大型吊装工程中水上钢栈桥结构设计分析.pdf

第 54 卷第 20 期 2023 年 10 月Vol.54 No.20 Oct.20232449 建 筑 技 术 Architecture Technology大型吊装工程中水上钢栈桥结构设计分析熊 畅1,2，韩 芳1（1.武汉科技大学，430070，武汉；2.中国一冶集团有限公司，430081，武汉）摘要：钢栈桥一般用于过渡性临时工程，具有布置灵活、安拆方便及重复使用等特点，在水上、跨线施工等特定环境下得到广泛应用。以 200 t 履带式起重机在水上钢栈桥上进行箱梁的吊装为工程背景，采用有限元法分析了 49 种钢栈桥平台的使用工况，得出了履带式起重机在钢栈桥上的最佳站位点和安全站位区间，并定量分析了钢管桩的最小入土深度，取得了较好的效果。关键词：钢栈桥；有限元法；最佳站位点；安全站位区间；最小入土深度中图分类号：TU 744 文献标志码：A 文章编号：1000-4726(2023)20-2449-05DESIGN AND ANALYSIS OF STEEL TRESTLE STRUCTURE IN LARGE HOISTING PROJECTXIONG Chang1,2,HAN Fang1(1.Wuhan University of Science and Technology,430070,Wuhan,China;2.China First Metallurgical Group Co.,Ltd.,430081,Wuhan,China)Abstract:Steel trestle is generally used in transitional temporary projects,with flexible layout,easy installation and disassembly and reuse has been widely used in the water,cross-line construction and other specific environment.Based on the 200 tons crawler crane on the hydraulic steel trestle for box girder hoisting the engineering background,using the finite element method analysis of 49 kinds of steel trestle platform use condition,the crawler crane was obtained in the best position to point on the steel trestle and security stance interval,and quantitative analysis of the steel pipe piles into smallest depth,good results had been achieved.Keywords:steel trestle;finite element method;best position;safe standing interval;minimum penetration depth1 工程背景湖北省武汉市新建二七长江大桥匝道工程，其中A 匝道第四联柱墩编号为 A11、A12、A13、A14，设计为（40+53+40）m 曲线连续钢箱梁，截面为单箱双室，桥宽 11 m，梁高 2.4 m，跨越罗家港河道。第四联 A11A12 跨、A13A14 跨钢箱梁具备独立的场地吊装条件，直接采用起重机分段吊装就位。A12A13 跨梁段需搭设水上钢栈桥（图 1），采用200 t 履带式起重机在钢栈桥上分 6 段将箱梁吊装就位，其中单榀最大箱梁重约 47.2 t。钢栈桥所在的罗家港河道主要排放城市污水，宽约 33 m，水深 1.03.0 m，日变化幅度 0.51.0 m，栈桥河道区域地质土层情况从上至下依次为淤泥、粉质粘土夹粉土、淤泥质粉质粘土、粉质粘土夹粉土、粉砂、细砂。2 钢栈桥结构设计总体方案钢栈桥全长 48 m，宽 11.6 m，跨径为 9 m+9 m+第三联第五联二七桥A11 墩柱A12 墩柱A13 墩柱A14 墩柱罗家港河道罗家港河道风栈桥第四联（阴影部分）图 1 钢栈桥位置示意3 m+9 m+9 m+7.5 m，由下部结构、上部结构及桥面系组成（图2图4）。下部结构包括49根螺旋式敞口 63010钢管桩，钢管桩进入粉砂层以下，中间设置制动墩传递制动力，采用20a布成剪刀撑与钢管桩焊接，以增强钢栈桥整体稳定性。上部结构主要包括7组三拼I40b枕头梁和28排“321”型贝雷梁（8组双排单层和4组3排单层），贝雷片单元之间销接，枕头梁与钢管桩焊接。贝雷梁下弦杆与枕头梁采用U形卡扣进行连接，4组3排单层贝雷梁之间采用10a布成斜收稿日期：20230823作者简介：熊畅（1982），男，湖北随州人，教授级高级工程师，e-mail:.建 筑 技 术第 54 卷第 20 期2450撑以阻止贝雷梁横向移动。桥面系主要包括分配梁、桥面板及栏杆。钢板桩(共 49 根)GFEDCBA12345677654321ABCDEFG图 2 钢管桩平面布置示意7 5009 0009 0009 0003 0009 000钢板桩制动墩河道河道图 3 钢栈桥纵截面示意栏杆 483（A3）桥面板=10 mm（A3）分配梁 3I25a250（A3）横向斜撑 10a（A3）“321”型贝雷梁（16Mn）枕头梁 3I40b（A3）平联 20a（A3）钢管桩 63010（A3）2 5002 5001 5001 5001 5001 500图 4 钢栈桥横截面示意桥面伸缩缝设置在制动墩的正上方，此时完全断开的构件包括桥面板、栏杆、贝雷梁。桥台处伸缩缝设置在桥台与贝雷梁连接处，此时桥面板、贝雷梁与桥台完全断开。3 钢栈桥有限元模拟与工况分析3.1 荷载参数栈桥在使用过程中，主要承受结构自重、人群机具荷载、履带式起重机压力荷载、履带式起重机制动力、风荷载、水流力等。3.1.1 结构自重、人群机具荷载在建模过程中，钢栈桥重量由软件自动计算，属于永久荷载。人群机具荷载取值 3 kN/m2。3.1.2 履带式起重机压力荷载200 t 履带式起重机整机重量 220 t，钢箱梁最大起吊重量 47.2 t，取在栈桥上工作状态下最大吊重60 t，总重 280 t。履带中心距 6.1 m，履带接触地面长度 7.75 m、宽度 1.1m。（1）正吊时，履带轮压 P=164.2 kN/m2，正吊履带轮压如图 5 所示。6 100履带 1履带 2164.2 kN/m2164.2 kN/m2图 5 正吊履带轮压示意（2）侧吊时，取一侧履带式起重机受力 70%，另 一 侧 受 力 30%，履 带 轮 压 Pmax=229.9 kN/m2，Pmin=98.5 kN/m2。侧吊履带轮压如图 6 所示。6 100履带 1履带 2229.9 kN/m298.5 kN/m2图 6 侧吊履带轮压示意（3）移动荷载。履带式起重机在钢栈桥来回运动时，不进行吊装作业，移动荷载产生的效应由软件自动计算，其中履带式起重机线荷载 284 kN/m。3.1.3 履带式起重机制动力按 照 JTG D602015 公 路 桥 涵 设 计 通 用 规范的规定，一个设计车道上由汽车产生的制动力标准按照车辆总重量的 10%进行计算1，即制动力F=220 kN，理论认为制动力通过桥面板传递给制动墩，其传递路径为：桥面板分配梁贝雷桁架枕头梁制动墩。3.1.4 风荷载项目施工区域地面粗糙度为 A 类，根据 GB 500092012建筑结构荷载规范，风压高度变化系数 z=1.09，风振系数 z=1，28 榀贝雷片整体体型系数 stw=1.063，武汉地区基本风压 w0=0.25 kN/m2，风压标准值 wk=0.29 kN/m2。取 3 跨贝雷进行分析，贝雷横向挡风面积 s=11.249 m2，将风荷载等效作用于每跨跨中的上弦杆上，单点集中荷载 q=1.1 kN。3.1.5 水流力水流对钢管桩的作用力从水面到水底近似呈三角形分布，压力合力作用点位于距离水面 1/3 倍水深处。按照 JTG D602015公路桥涵设计通用规范的规定，计算式如下：w22FKAg=（1）2023 年 10 月2451式中：Fw为流水压力标准值（kN）；为水的密度（一般取 10 kN/m3）；v 为设计流速（m/s）；A 为钢管桩阻水面积（m2）；g 为重力加速度，g=9.8 m/s2；K 为钢管桩形状系数，K=0.8。3.1.6 荷载统计荷载统计见表 1。表 1 荷载统计荷载名称荷载值作用方向及部位荷载类型结构自重程序自动计算永久荷载正吊压力荷载164.2 kN/m2垂直于桥面板可变荷载侧吊压力最大荷载229.9 kN/m2垂直于桥面板可变荷载侧吊压力最小荷载98.5 kN/m2垂直于桥面板可变荷载移动荷载284 kN/m组合作用可变荷载履带式起重机制动力220 kN平行于桥面板可变荷载人群机具荷载3 kN/m2垂直于桥面板其他可变荷载风荷载1.1 kN垂直于贝雷架其他可变荷载水流力3.4 kN垂直于钢管桩其他可变荷载3.2 有限元模型本工程为大型吊装作业，履带式起重机整机重量为 220 t，最大起吊重量为 47.2 t，钢栈桥负载大，为精确验证该结构体系的可靠性，采用 midas Civil 通用有限元软件对钢栈桥进行模拟和工况分析，其中桥面板采用板单元模拟，其余构件采用梁单元模拟，共建立18 997个节点、24 292个梁单元、5 539个板单元、5 572 处刚性连接、392 处弹性连接，贝雷片之间释放梁端约束共 840 处。3.3 边界条件根据钢栈桥传力特点，在数值分析时对钢栈桥内外边界做如下处理（其中，Dx、Dy、Dz分别代表节点沿 x 轴、y 轴、z 轴方向的平动，Rx、Ry、Rz分别代表节点沿 x 轴、y 轴、z 轴方向的转动）。（1）桥面板与分配梁：固结，共节点（桥面板偏心 130 mm）。（2）贝雷片与分配梁：刚性连接，约束 Dx、Dy、Dz、Ry、Rz，释放 Rx。（3）花架与贝雷片：弹性连接。第一次施加：Dx=Dy=Dz=106 kN/m；第二次施加：Rx=0、Ry=Rz=106 kNm/rad。（4）贝雷片与贝雷片：销接，释放绕梁端 yy 轴的旋转自由度。（5）枕头梁与贝雷片：刚性连接。轴：约束 Dx、Dy、Dz、Rx、Rz，释放 Ry；轴至轴：约束 Dy、Dz、Rx、Rz，释放 Dx、Ry。（6）钢管桩与枕头梁：固结，共节点。（7）钢管桩与土层：固结2，约束Dx、Dy、Dz、Rx、Ry、Rz。3.4 工况分析与荷载组合履带式起重机在钢栈桥上行走至吊装工位时，移动速度不大于 5 km/h，此阶段不进行吊装作业，履带式起重机对钢栈桥产生移动荷载效应和一定的制动力。根据 JTG D602015公路桥涵设计通用规范，制动力与流水压力不同时组合，但此钢栈桥为临时工程，履带式起重机存在行走和停止的状态，因此考虑制动力与流水压力组合的情况。在吊装过程中，最重钢箱梁为 47.2 t（数值模拟中取 60 t），履带式起重机整机重量 220 t，履带式起重机起吊状态下总荷载始终不会大于 280 t，因此可将履带式起重机起吊压力荷载分项系数取值为 1.0。履带式起重机在 9 m 跨跨中吊装时，贝雷梁弯矩与变形最大。跨端吊装时，贝雷梁承受剪力最大，在墩顶吊装时，支座反力最大。因此整个吊装阶段可分为履带式起重机行走、跨中正吊、跨中侧吊、跨端正吊、跨端侧吊、墩顶正吊、墩顶侧吊7个工况（表2）。表 2 吊装工况工况荷载作用荷载组合永久荷载 q1主要可变荷载 q2其他可变荷载q3墩顶侧吊结构自重履带式起重机压力荷载人群机具荷 载+风荷载+水流力1.2 荷载q1+1.0 荷载 q2+1.4荷载 q3墩顶正吊结构自重履带式起重机压力荷载人群机具荷 载+风荷载+水流力1.2 荷载q1+1.0 荷载 q2+1.4荷载 q3跨端侧吊结构自重履带式起重机压力荷载人群机具荷 载+风荷载+水流力1.2 荷载q1+1.0 荷载 q2+1.4荷载 q3跨端正吊结构自重履带式起重机压力荷载人群机具荷 载+风荷载+水流力1.2 荷载q1+1.0 荷载 q2+1.4荷载 q3跨中侧吊结构自重履带式起重机压力荷载人群机具荷 载+风荷载+水流力1.2 荷载q1+1.0 荷载 q2+1.4荷载 q3跨中正吊结构自重履带式起重机压力荷载人群机具荷 载+风荷载+水流力1.2 荷载q1+1.0 荷载 q2+1.4荷载 q3履带式起重机行走结构自重移动荷载、履带式起重机制动力人群机具荷 载+风荷载+水流力1.2 荷载q1+1.4 荷载 q2+1.4荷载 q34 履带式起重机站位安全区间分析4.1 最佳站位点履带 1 左边缘距左侧栈桥边 500 mm、履带 2 右边缘距离右侧栈桥边 500 mm 分别为履带式起重机站位的临界位置，以横桥向为 x 轴，垂直于桥面系为 y熊畅，等：大型吊装工程中水上钢栈桥结构设计分析建 筑 技 术第 54 卷第 20 期2452轴，履带在左侧栈桥的极限位置为坐标原点建立坐标系（图 7）。分析履带式起重机 O1点在 x=0，550，1 100，1 650，2 200，2 750，3 300 处和各种工况下钢栈桥的峰值应力和峰值位移，获得49组工况数据，得出应力和位移折线图（图 8、图 9）。200 t 履带式起重机履带 1履带 21 1006 100O2O1P1P2P3P4P5P6P7500500栏杆图 7 履带式起重机横桥向站位示意墩顶侧吊跨端侧吊跨中侧吊移动工况墩顶正吊跨端正吊跨中正吊4504003503002502001501005005501 1001 650履带式起重机在横桥向上的位置/mm2 2002 7503 300峰值应力/MPa图 8 钢栈桥峰值应力峰值位移/mm5501 1001 650履带式起重机在横桥向上的位置/mm2 2002 7503 300109876543210墩顶侧吊跨端侧吊跨中侧吊移动工况墩顶正吊跨端正吊跨中正吊图 9 钢栈桥峰值位移（1）履带式起重机在横桥向同一位置时，跨中正吊应力跨端正吊应力墩顶正吊应力，跨中侧吊应力跨端侧吊应力墩顶侧吊应力，因此宜优先选择跨中起吊。（2）在 x=1 100 mm 处（即履带式起重机从 O2点移动至 P3点，履带 2 位于 8 组双排单层贝雷梁的中部位置），钢栈桥在各种工况下均具有最小的峰值应力，峰值位移也远小于允许位移（表 3），此点即履带式起重机在横桥向上的最佳站位点。表 3 钢栈桥各构件峰值应力和峰值位移（x=1 100 mm）工况峰值应力/MPa峰值位移/mm墩顶侧吊154.22.9 墩顶正吊206.73.2 跨端侧吊147.64.3 跨端正吊2004.6 跨中侧吊134.44.3跨中正吊185.54.6移动工况216.54.84.2 安全站位区间履带式起重机在工作状态下需要在钢栈桥横向方向做适当移动，以满足最佳吊装角度和回转半径的要求。通过数值分析，右侧履带 O2点在 P3点与 P6点之间时，钢栈桥应力和位移均在允许范围内，该移动范围也为履带式起重机安全站位区间，超过该区间，钢栈桥内部应力将超过容许应力，安全不能保障。以从 O2点移动至 P6点（x=2 750 mm）为例，对钢栈桥进行分析，得出钢栈桥各构件在各工况下的峰值应力和峰值位移（表 4）。表 4 钢栈桥各构件峰值应力和峰值位移（x=2 750 mm）工况峰值应力/MPa峰值位移/mm弦杆 竖杆斜杆钢管桩枕头梁分配梁桥面板平联 花架墩顶侧吊72.1 272.284.364.938.425.731.931.6 114.53.6墩顶正吊59.3 232.662.361.344.531.123.429.586.22.9跨端侧吊88.0 261.8 113.148.931.326.833.323.499.36.4跨端正吊62.3 205.481.844.73341.823.620.774.24.6跨中侧吊88.7 246.111346.630.026.833.522.592.66.5跨中正吊62.8 187.881.54231.54223.719.469.44.6移动工况107.7 232.289.059.543.7 120.231.554.282.74.9允许值273.0 273.0 273.0 215.0 215.0 215.0 215.0 215.0 215.0 36.0 在钢栈桥结构系统中，贝雷梁为 16 Mn 材质，钢材的容许应力提高 30%，其容许拉应力、压应力、弯应力为 273 MPa，其余均为 A3 材质，允许应 力 为 215 MPa。JTS1522012 水 运 工 程 钢 结构设计规范中规定钢引桥扰度的限制为 L/250，即 9 000/250=36 mm。根据表 4，在墩顶侧吊工况时，钢栈桥贝雷梁竖杆出现最大组合应力 272.2 MPa 273 MPa。在跨中侧吊工况下栈桥最大竖向变形为6.5 mm36 mm，因此，在x=1 100，2 750区间，钢栈桥各构件的应力和变形均满足规范要求，该区间即为履带式起重机安全站位区间。2023 年 10 月2453熊畅，等：大型吊装工程中水上钢栈桥结构设计分析5 钢管桩入土深度的确定与稳定性分析5.1 最大支座反力本工程钢管桩设计为敞口式摩擦桩，以入土深度控制为主，持力层选为粉砂层或细砂层。为降低工程成本，需要精准确定钢管桩的支座反力和入土深度。当履带式起重机位于 x=1 100 mm、1 650 mm、2 200 mm、2 750 mm 时，分析钢管桩在 7 种不同工况下的支座反力，每根钢管桩获得28组支座反力数据，得出钢管桩最大支座反力（图 10）。5.2 入土深度根据 JGJ 942008建筑桩基技术规范，钢管桩竖向承载力标准值：uks kppkpiiQq lq A=+（2）式中：桩身周长=1.98 m；qsik为单桩第 i 层土的极限侧阻力标准值；li为桩周第 i 层土的厚度；桩端土塞效应系数 p=0.8；粉砂层极限端阻力标准值qpk=1 000 kPa；桩端面积 Ap=0.019 m2。单桩竖向承载力特征值：Ra=0.5Quk（3）设定钢管桩进入粉砂层的深度为 h，根据式（3）可建立 Ra与 h 的关系式：Ra=23.76 h+648.625（4）320.7440.9596.5362.6278.9412.2275.512.115.321.912.012.114.112.1424.0542.0733.2453.7377.5543.2353.814.619.627.615.812.617.412.1354.0449.9568.8379.4305.8466.6296.612.115.723.812.712.116.412.1384.6472.1642.6409.5339.9489.6310.712.916.623.814.012.117.412.1404.4496.1534.4420.4349.4516.0330.713.817.619.214.412.118.512.1372.6449.8491.5385.0304.5470.3314.112.415.717.413.012.116.512.1566.8681.6730.4567.4497.6708.1468.020.625.427.5钢管桩（共 49 根）最大支座反力/kN最小入土深度/m20.617.726.616.4图 10 钢管桩最大支座反力与最小入土深度为满足安全承载的要求，应使 Ra Rmax，得出钢管桩最小入土深度。5.3 钢管桩稳定性在实际施工中，临时钢管桩打入土层，上端与贝雷梁连接，可按照两端铰接结构验算，此时计算长度系数 u=1。钢管桩计算长度 l=16 m（河道水深 3 m，水面以上长度 3 m，假定在入土 10 m 处铰接），则长细比=73.0150。根据长细比，查GB 500172017 钢结构设计标准可知，b 类钢管稳定系数=0.732，计算钢管桩整体稳定应力51.4 MPa215 MPa=。6 工程应用效果本工程水上栈桥于 2018 年 12 月 20 日开始施打钢管桩，2019 年 5 月 30 日钢栈桥拆除完成，吊装期间钢栈桥正常承载，未发生任何异常情况，跨河箱梁顺利安装完毕，取得了较好的施工效果。7 结束语以水上钢栈桥吊装平台为研究对象，采用有限元法对各种使用工况进行了仿真分析，主要结论如下。（1）履带式起重机在钢栈桥上吊装时具有最佳站位点和安全站位区间。在满足吊装能力的前提下，履带式起重机宜位于最佳站位点，履带式起重机在行走和吊装工况下，不得越过安全站位区间。（2）根据规范和实际地勘情况建立了钢管桩支座反力与入土深度的关系式，定量分析了 49 根钢管桩最小入土深度，这对以入土深度控制为主的钢管桩来说是重要的，避免所有钢管桩按照统一尺寸施打，对施工具有参考性，并有利于节约材料。（3）由于钢栈桥结构体系中贝雷梁为空腹装配式桁架结构，具有很高的结构效率，经济性较好，正常使用状态下应力比大于其他构件，因此设计与分析过程应重点关注贝雷梁的应力变化，并适时调整贝雷梁的布置。（4）该结构体系中钢管桩、枕头梁、桥面系等均为可利旧成品，具有多次重复使用和适应性强的特点，虽然应力较小，安全储备较大，但与购买材料重新制作相比，仍有很好的经济性。参考文献1 公路桥涵设计通用规范:JTG D602015S.2 蒋赣猷,郑健,李莘哲.钢栈桥结构设计与有限元分析 J.西部交通科技,2021(12):8284.3 胡常福.装配式钢栈桥设计与施工 M.北京:人民交通出版社,2018.