水電工程直立巖壁鋼棧橋基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)

Optimization Design of Steel Trestle Foundation of Vertical Rock Wall in Hydropower Project

LIU Dong-dong

摘要：水電項(xiàng)目施工中，經(jīng)常遇到邊坡巖層不夠穩(wěn)定等不良地質(zhì)情況，為防止因邊坡不穩(wěn)定造成的危害，工程中經(jīng)常搭建大量排架，并架設(shè)鋼棧橋作為鋼管排架的基礎(chǔ)，因此開(kāi)展鋼棧橋基礎(chǔ)穩(wěn)定性研究具有重要理論意義及工程價(jià)值。本文以某廠房邊坡危巖體治理工程為背景，分析不同因素對(duì)鋼棧橋基礎(chǔ)力學(xué)性能的影響，通過(guò)理論分析和有限元數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)鋼棧橋結(jié)構(gòu)型式和截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，給出工程常用跨度和荷載下結(jié)構(gòu)的截面選擇。

Abstract： In the construction of hydropower projects， unfavorable geological conditions such as insufficient stability of the slope rock formation are often encountered. In order to prevent the damage caused by the unstable rock slope， a large number of trusses are often built in the project， and the steel trestle bridge is erected as the foundation of the steel pipe truss. Therefore， the research on the stability of the steel trestle foundation has important theoretical significance and engineering application value. This paper takes the dangerous rock mass control project of the right bank slope of a factory as the research background， analyzes the influence of different factors on the mechanical properties of the steel trestle foundation， through the combination of theoretical analysis and finite element numerical simulation， the structural design and section size of the steel trestle are optimized. According to the calculation results of the optimized design， the section selection of the structure under common span and load is given.

關(guān)鍵詞：水電工程;直立巖壁;鋼棧橋;有限元分析;優(yōu)化設(shè)計(jì)

Key words： hydropower project;upright rock wall;steel trestle;finite element analysis;optimization design

中圖分類號(hào)：U441;U448.18? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）32-0157-04

0? 引言

鋼棧橋作為一種臨時(shí)修建的運(yùn)輸結(jié)構(gòu)設(shè)施，對(duì)棧橋的合理使用，既可以提供便捷的通道又可以作為修建上部結(jié)構(gòu)的結(jié)實(shí)基礎(chǔ)，尤其是在野外和危險(xiǎn)地區(qū)的水電項(xiàng)目施工中，為了防止危害人類生命、破壞生態(tài)環(huán)境及物質(zhì)財(cái)富損失，自然邊坡、坡度陡峻、高邊坡巖體的穩(wěn)定性治理是非常必要的。為了保證施工的安全和進(jìn)度，因此開(kāi)展鋼棧橋的穩(wěn)定性研究具有重要的理論與實(shí)際意義。

目前鋼棧橋的計(jì)算理論主要包括結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算、穩(wěn)定性驗(yàn)算、變形驗(yàn)算以及截面應(yīng)力的計(jì)算等方面，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者[1-6]都對(duì)這方面展開(kāi)了研究，并取得了一定的研究成果，其計(jì)算方法和計(jì)算理論相對(duì)比較成熟。但是在實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)的研究是關(guān)于河流和橋梁建設(shè)方面的研究[7-9]，對(duì)于直立巖壁上的鋼棧橋，由于其支撐在巖壁上，受力性能和穩(wěn)定性的計(jì)算方法、結(jié)構(gòu)選型、安全性評(píng)價(jià)以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面目前還沒(méi)有機(jī)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的研究。王冠平[10]針對(duì)陡立巖壁高層排架基礎(chǔ)鋼棧橋力學(xué)性能進(jìn)行了理論分析，但并未對(duì)結(jié)構(gòu)型式和截面尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)方面進(jìn)行系統(tǒng)的研究。本文以某廠房右岸邊坡危巖體治理工程為研究背景，對(duì)鋼棧橋基礎(chǔ)的力學(xué)性能和穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究，分析結(jié)構(gòu)的安全性能，通過(guò)Midas軟件模擬，對(duì)結(jié)構(gòu)型式和截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為該類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工提供依據(jù)，避免盲目擴(kuò)大截面尺寸造成的材料浪費(fèi)，從而提高材料的利用率，提高施工進(jìn)度，降低工程造價(jià)。

1? 鋼棧橋理論研究

1.1 鋼棧橋結(jié)構(gòu)選型

1.1.1 鋼棧橋結(jié)構(gòu)的選型對(duì)結(jié)構(gòu)體系有重要的影響，結(jié)構(gòu)選項(xiàng)時(shí)應(yīng)該考慮以下幾個(gè)原則： ①結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的力學(xué)性能。②結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有良好的施工性能。③鋼棧橋施工過(guò)程中可能遇到馬道、緩坡、陡坡及陡峭巖壁等各種地質(zhì)情況，因此結(jié)構(gòu)型式應(yīng)該具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和推廣性，適應(yīng)不同的地質(zhì)情況。④結(jié)構(gòu)型式應(yīng)該具有良好的經(jīng)濟(jì)性能，具有較低的造價(jià)。

1.1.2 結(jié)構(gòu)型式的選型：目前實(shí)際工程中常用的結(jié)構(gòu)型式，跨度較小時(shí)采用的如圖1所示的結(jié)構(gòu)型式，跨度較大時(shí)采用的是圖2所示的結(jié)構(gòu)形式。在實(shí)際工程中鋼棧橋基本用做腳手架基礎(chǔ)或者勘察汽車(chē)通過(guò)，荷載基本集中在靠近支座的一半結(jié)構(gòu)范圍里面，通過(guò)理論分析和有限元分析可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)跨度較小時(shí)也可采用圖3所示的結(jié)構(gòu)型式，當(dāng)跨度較大時(shí)可采用圖4所示的結(jié)構(gòu)型式，圖4所示的結(jié)構(gòu)型式在力學(xué)性能上彎矩比圖2所示明顯減小，而且結(jié)構(gòu)型式更加簡(jiǎn)單，施工更加方便。具體的分析優(yōu)化過(guò)程詳見(jiàn)后面的有限元分析過(guò)程。

1.2 鋼棧橋內(nèi)力及穩(wěn)定性的分析和驗(yàn)算

該棧橋結(jié)構(gòu)體系主要包括棧橋主體架、上部縱梁、鋼板、防護(hù)欄桿以及支撐組成。腳手架及各種施工荷載首先傳遞給花紋鋼板，花紋鋼板傳遞給縱梁，最后傳遞給棧橋。棧橋結(jié)構(gòu)的荷載作用沿長(zhǎng)度方向比較均勻，豎向荷載主要由各榀棧橋梁承擔(dān)，沿著棧橋長(zhǎng)度方向各榀棧橋梁的受力相同，因此將該棧橋結(jié)構(gòu)的受力分析由空間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算[11-13]。此外，工程中布置的防護(hù)欄桿主要是對(duì)施工過(guò)程中的人員起防護(hù)作用，因此分析時(shí)不予考慮。由于各個(gè)棧橋間通過(guò)四根縱向梁連接，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性較好。棧橋通過(guò)錨筋與山體連接錨固，分析時(shí)假定錨筋具有足夠的錨固強(qiáng)度，沒(méi)有考慮錨筋的滑移的情況。

實(shí)際工程中沿著棧橋?qū)挾确较虻乳g距布置了四排縱梁，所以縱梁傳遞給棧橋的荷載簡(jiǎn)化為四個(gè)集中力。此外，鋼棧橋結(jié)構(gòu)還要承受自重，由于自重相對(duì)整個(gè)荷載所占的比重較小，為簡(jiǎn)化計(jì)算可以將自重產(chǎn)生的均布荷載簡(jiǎn)化為集中荷載與縱梁傳遞來(lái)的荷載合并計(jì)算。

鋼棧橋的結(jié)構(gòu)形式首先要考慮結(jié)構(gòu)的安全性，但高空棧橋由于施工比較困難，因此又要考慮結(jié)構(gòu)能夠方便的進(jìn)行施工。當(dāng)跨度較小時(shí)綜合考慮結(jié)構(gòu)的安全性、施工性及經(jīng)濟(jì)性，采用橫梁加斜撐的結(jié)構(gòu)形式，為提高結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備，增加一個(gè)斜向拉桿。在結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算時(shí)斜向拉桿的內(nèi)力較小并且內(nèi)力為拉力，計(jì)算時(shí)如果采用手算偏于安全的可以不考慮斜向拉桿的影響。關(guān)于棧橋梁強(qiáng)度和穩(wěn)定性的驗(yàn)算，在各個(gè)規(guī)范里都有詳細(xì)規(guī)定，本文不做詳細(xì)說(shuō)明。

2? 鋼棧橋穩(wěn)定性有限元分析

2.1 有限元模型建立

結(jié)合上述理論分析及工程實(shí)際，本次數(shù)值模擬初步選取6種模型進(jìn)行計(jì)算分析，即基于上述鋼棧橋結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、材料參數(shù)、桿件類型等，通過(guò)改變鋼棧橋的跨度、間距及各構(gòu)件的截面尺寸等參數(shù)（如表1所示），分析梁的內(nèi)力（彎矩、剪力和軸力），梁的應(yīng)力、撓度的大小等力學(xué)性能的變化，綜合分析優(yōu)化結(jié)構(gòu)的型式和截面尺寸。

建立有限元分析模型如圖5所示，但是由于棧橋較長(zhǎng)，因此建立的模型為細(xì)長(zhǎng)型模型，不便于后期的數(shù)據(jù)分析和結(jié)果展示。通過(guò)前期的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)可以用5跨的結(jié)構(gòu)代替整個(gè)實(shí)際結(jié)構(gòu)，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果影響很小，因此本文主要對(duì)一個(gè)5跨的棧橋進(jìn)行力學(xué)分析，如圖6所示。建立有限元模型時(shí)沒(méi)有考慮錨筋樁的粘結(jié)與滑移。

2.2 有限元分析結(jié)果比較

判斷結(jié)構(gòu)是否合理需要綜合考慮結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、應(yīng)力、變形、材料用量和施工工作量等因素，一般情況下需要遵循受力合理、節(jié)省材料和便于施工的原則。模型1-6有限元分析結(jié)果對(duì)6個(gè)鋼棧橋的有限元分析結(jié)果如表2所示。

通過(guò)表2可以看出對(duì)跨度2.5m的鋼棧橋，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)模型3從受力、變形以及用鋼量方面綜合考慮，是最不經(jīng)濟(jì)的選擇。鋼棧橋間距為3m模型1和間距為2m的模型2，用鋼量和變形比較接近，模型2比模型1應(yīng)力、內(nèi)力和錨筋樁處拉拔力均要小，從受力角度模型2要更合理，但模型1由于模型間距較大，鋼棧橋的個(gè)數(shù)比模型2約少50%（60m內(nèi)模型1有21個(gè)，模型2有31個(gè)），因此模型1施工工作量比模型2明顯減少，因此綜合以上分析，模型1是比較好的選擇。

本文對(duì)模型1所能承受的最大荷載進(jìn)行了分析，通過(guò)大量的試算，以梁的最大應(yīng)力達(dá)到屈服應(yīng)力為準(zhǔn)則對(duì)其進(jìn)行分析，通過(guò)分析可得模型1的極限荷載為10.38kN/m2。在極限荷載10.38kN/m2作用下，給出了鋼棧橋結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、應(yīng)力及位移等值（如表3所示）。

另外，本文對(duì)跨度為3m的鋼棧橋進(jìn)行了分析，采用懸挑0.5m的結(jié)構(gòu)型式，由模型4至模型6分析結(jié)果可知模型模型5和模型6優(yōu)于模型4，其中模型6用鋼量最小，但其橫梁的應(yīng)力較大，而且其間距較小，鋼棧橋的個(gè)數(shù)較多，施工量較大，綜合比較建議選擇模型5。

3? 工程驗(yàn)證

某水電站廠房右側(cè)邊坡治理工程，廠房右側(cè)邊坡基巖裸露，邊坡上部危巖廣泛分布，主要發(fā)育為順坡向?qū)永砑按怪卑镀陆M裂隙，在外營(yíng)力作用下有小面積塌方和掉塊可能，如圖7所示。由于上述地質(zhì)情況，為保證廠房及尾水渠施工及后期運(yùn)行安全，對(duì)該部位進(jìn)行危石清理、錨固及柔性防護(hù)。工程邊坡高陡，1450m高程以下為75°以上陡坡，局部為直坡，甚至倒坡;1450m高程以上綜合坡比也在60°左右。為保證施工人員安全，需搭建大量鋼管排架，架設(shè)鋼棧道，修建臨時(shí)施工道路及鋼爬梯，所修建棧橋總長(zhǎng)82.0m，棧橋?qū)?.0m，采用錨筋樁連接巖壁和棧橋面，如圖8所示。該治理工程鋼棧橋結(jié)構(gòu)為：縱梁為1.5m長(zhǎng)槽鋼，斜支撐為2.3-2.5m槽鋼，斜支撐下部支撐點(diǎn)為下排錨筋樁露頭處滿焊焊接，并支撐于巖石面上。橫梁為6m長(zhǎng)槽鋼按3排平鋪于縱梁上，縱向排距為0.5m，并與縱梁焊接牢固。

已經(jīng)建成的總長(zhǎng)82m的1號(hào)鋼棧橋，棧橋?qū)?.0m，每組棧橋梁由橫、斜梁組成，與錨樁焊接，各組梁由縱向拉筋？準(zhǔn)25mm連接，每道斜梁腰部由？準(zhǔn)25mm拉筋與上排錨樁拉接。鋼棧橋結(jié)構(gòu)橫梁為2.2m長(zhǎng)槽鋼，斜支撐為2.3-2.5m槽鋼，斜支撐下部支撐點(diǎn)為下排錨筋樁露頭處滿焊焊接，并支撐于巖石面上。縱梁為6m長(zhǎng)槽鋼按4排平鋪于縱梁上，縱向排距為0.733m，并與縱梁焊接牢固。根據(jù)上述資料可知，該棧橋結(jié)構(gòu)型式為模型1，本工程實(shí)施期間，鋼棧橋使用過(guò)程中未發(fā)生安全事故，因此可知優(yōu)化結(jié)構(gòu)型式模型1安全可靠。

4? 結(jié)論

根據(jù)工程實(shí)踐和理論分析，結(jié)合結(jié)構(gòu)的施工性能、力學(xué)性能和工程造價(jià)等因素，高層鋼棧橋結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式宜采用梁桁結(jié)構(gòu)型式，該結(jié)構(gòu)型式具有受力合理、施工方便、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益高等優(yōu)點(diǎn)。給出了鋼棧橋結(jié)構(gòu)的有限元分析方法，分析了構(gòu)件截面、鋼棧橋跨度、鋼棧橋間距等參數(shù)變化對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和變形性能的影響，為鋼棧橋結(jié)構(gòu)選型和理論計(jì)算公式的提出提供了依據(jù)。建立了一套從結(jié)構(gòu)選型到分析驗(yàn)算全過(guò)程、理論分析與有限元模擬相結(jié)合的安全分析與評(píng)價(jià)體系，該體系科學(xué)合理、針對(duì)性強(qiáng)且便于應(yīng)用，對(duì)該類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工具有指導(dǎo)意義。

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作者簡(jiǎn)介：劉東東（1993-），男，陜西榆林人，西安科技大學(xué)在校研究生，研究方向?yàn)榉罏?zāi)減災(zāi)工程及防護(hù)工程。