温以及河道河槽实际状况,结合本桥桥墩实际破冰棱体结构形态,拟合出该桥22号墩冰凌洪水压力公式为[5-6]

式中：R为桥梁对水的阻力,即洪水对桥梁的水平作用力的反作用力;Δ h为桥梁结构阻水造成的壅水高度;γ为流水容重分别为考虑泥沙影响的修正系数,考虑河床纵坡影响的修正系数,考虑河槽边坡影响的修正系数,考虑洪水频率的修正系数,考虑洪水流向的修正系数和桥墩形状修正系数.

据式(2)可计算得到包树黄河特大桥单墩承受的流凌洪水荷载为：327.48 kN.

2.4 风荷载

考虑到最大悬臂状态期,墩梁及临时固结结构的横向刚度为经受最大考验,故计算风荷载仅分析横向作用效应.另考虑到本桥桥墩较矮,亦忽略其受风影响.根据《公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2004)》进行桥位处各受风单元承受的横向风荷载.

根据包树黄河特大桥施工图设计及现场实测数据,确定各系数取值.由规范附表1查得百年一遇包头市基本风压为;桥梁所在地区的设计基本风速(m/s)本桥取v10=33 m/s;迎风面积按各箱梁截面尺寸分别计算进而获得各受风单元风荷载标准值[7].

2.5 荷载工况

大跨度连续梁施工阶段在最大悬臂主梁处和墩梁固结根部处对横向作用较为敏感,如流凌期的流冰冲击、流凌洪水及横向风荷载等.因此正确而准确地评价最大悬臂状态主桥横向安全稳定性极为重要;同时对于主梁的实时应力和线形的监控也是保证过冬后与相邻T构平顺合龙的关键.根据实际情况,选取以下荷载组合作为验算工况：组合I：恒载+风荷载;组合II：恒载+风荷载+洪水荷载;组合III：恒载+风荷载+洪水荷载+冰荷载.

3 结果分析

3.1 位移效应

在各荷载组合作用下,主桥安全性监控工作主要验算的关键部位如表1、表2所列,即为主梁根部截面(悬浇1号块端部)、桥墩墩顶和承台顶.由表1分析可知,首先考虑的重要横向荷载是风荷载,其影响度大约占组合III的69%.在考虑洪水荷载的组合II与未考虑洪水荷载的组合I相比,洪水荷载产生的各关键截面的横向位移相对较小,主梁增量均为0.1 mm,桥墩顶和承台顶分别为1.72 mm和0.05 mm.比较组合II和组合III可知,冰荷载的冲击作用对主梁横向位移较大[8].图4显示了各组合工况下,最大悬臂的一侧横向位移变化情况,表明悬臂主梁各节段横向位移的差异和发展情况,同时也说明各工况下主梁各节段位移变化的平顺性.

表1 各工况关键部位横向位移状态 mm

图4 各工况主梁悬臂节点横向位移变化情况

表2 各工况关键部位内力状态

3.2 内力效应

由表2可看出,在主梁各控制关键部位中,风荷载对根部截面的影响最大,而洪水荷载和冰荷载的响应相对较小.由此可以得到主梁混凝土横向应力水平主要受风荷载控制.由于冰荷载和洪水荷载作用于桥墩设计最高水位处,因此二者对桥墩截面的冲击效应较为明显,其中尤以冰荷载的响应为大.

4 结 论

1)大跨径梁桥在最大悬臂状态经过流凌期间,流冰对空心带破冰棱体结构桥墩位移及内力响应较小,同时T型结构的内力及线形均满足施工监测监控的精度要求,具有足够的安全储备.

2)通过对桥墩破冰棱体结构的数值模拟,并与实测流冰荷载数据的比较,表明矩形实体桥墩附加三角形破冰体结构可有效抵抗流冰的冲击破坏.

3)黄河流凌期,在各荷载工况下,最大悬臂状态箱梁横向位移较桥墩和承台影响大,因此期间除了对T构进行必要纵向线性监测外,还应进行必要的横向轴线偏位监测.

4)黄河流凌期,特别是洪水和流冰同时冲击作用下,也即黄河开河中后期.最大悬臂状态箱梁根部及桥墩墩底横向弯矩较大,因此应加强对临时固结措施监控,确保墩梁整体刚度足以抵抗横向和纵向的不平衡弯矩效应.

[1]胡 虎.大跨径连续梁桥大悬臂施工阶段静风荷载与静风稳定性分析[J].中外公路,2007,27(6)：97-99.

[2]邹 虎,罗小峰,刘海彬.泾河特大桥考虑风荷载影响的最大悬臂状态稳定性分析[J].公路,2010(2)：14-17.

[3]中华人民共和国交通.JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范[S].北京：人民交通出版社,2004.

[4]中交公路规划设计院.西部开发省际通道包树黄河特大桥施工设计[R].北京：中交公路规划设计院, 2010.

[5]陈政清.桥梁风工程[M].北京：人民交通出版社, 2005.

[6]陈艾荣,项海帆.悬臂施工中的刚构桥梁凤荷载计算方法[J].公路,1998(3)：22-26.

[7]内蒙古自治区水利水电勘测设计院.西部开发省际通道包头至树林召公路黄河特大桥防洪评价报告SC2005-99-(H)-33/3[R].呼和浩特：内蒙古自治区水利水电勘测设计院,2010.

[8]郭俊峰.凌汛期大跨径桥梁的安全性评价[D].武汉：武汉理工大学交通学院,2008.