超长栈桥安全论证

杭州湾跨海大桥南岸超长栈桥安全论证 汇报人 伍军中铁四局集团有限公司2005年8月 摘要 杭州湾跨海大桥南岸超长栈桥 是南岸施工的生命线 规模宏大 使用期长 处于复杂多变的海洋环境中 是非常重要的临时结构 需降低工程风险 确保安全运营 本文就安全设计标准 结构安全设计及分析 施工安全控制安全运营 预警和抢险等方面进行了论述 关键词 杭州湾 超长栈桥 结构设计安全论证 1栈桥工程概况 杭州湾跨海大桥全长36公里 是在建的世界第一跨海长桥 为配合其南岸引桥施工 南岸滩涂区的栈桥全长9 78km 建成后将是世界上最长的栈桥 2 安全论证的必要性 工程重要性规模巨大 属罕见的超大型临时工程投资大 必须考虑各种安全风险工程的特殊性南岸施工唯一生命线 咽喉工程运营周期长达5年 有半永久性结构特点杭州湾海洋环境的不确定性风 浪 潮 流等灾害的性气候栈桥修建对整个水文条件的影响 2 安全论证的必要性 控制栈桥设计的因素车辆荷载风浪潮流局部冲刷影响栈桥安全的设计因素有 栈桥设计荷载取值的合理性 栈桥结构设计的合理性栈桥安全运营管理灾害条件下的预警和抢险措施等论证方法对栈桥的设计标准及参数进行研究 提出合理的荷载组合与验算标准对栈桥结构进行全面分析计算 最后提出对栈桥安全性的评估 3 栈桥设计标准 栈桥的设计状态与最不利工况 设计验算准则 在工作状态下 栈桥应满足正常车辆通行的安全性和适用性要求 并具有足够的安全储备 在非工作状态下 栈桥停止车辆荷载通行 此时栈桥应能满足整体安全性的要求 允许出现局部可修复的损坏 在自施工状态下 栈桥应满足自身施工过程的安全 但6级风以上时 应停止栈桥施工 设计参数取值依据 汽车荷载 招标文件规定风 宁波市气象局提供参考桥规基本风压分布图浪 工作状态能满足90 以上的施工条件工作状态组合中波浪高 周期参考招标文件第五章结论非工作状态组合中波浪高及周期据招标文件第五章中的参数H13 推得参考有关文献潮位根据地质勘测资料及河口所提供的潮水位标高得到 设计参数取值依据 流速专业水文单位提供的资料杭州湾跨海大桥相应的水文专题报告参考相关文献现场经理部实测的资料冲刷专业水文单位提供的资料根据经验公式计算参考相关冲刷资料文献类似工程调研现场经理部实测的资料 3 2 桥面宽度 标高 跨度 栈桥标高十年一遇高潮位 95 以内波高 栈桥主梁底部标高桥面宽度栈桥按双向行车道设计 桥面宽8 0m 每400m左右设会让点一处车辆荷载等级按招标文件要求 本桥车辆荷载等级为 汽 超20 履 100 挂 120 3 3桥位选择 栈桥桥位比较表结论 栈桥设于主桥下游21m处 4 栈桥结构设计 上部结构 多跨连续贝雷桁梁方案下部结构 钢管桩基础桥面系 正交异性钢桥面 栈桥贝雷桁架 321 公路钢桥 主梁 90支撑架 栈桥钢管桩基础 3 800钢桩 桩顶横梁 型钢剪刀撑 桥面系 10 工字钢 10 槽钢 8mm花纹板 基本结构形式 贝雷梁结构 321 型贝雷桁架基本跨径组合 7 15m一联每联设双排桩 8片间距0 9m贝雷桁架桥面宽8 0m桥面系 正交异性板桥面系 桩基础 600 800 10钢管桩 栈桥结构图 栈桥桥面系基本构造 正交异性钢板 纵肋 10槽钢横肋 I10工字钢 贝雷梁分析 贝雷桁架分析 采用空间有限元法对贝雷桁架进行计算分析 建立7 15m一联的结构计算模型 在有限元模型中将钢管桩以及桩间撑与贝雷梁一同考虑 取 800直径的钢管桩 桩的计算长度取至泥面以下h 4 处 全桥有限元模型 有限元模型横截面 贝雷梁稳定性分析 最不利加载 发生失稳时的前两阶模态 其屈曲稳定系数分别为4 138和4 818 结论 符合要求 桥面板计算模型 采用有限元法对桥面板进行应力分析 桥面板按两轮荷载作用下连续板计算 桩基分析 垂直承载力 以 简明工程地质手册 和 桥梁桩基计算与检测 赵明华编 中介绍的考虑敞口钢管桩的专门计算公式为依据来计算栈桥桩基的单桩竖向承载力 水平承载力 单桩水平承载力计算采用m法 钢管桩壁厚采用的是桩身腐蚀1mm后的厚度 在计算中采用电算进行验算 桩基稳定性 采用有限元的方法进行验算 用弹簧单元来模拟桩对土的作用 考虑土对桩的作用 其作用通过各种不同刚度的弹簧单元来模拟 在大型通用软件ANSYS中 是通过三维杆单元Link8来实现 图5 6计算简图 图5 7计算模型 5 栈桥施工 运营管理 优化施工方案 钢管桩静载试验 验证设计 加强栈桥监测 制定切实可行的栈桥交通管制办法 5 1装配式悬臂导向架的设计施工 装配式悬臂导向架施工钢管桩基础 解决了钢管桩精确定位的难题 将海上施工转化为陆地作业 实现全天候作业 不受潮水的影响 机械化 标准化程度提高 工效成倍增加 图6 1装配式悬臂导向架结构图 栈桥施工流程 栈桥施工流程 栈桥施工流程 5 2单桩静载试验 试验目的通过试桩的荷载沉降曲线 研究钢管桩的破坏机理和破坏模式 确定钢管桩单桩垂直承载能力 并以此作为栈桥桩基础设计和优化依据 栈桥基础钢管桩静载试验 号试桩成桩 2003 11 30测试 2003 12 10 号试桩成桩 2004 1 5测试 2004 1 15 号试桩 成桩 2003 5 7测试 2003 5 9 试桩试验加载及测量装置布置图 号试桩试验结果 号试桩的极限垂直承载力720kN 号试桩试验结果 号试桩的极限垂直承载力1035kN 号试桩试验结果 结论 号试桩的垂直承载力静载试验是在试验段进行的 由于客观原因没有将试验做到钢管桩承载力的下降段 故以上试验结果是不完整的 尽管如此 以上试验果仍可以表明 号试桩的极限垂直承载力不小于800kN 理论计算值与试验值对比表 5 3栈桥预警及抢险 必要性杭州湾水域是重大灾害天气多发地段 尤其台风影响 不确定因素多 破坏力大原则 安全第一 预防为主 的思想 按照 以人为本 避免伤亡 以防为主 防抗结合 的原则 栈桥预警 对栈桥自身和所处海湾环境参数 风 潮 流等 进行监控 预先发出安全警报 相关参数超出栈桥设计标准栈桥损坏突发性灾害出现 栈桥结构参数的预警指标 冲刷 超过设计值 20 入土桩长采用抛砂石袋 片石等方法加固风 27 2m S 浪 3 36m 十年一遇 与支栈桥或桥墩临时性联结 提高整体刚度不均匀沉降 35mm采用多台千斤顶同步顶起贝雷桁 增加垫块的方式恢复原栈桥标高 不均匀沉降限值 受第四排桩局部沉降控制当沉降3 5cm时 下弦杆的压应力达到210MPa 不均匀沉降限制值3 5cm 栈桥抢险 预防为主的原则 在灾害天气到来前两三天进入预警状态 以人为本的原则快速有效原则统一指挥 相互配合的原则 抢险预案 抢险预案主要包括 栈桥通行管理 人员保护 栈桥及设备安全 灾后处理等部分 此外 还特别制订了以下3种应急处置预案 防台风应急处置预案 防汛应急处置预案 防龙卷风应急处置预案 对预警机制和抢险措施的论证 预警机制和抢险措施特点 预警与抢险的指导思想明确 预警条件与指标具有可操作性 组织保障有力 抢险预案细致 可以迅速启动实施 6 结论 栈桥的设计 施工及运营安全是重要的核心问题 本文论述了超长栈桥设计标准的确定原则 设计参数取值的依据 计算的相关原理 介绍了栈桥结构设计基本情况 结构建模分析的相关方法 是栈桥设计科学 合理 有足够的安全性 自行设计制作装配式悬臂导向架 解决了在恶劣的海洋环境条件下栈桥基础钢管桩精确定位的难题 将海上施工转化为陆地作业 施工现场机械化 标准化程度提高 工效成倍增加 是栈桥施工的关键工艺 具有领先的水平 可以应用于其它栈桥的施工 制定切实可行的栈桥交通管制办法 加强对施工车辆的交通管理 确保栈桥的施工及运营安全 这是一种在无成功经验可借鉴的前提下 解决栈桥施工运营安全技术难题的新思路 施工中积累了宝贵的技术参数和经验 取得了较好的科技成果 6 结论 施工中建立预警