特大跨径悬索桥钢桁梁运梁栈桥结构设计

朱立山，张国刚，刘武

(1.湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南 长沙 410004； 2.湖南省交通规划勘察设计院有限公司；3.中南公路建设及养护技术湖南省企业重点实验室)

1 工程概况

杭瑞高速公路湖南段岳阳洞庭湖大桥是临湘至岳阳高速公路全线的控制性工程，是目前中国最大跨径的钢桁梁悬索桥，其主缆跨径组合为：(460+1 480+491) m，主梁跨径组合为：(1 480+453.6) m，锚碇为重力式锚碇；索塔为钢筋混凝土门式塔结构。

加劲梁全宽35.4 m，梁高9 m。采用板桁结合钢桁加劲梁，设计时均考虑板桁共同作用。主桁架为带竖腹杆的华伦式结构，由上弦杆、下弦杆、竖腹杆和斜腹杆组成。主桁桁高9.0 m，桁宽35.4 m，节间长8.4 m。每个节间处设置一道主横桁架。一个标准节段长度16.8 m，由两个节间组成。

目前，悬索桥加劲梁架设主要有4种方法：桥面吊机悬拼法、缆索吊拼装法、跨缆吊机安装法以及柔性轨索滑移法。根据现场情况，选择采用跨缆吊机方法安装加劲梁，由于洞庭湖悬索桥主边跨浅水区及无水区钢桁梁节段架设区域受到地形水文条件的影响，钢桁梁无法采用常规运梁驳船水运就位进行架设施工，故在浅水区及无水区架设栈桥，进行运梁和存梁作业。栈桥的设计是否合理、结构是否安全关系到整个加劲梁的架设安全及进度。该文对岳阳侧运梁栈桥进行详细的结构设计，以及强度、刚度、稳定性等验算，以保证大桥施工进行顺利、安全。

2 运梁栈桥结构设计

运梁栈桥从岳阳侧A1索塔延伸至江内，总长约258.8 m，从沿江大堤中线计起至江内约143.5 m。标准跨径单跨9 m。栈桥分左右两幅，分别与加劲梁节点位置对应。

运梁栈桥由钢管桩(φ710钢管桩)+桩顶横向分配梁(3I45)+纵向贝雷架+横向分配梁(2I36b)+运梁轨道(2I45b)组成，各片贝雷梁之间采用角钢花架连接，栈桥端部受力大，故端部花架采用角钢∠63 mm×10 mm，中间位置花架采用∠63 mm×4 mm。钢管桩之间的剪力撑采用I36b工字钢。贝雷架及连接花架采用Q345钢材，其他采用Q235钢材。跨沿湖路段采用落地轨道。基础立柱采用振打钢管桩，钢管桩采用专门设备(振动锤)插入岩层。运梁栈桥贝雷梁横向联系图、立面布置图和栈桥桥墩横断面布置图如图1～3所示。

图1 栈桥贝雷梁横向联系图(单位:cm)

图2 栈桥立面图(单位:cm)

图3 栈桥桥墩横断面布置图(单位:cm)

3 运梁栈桥结构分析

3.1 有限元模型

采用桥梁专业有限元分析软件Midas/Civil对运梁栈桥结构进行三维空间有限元分析。桁架弦杆采用梁框架单元，腹杆采用框架单元，贝雷架单元之间采用铰接连接，贝雷架单元内部节点采用刚结，贝雷梁横向连接节点亦采用刚结。

运梁栈桥在两端采用简支支撑，在跨中相应钢管桩位置处设置竖向支撑固结。

3.1.1 岸侧移梁支架有限元模型

岸侧移梁栈桥有限元模型立面图、空间图及横断面图分别见图4～6。该模型单元总数7 559个，节点4 124个。

图4 岸侧栈桥有限元模型立面图

图5 岸侧栈桥有限元模型空间图

图6 岸侧栈桥有限元模型横断面图

3.1.2 江侧移动梁栈桥有限元模型

江侧移动梁栈桥有限元模型立面图、空间图及横断面图分别见图7～10。该模型单元总数36 932个，节点20 894个。

图7 江侧栈桥有限元模型立面图

图8 江侧栈桥有限元模型空间图

图9 江侧栈桥有限元模型横断面图

图10 江侧栈桥有限元模型局部图

3.2 计算荷载

3.2.1 栈桥自重荷载

栈桥为全钢结构，钢结构自重荷载参数，钢材重度：78.5 kN/m3；重力加速度：9.806 m/s2。

3.2.2 加劲梁重量荷载

须用栈桥移运的加劲梁最大重量为321 t，强度计算时，荷载分项系数恒载为1.2、活载为1.4，加劲梁移动时为活载，存梁时为恒载。加劲梁自重荷载分布如图11所示。

栈桥存梁阶段，加劲梁1#～19#节段均临时存于栈桥之上，1#～7#梁段临时存在栈桥上之后即进行吊装。由于沿湖路将栈桥分为岸侧栈桥和江侧栈桥，计算时选取江侧栈桥作为满布钢桁梁荷载进行计算，即8#～19#梁段全部存放于江侧栈桥上，如图12所示。

图11 桁架节段重量分布图

图12 存梁示意图(单位：m)

3.2.3 风荷载

根据JTG/T D60-01《公路桥梁抗风设计规范》，施工阶段风荷载计算公式为：

(1)

式中：ρ为空气密度(kg/m3)，取1.25；Vsg为施工分析阵静风风速，Vsg=ηCVVd，重现期取20年，η=0.88，湖南岳阳为湖岸地区，地面粗糙度为A类，取CV=1.29，Vd=K1V10，基准高度风速取V10=25 m/s，K1=1.174(Z/10)0.12，Z为构件基准高度(m)；CH为风载阻力系数，圆形截面取1.0，矩形截面取1.3；AWH为横向迎风面积(m2)。

可计算得到各构件的风荷载大小如表1所示。

表1 各构件风荷载大小

3.2.4 水流冲击荷载

流水压力的计算根据JTG D60-2015《公路桥涵设计通用规范》中的第4.3.9条有关规定进行计算。

(2)

式中：γ=10 kN/m3；V=2 m/s。

栈桥钢管桩阻水面积A取14.2 m2(以2017年实测洪水位32.0 m和最大水深处钢管桩计算)；圆形墩柱K取0.8。

3.2.5 荷载组合

栈桥结构验算工况及荷载组合如表2所示。岸侧栈桥考虑运梁工况、江侧栈桥考虑运梁及存梁工况。

表2 计算工况及荷载组合

3.3 计算结果

3.3.1 工况1计算结果

(1) 贝雷架强度计算结果

贝雷架的强度验算结果见图13、14。

图13 贝雷架最大正应力包络图(单位：MPa)

图14 贝雷架最大剪应力包络图(单位：MPa)

由图13、14可见:岸侧贝雷架最大应力发生在江侧端部和塔侧端部边支点位置的花架，最大压应力249.0 MPa，小于Q345钢材抗压强度设计值fd=275 MPa；贝雷架最大剪应力50.0 MPa，小于Q345钢材抗剪强度设计值fvd=160 MPa。

(2) 轨道梁强度计算结果

轨道梁的强度验算结果见图15、16。

图15 轨道梁最大正应力包络图(单位：MPa)

图16 轨道梁最大剪应力包络图(单位：MPa)

由图15、16可见：最大压应力为163.3 MPa，小于Q235钢材抗压强度设计值fd=190 MPa；最大剪应力61.7 MPa，小于Q235钢材抗剪强度设计值fvd=110 MPa。

(3) 横向分配梁强度计算结果

横向分配梁的强度验算结果见图17、18。

图17 横向分配梁最大正应力包络图(单位：MPa)

图18 横向分配梁最大剪应力包络图(单位：MPa)

由图17、18可见：最大压应力161.1 MPa，小于Q235钢材抗压强度设计值fd=190 MPa；最大剪应力79.4 MPa，小于Q235钢材抗剪强度设计值fvd=110 MPa。

(4) 钢管桩、剪刀撑强度计算结果

钢管桩、剪刀撑的强度验算结果见图19、20。

图19 钢管桩、剪刀撑最大正应力包络图(单位：MPa)

由图19、20可见：最大压应力98.7 MPa，小于Q235钢材抗压强度设计值fd=190 MPa；最大剪应力48.3 MPa，小于Q235钢材抗剪强度设计值fvd=110 MPa。

(5) 刚度计算结果

岸侧栈桥最大位移包络图如图21所示，运梁过程中最大竖向位移为-6.48 mm(“-”表示向下)，小于规范限值L/400=9 000/400=22.5 mm，满足规范要求。

图20 钢管桩、剪刀撑最大剪应力包络图(单位：MPa)

图21 岸侧栈桥最大位移包络图(单位：mm)

3.3.2 计算结果汇总

3种工况的计算结果汇总如表3所示。由表3可知：各工况的强度和刚度以及稳定性计算结果均满足规范要求。结构稳定系数如图22所示，失稳杆件为钢管桩斜撑，其细部如图23所示。

3.4 运梁支座计算

运梁支座顶板、侧边限位板采用δ20钢板，其余均采用δ14钢板。采用Abaqus建模进行计算，用S4R单元模拟各钢板。边界条件为：底板约束竖向、纵向平动位移，限位板约束横向位移。荷载条件为：加劲梁移动时产生的最大支座压力，考虑一个支座脱空，最大支座反力F=3 210/2×1.4=2 247 kN。主要计算结果：最大变形为f=0.27 mm，最大Mises应力σ=126 MPa <190 MPa(均位于顶板)(图24)，满足要求。

4 结语

对洞庭湖特大跨径悬索桥岳阳侧运梁栈桥进行了结构设计计算，栈桥采用贝雷梁和钢管桩等作为主要受力构件，岸侧栈桥无流水荷载，上下游栈桥之间无横向联系，江侧栈桥采用X撑进行联结。从强度、刚度、稳定性方面对栈桥进行了分析，贝雷梁正应力最大为273 MPa，端部花架加强后可明显改善端部的局部受力情况。各工况剪应力均较小，存梁时剪力撑横向位移最大为34.8 mm，稳定系数为4.046，结果表明各项指标均满足规范要求。对运梁支座进行了细部分析，最大Mises应力σ=126 MPa，满足规范要求。

表3 结构计算结果汇总

图22 稳定系数

图23 失稳杆件细部图

图24 运梁支座应力云图(单位：Pa)