复杂施工环境下栈桥超高钢管桩安全影响因素耦合分析

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为方便跨江桥梁主体结构施工过程中的人员通行、物质设备运输等施工作业,栈桥已成为必不可少的临时性结构物,甚至是保证工程施工进度、施工成本的关键因素。当前,栈桥超高钢管桩受力分析、计算方法的研究较多,但对施工中安全影响因素的研究较少,特别是在几何初始缺陷、水流荷载、风荷载、船行波等施工不利环境因素耦合作用下的分析尚未见报道。针对钢管桩偏位不便于施工人员直接计算的问题,同时考虑几何初始缺陷、风荷载和水流荷载作用,建立钢管桩偏位值简化计算方法;针对船行波可能导致栈桥过大晃动问题,考虑船行波和钢管桩几何初始缺陷,通过附加质量与附加阻尼比简化流固耦合作用,研究不同船型、水位及船速下钢管桩的动力响应,提出控制钢管桩过大晃动措施。为类似栈桥超高钢管桩施工提供可供参考的技术支撑。本文的主要研究内容及结论如下:(1)分析栈桥超高钢管桩偏位影响因素及规律。分析施工现场可能引起栈桥超高钢管桩偏位的因素,基于力学原理推导风荷载、水流荷载单独作用下超高钢管桩偏位公式,研究不同荷载作用下钢管桩偏位幅值和影响规律。结果表明,水流荷载对施工中钢管桩的影响最大。(2)考虑几何初始缺陷、风荷载、水流荷载的综合作用,通过理论推导建立钢管桩偏位简化理论计算公式。为便于理论推导,几何初始缺陷采用位移函数表征,风荷载简化为钢管桩顶部集中力,水流荷载采用倒三角模型,通过求解计入非线性的平衡微分方程,推导得出钢管桩顶部偏位简化计算公式。在此基础上,分析几何初始缺陷、钢管桩高度及轴压比、水位高度对钢管桩偏位的影响,结果表明上述因素对栈桥钢管桩偏位影响很大,且几何非线性对钢管桩偏位影响十分明显。(3)在考虑几何初始缺陷的基础上,研究船行波对钢管桩位移响应的影响规律,提出消除栈桥过大晃动的措施。建立栈桥整体有限元模型,通过附加质量法、附加阻尼分别考虑水体对结构频率、振动抑制的影响,分析不同船型、水位及船速下栈桥的共振机理及幅值。结果表明,客船引发栈桥过大位移的机理为共振反应,而大型驳船是船行波荷载较大;建议中小型客船限速为15 km/h以防止共振,大型驳船限速10 km/h以减小波浪荷载大小。
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