基于有限元模型的鋼棧橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

■尹棟佳　陳　夢　李琳琳　高興贊

（1.上海城建市政工程（集團）有限公司，上海　200065；2.湖北省高速公路實業(yè)開發(fā)有限公司，武漢　430051；

3.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院，武漢　430050）

基于有限元模型的鋼棧橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

■尹棟佳1陳夢2李琳琳3高興贊2

（1.上海城建市政工程（集團）有限公司，上海200065；2.湖北省高速公路實業(yè)開發(fā)有限公司，武漢430051；

3.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院，武漢430050）

通過某大橋臨時工程鋼棧橋的施工方案，詳細介紹了臨時鋼棧橋上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計分析過程。利用空間計算軟件ANSYS和MIDAS/Civil建立棧橋有限元分析模型，結(jié)合某大橋施工中擬投入的施工機械和車輛荷載，對棧橋上部結(jié)構(gòu)進行承載力驗算和穩(wěn)定性分析。在棧橋分析驗算過程中，總結(jié)一些具有實際工程意義的結(jié)論，提出一些關(guān)于鋼棧橋設(shè)計技術(shù)的措施。

鋼棧橋有限元模型施工車輛荷載承載力驗算

1　概述

棧橋布置于某大橋下游，總長約360m，行車道寬10.5m，其中3.5m寬為施工車道及7.0m寬公共車道（雙向2車道），兩個車道間設(shè)置分隔帶，10.5m標(biāo)準(zhǔn)段采用護輪坎及標(biāo)準(zhǔn)欄桿分隔。棧橋北接岸處以3.77%放坡過渡到南接岸處。棧橋所用鋼構(gòu)件材料均為Q235B。上橫梁采用2工45c，主縱梁采用組合貝雷桁梁。其上分配梁工25b間距0.75m/1.5m，縱梁工12.6間距 0.3m，面層采用厚10mm的鋼板?？倷M斷面寬12m，其中10.5m作為車行道，車道兩側(cè)設(shè)置護輪坎，棧橋上游側(cè)0.45m作為管線通道，下游側(cè)1.05m作為人行道。每隔36m設(shè)置500W高桿燈。鋼護欄布置在行車道外側(cè)。棧橋剖面布置如圖1所示。

臨時鋼棧橋作為連接南北兩岸的臨時通道，連接4#至5#主墩，負責(zé)南北兩岸材料運輸及其他標(biāo)段車輛運行，必須提前進行搭設(shè)，同時該棧橋通行重車，且預(yù)留施工人員通道及車道設(shè)置護輪坎，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)較高。

2　設(shè)計條件和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.1設(shè)計條件

棧橋設(shè)計時，必須考慮到以下幾個原則：

（1）符合建設(shè)條件，如地質(zhì)、氣象、水文、通航等條件。

（2）棧橋為施工期間的人員、機械和材料通道，必須結(jié)合施工過程、按照施工需要確定荷載標(biāo)準(zhǔn)、平縱橫斷面設(shè)計參數(shù)等。

（3）棧橋為使用大橋建設(shè)期間長使用2～3年的臨時結(jié)構(gòu)，要適當(dāng)考慮結(jié)構(gòu)的耐久性［1］。

圖1　棧橋剖面布置圖（單位：cm）

2.2技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［2］

（1）棧橋橋?qū)挘?.5m（管線通道）+3.5m（施工車道）+ 7.0m（雙向公共2車道）+1.0m（人行道）=12.0m。

（2）設(shè)計行車速度：貨車或工具車≤15km/h，載人小汽車≤30km/h。

（3）設(shè)計人群活載：人群荷載：3.0kN/m2。

（4）設(shè)計車輛活載：1）8方混凝土罐車：載重時重量30t，總重：300kN（其中：前軸重力標(biāo)準(zhǔn)值：60kN，后軸重力標(biāo)準(zhǔn)值：2×120kN），輪距：1.8 m，軸距：3.45m+1.35m；2）80t履帶吊，吊重20t，共計100t，履帶吊正吊時荷載均分在兩個履帶，側(cè)吊時荷載考慮作用在單側(cè)履帶上，履帶中心距：2.6～4.2m；3）掛-80，車輪及荷載布置示意如圖2所示。

圖2　掛-80車輪及荷載布置示意（單位：m）

（5）棧橋正常使用風(fēng)荷載：1）工作狀態(tài)：V10=16.0m/s

管型構(gòu)件風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：fwh=k0k1k3Wdd=0.75×1.2× 1.0×0.348×d=0.313d

非管型構(gòu)件風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：fwh=k0k1k3Wdd=0.75×1.3× 1.0×0.348×h=0.339h

式中：Wd為設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)壓；Vd為高度Z處的設(shè)計基準(zhǔn)，Vd=K2K5V10；K0為設(shè)計風(fēng)速重現(xiàn)期換算系數(shù)，對施工期架設(shè)橋梁取0.75；K1為風(fēng)載阻力系數(shù)；K2為風(fēng)速高度變化修正系數(shù)；此處按A類地表5m高度取值，所以K2取1.08；K3為地形、地理條件系數(shù)，取1.0；K5為陣風(fēng)風(fēng)速系數(shù)，按A類地表取1.38。

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》表4.3.7-4～4.3.7-6，貝雷風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計算：

桁架的風(fēng)載阻力系數(shù)1.7；遮擋系數(shù) 按實面積比0.213，間距比＜1取0.6，則k1=0.6×1.7=1.02。

一榀貝雷架（3m）風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：

Fwh=k0k1k3WdAwh=0.75×1.02×1.0×0.348×（0.213×3×1.5）= 0.25kN，換算為均布荷載：q=255/3=85N/m。

2）非工作狀態(tài)：V10=23.9m/s

設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)壓：Wd=γV2d

管型構(gòu)件風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：fwh=k0k1k3Wdd=0.75×1.2× 1.0×0.776×d=0.698d

非管型構(gòu)件風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：fwh=k0k1k3Wdd=0.75× 1.3×1.0×0.776×h=0.757h

一榀貝雷架（3m）風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：

Fwh=k0k1k3WdAwh=0.75×1.02×1.0×0.776×（0.213×3×1.5）= 0.569kN

換算為均布荷載：q=569/3=190N/m。

（6）設(shè)計水流流速1.4m/s。

六是走進網(wǎng)民宣傳，線上線下同步推進。充分利用微信公眾號等新媒體平臺，組織開展“掃黑除惡我點贊”、有獎答題等方式開展宣傳活動，并通過微信朋友圈、微信群等平臺廣泛推送，擴大活動覆蓋面，很好地起到了懲治黑惡、震懾犯罪、擴大影響、鼓舞群眾的積極作用?；顒映掷m(xù)10天，共吸引42728人參與。舉辦線下發(fā)布會，來自各行業(yè)系統(tǒng)及街道轄區(qū)的企事業(yè)單位及居民代表300余人參加，對組織活動有力的單位給予表彰獎勵，邀請獲獎單位做經(jīng)驗交流，市民代表談看法感受。

3　上部整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1工況分析

考慮公路-I級荷載（最大55t車輛荷載）小于施工車輛荷載（掛-80荷載），本項目棧橋設(shè)計以施工荷載作為控制工況，各工況下荷載組合見表1。

表1　各控制工況下荷載組合表

各工況荷載組合如下：

工況一：空載渡洪

荷載組合：1.2×①+1.4×（②+③）

工況二：履帶吊釣魚法施工棧橋

荷載組合：1.2×①+1.4×⑥+0.6×1.4×（②+③）

工況三：公共車道以公路-I級荷載控制，施工通道以掛-80控制

荷載組合：1.2×①+1.4×⑤+0.6×1.4×（②+③+④）

（1）約束條件：1）鋼管樁在樁底固結(jié)；2）主橫梁與樁頂固接；3）主橫梁與貝雷鉸接。

（2）計算模型：根據(jù)約束條件，建立有限元模型，采用ANSYS有限元軟件進行建模。結(jié)構(gòu)有限元模型如圖3所示，計算結(jié)果見表2，最終采用容許應(yīng)力法驗算貝雷架和主梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力。

圖3　工況一結(jié)構(gòu)有限元模型

表2　工況一荷載組合作用下結(jié)構(gòu)計算結(jié)果表

貝雷桁架和上主橫梁采用Q235B鋼材，其抗剪容許值 ［Q］=245kN，抗彎容許值 ［M］=788kN·m，橫橋向位移23mm＜L/400=30mm，縱橋向位移 0.6mm，豎向位移1.0mm。各構(gòu)件強度滿足要求。

3.3工況二模型計算分析

（1）約束條件：1）鋼管樁在樁底固接；2）主橫梁與樁頂固接；3）主橫梁與貝雷鉸接。

（2）計算模型：根據(jù)約束條件，建立有限元模型，采用ANSYS有限元軟件進行建模。結(jié)構(gòu)有限元模型如圖4所示，計算結(jié)果見表3，最終采用容許應(yīng)力法驗算貝雷架和主梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力。

圖4工況二結(jié)構(gòu)有限元模型

表3　工況二荷載組合作用下結(jié)構(gòu)計算結(jié)果表

貝雷桁架和上主橫梁采用Q235B鋼材，其抗剪容許值 ［Q］=245kN，抗彎容許值 ［M］=788kN·m，橫橋向位移25.0mm＜L/400=30mm，縱橋向位移 0.4mm，豎向位移10mm。各構(gòu)件強度滿足要求。

3.4工況三模型計算分析

（1）約束條件：①鋼管樁在樁底固接；②主橫梁與樁頂固接；③主橫梁與貝雷鉸接。

（2）計算模型：根據(jù)約束條件，建立有限元模型，采用ANSYS有限元軟件進行建模。結(jié)構(gòu)有限元模型如圖5～9所示，計算結(jié)果見表4，最終采用容許應(yīng)力法驗算貝雷架和主梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力。在公共車道施加汽車-I級移動荷載，施工專用車道施加掛-80移動荷載。

圖5移動荷載分析模型

圖6 12m跨中貝雷彎矩影響線-公共車道

圖7 12m跨中貝雷彎矩影響線-專用車道

圖8　樁頂貝雷剪力影響線-公共車道

圖9　樁頂貝雷剪力影響線-專用車道

表4　工況二荷載組合作用下結(jié)構(gòu)計算結(jié)果表

貝雷桁架和上主橫梁采用Q235B鋼材，其抗剪容許值 ［Q］=245kN，抗彎容許值 ［M］=788kN·m，橫橋向位移27.5mm＜L/400=30mm，縱橋向位移 6.8mm，豎向位移16mm。各構(gòu)件強度滿足要求。

4　結(jié)語

該項目臨時鋼棧橋工程采用45c工字型鋼作為上橫梁，采用組合貝雷桁梁作為主縱梁，形成上部三孔一聯(lián)的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。在設(shè)計時充分考慮了通行的車輛荷載以及施工車輛荷載，對施工過程中可能出現(xiàn)的極端荷載情況運用有限元軟件進行了假設(shè)模擬，并進行結(jié)構(gòu)驗算，驗算結(jié)果均能夠滿足要求。對施工極端荷載情況進行模擬能夠有效避免施工過程中出現(xiàn)安全事故，對項目造成不必要的損失，某種程度上節(jié)約了項目成本，提高安全穩(wěn)定性。

［1］孟潔平，易云焜.金門大橋深水區(qū)施工棧橋設(shè)計［D］.北京：公路，2015.

［2］中華人民共和國交通部.JTGD60-2004，公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.