钢栈桥结构安全性分析研究

兰祖平

（福建省恒通路桥工程有限公司，福建南平 353000）

0 引言

近年来，随着我国跨江跨海桥梁建设的迅猛发展，作为运输通道的栈桥成为整个桥梁施工工序中的重要控制点[1-2]。

目前对钢栈桥的结构安全性分析大多为传统的公式计算，存在效率不高、计算精度不足等问题。本文采用理论公式与Midas Civil 有限元软件三维仿真模拟对钢栈桥的强度、刚度、稳定性进行分析，确保钢栈桥施工和使用过程的安全可靠。

1 工程概况

拟建的特大桥处于福建东吾洋湾口最窄口附近的下游，水面宽约0.8km，跨径布置为[4×40.5+2×（3×40.5）+（77+138+77）+（3×40+35）]m，总 长852m。

桥梁起止里程K7+804—K8+666。桥梁下部构造采用柱式墩、薄壁墩配桩基础，肋台配桩基础，U 台配扩大基础结构。

2 钢栈桥设计

2.1 钢栈桥设计方案

钢栈桥与主桥平行布置，全长640m。起点里程K7+885，终点里程K8+635，按双向行车道设计，桥面宽8.5m，分为八联。根据桥位水文地质情况，钢栈桥、平台顶面高程=20 年一遇高水位（+4.95m）+0.5×20 年一遇H1% 波高（2.38m）+安全高度（0.3m）+贝雷梁高（1.5m）+桥面系厚（0.33m）=+8.28m。钢栈桥的设计标准如下[3]：

第一，设计临时荷载标准：满足200t 履带式吊车、200t 旋挖钻行走和作业要求，满足公路一级车荷载通行要求。

第二，施工控制活载：轮式车辆限重55t，单轴重限值14t，履带车辆限重200t。

第三，钢栈桥宽度：钢栈桥桥面总宽8m（不含电缆槽）。

第四，桥面高程：钢栈桥及钻孔平台桥面高程8.28m，考虑梁底高于最高水位不小于1.5m，钢栈桥结构高度1.886m。

第五，限行速度：轮式车辆限速20km/h，履带车辆限速5km/h。

第六，钢栈桥使用期限：36 个月。

3 钢栈桥结构安全性分析

3.1 建立钢栈桥模型

按照实际尺寸建立钢栈桥模型，定义材料特性，通过Midas Civil 有限元软件自动计算。根据钢栈桥钢管桩类型和伸缩缝的布置情况，选取15m+3m+18m+3m+15m 的一联五跨钢栈桥进行建模分析。考虑车辆在钢栈桥上并排行车，在钢栈桥桥面建立两个车道面，车辆行驶方向相同，车道中心线距离桥面中心线的横向距离分别为±1.65m，车辆的轴荷采用自定义车辆加载。

3.2 荷载分布

3.2.1 汽车荷载（满载状态）。45.8t 的混凝土罐车、235t 的履带式起重机、200t 的履带式旋挖钻机、31.75t 汽车起重机、35t 的挖掘机及挂车等。

3.2.2 汽车冲击力。钢栈桥加载采用车辆荷载，在进行移动荷载分析时，将自振频率设置为5.969Hz，从而保证冲击系数恰为0.3。

3.2.3 汽车制动力。混凝土罐车及砂石料运输车的制动力110kN 沿纵向作用于桥面板车轮位置。

3.2.4 小型设备及人群荷载。按3kPa 考虑，分布在钢栈桥两侧以及整个钻孔平台范围，钢栈桥单侧分布宽度0.75m。

3.2.5 风荷载。钢栈桥钢管桩外径为1.02m（或1.2m），风荷载以线分布力的形式作用于水面以上的部分。W1风作用下，1.02m 钢管桩的风荷载为77.27N/m，1.2m 钢管桩的风荷载为90.9N/m。W2风作用下，1.02m 钢管桩的风荷载为392.03N/m，1.2m钢管桩的风荷载为461.21N/m。

3.2.6 流水压力。作用于1.02m 钢管桩上的流水压力标准值为66kN，作用于1.2m 钢管桩上的流水压力标准值为103.54kN。

3.2.7 波浪力。在静水面以上0.5m 的范围内施加5kPa 的均布压力荷载，主墩范围钢管桩计算宽度1m，圆形桥墩形状系数K=0.8，集中力FW=2kN。

3.2.8 基本组合。1.2×自重+1.3×1.8×施工可变荷载+1.4×人群荷载+1.4×流水压力+1.1×风荷载。

3.3 结构受力分析

3.3.1 位移分析

（1）通航跨栈桥

（a）公路-I 级荷载。考虑施工可变荷载、人群荷载、流水压力、风荷载作用，模拟计算得到在公路-I 级荷载下通航口两侧栈桥的最大总位移19.5mm。按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）要求，临时结构的容许压缩变形或弹性挠度为相应结构计算跨度的1/400，因此18.0m 钢栈桥的容许值为45mm，实际值小于规范容许值，刚度满足要求。

（b）履带车荷载。考虑履带车在钢栈桥上往返行驶，同时考虑流水压力、风荷载作用，模拟计算得到在履带车荷载下通航口两侧钢栈桥的最大总位移为38.5mm，小于容许值为45mm，刚度满足要求。

（2）标准跨栈桥

（a）公路-I 级荷载。模拟计算得到在公路-I 级荷载下标准跨15.0m 钢栈桥的最大总位移为14.2mm，小于容许值为37.5mm，刚度满足要求。

（b）履带车荷载。模拟计算得到在履带车荷载下标准跨15.0m 栈桥的最大总位移为34.6mm，小于容许值为37.5mm，刚度满足要求。

（3）钢平台支栈桥

考虑旋挖钻荷载在桥面的作用，同时考虑流水压力、风荷载作用，模拟计算得到9m 钢平台支栈桥的最大总位移为14.2mm，小于容许值为22.5mm，刚度满足要求。

3.3.2 应力分析

在荷载组合作用下，通航跨栈桥系统、标准跨栈桥系统主要构件的最大应力值汇总于表1、表2。可见，在各工况下通航跨栈桥系统、标准跨栈桥系统的主要构件均满足强度要求。

表1 通航跨栈桥系统应力验算汇总表

表2 标准跨栈桥系统应力验算汇总表

3.3.3 整体稳定性分析

按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）要求，临时结构杆件应力安全系数应大于1.3，稳定性安全系数应大于1.5。根据钢栈桥钢管桩支反力达到最大荷载状态进行车辆荷载布置，考虑混凝土罐车最不利静力荷载、自重、人群荷载、流水压力及风荷载等荷载作用，在荷载基本组合作用下，分析钢栈桥结构的前三阶失稳模态。经过软件对模型的计算分析，所对应的临界荷载系数分别为7.665、8.783、9.065，均大于1.5，满足稳定性要求。

3.3.4 钢管桩承载力检算（1）钢管桩入土深度计算

根据《码头结构设计规范》（JTS 167—2018），打入型钢管桩的轴向抗压承载力可按下式确定：

式（1）中：Qd——单桩容许承载力，kN；

γR——单桩轴向承载力分项系数，对于打入桩，采用经验参数法计算时，取1.45～1.55；

U——桩身截面周长，m；

qfi——单桩第i层土的侧摩阻力标准值，kPa；

li——单桩穿过第i层土的长度，m；

η——承载力折减系数，对于敞口钢管桩，由于根据初步估算入土深度小于20 倍直径（即24m），桩端进入持力层深度超过5 倍直径（即6m），故直接取η=0，即不计桩端阻力；

qr——单桩单位面积极限桩端阻力标准值，kPa；

A——桩端外周面积，m2。

计算得出：通航口两侧φ1200mm×12mm 钢管桩入土深度L=7.4m，考虑局部冲刷，桩底进入河床以下深度应≥8m；φ1020mm×10mm 钢管桩入土深度L=8m，考虑局部冲刷，桩底进入河床以下深度应≥9.5m；φ820mm×10mm 钢管桩入土深度L=10m，考虑局部冲刷，则桩底进入砂土状强风化花岗岩深度应≥11.5m。

（2）钢管桩稳定性计算

以上通过竖向承载力计算得到的桩入土深度，大于抗弯临界长度，故取桩计算长度以计算钢管桩支反力，进而判断桩身稳定性。结果如下：

（a）φ1200mm×12mm 钢管桩截面的旋转半径0.42m，长细比λ＝119.58≤150，满足要求；参照《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）附表D.0.2 b 类截面轴心受压构件的稳定系数：φ＝0.439，截面强度140.74MPa≤215MPa，满足强度要求；整体稳定性K=0.736≤1，满足稳定性要求。

（b）φ1020mm×10mm 钢管钢管桩截面的旋转半径0.3571m，长细比λ ＝112.04≤150，满足要求；参照《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）附表D.0.2 b 类截面轴心受压构件的稳定系数：φ＝0.481，截面强度179.36MPa≤215MPa，满足强度要求；整体稳定性K=0.999≤1，满足稳定性要求。

（c）φ820mm×10mm 钢管桩截面的旋转半径0.2864m，长细比λ＝104.74≤150，满足要求；参照《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）附表D.0.2 b 类截面轴心受压构件的稳定系数：φ＝0.527，截面强度130.38MPa≤215MPa，满足强度要求；整体稳定性K=0.857≤1，满足稳定性要求。

因此，钢管桩承载力安全。

4 结论

本文采用Midas Civil 有限元软件建模，开展通航跨栈桥、标准跨、钢平台支栈桥的位移分析，通航跨栈桥系统、标准跨栈桥系统的应力验算，钢管桩支反力分析，整体稳定性分析，并应用理论公式法对钢管桩承载力进行检算。结果表明，钢栈桥刚度、稳定性满足要求，各主要构件强度满足要求，钢管桩截面的长细比、截面强度、整体稳定性均满足要求。该栈桥使用期间未出现任何质量安全问题，充分证明了结构安全性分析与技术措施的准确性。