地震作用下鋼棧橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

楊 碩，聶佳佳，解長淵

［1.蘇州高新區(qū) （虎丘區(qū)）城市建設(shè)管理服務(wù)中心，江蘇 蘇州 215000；2.中交一公局第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215000］

鋼棧橋作為一種運輸通道，在相關(guān)工程施工過程中起著非常重要的作用。對鋼棧橋進行設(shè)計和布置對于保證施工質(zhì)量和施工效率具有重要的意義。近年來，國內(nèi)學(xué)者對于鋼棧橋的設(shè)計和施工做了一些研究，取得了豐碩的成果［1-4］。例如：姚琳［5］針對鐵路施工臨時鋼棧橋，基于有限元空間建模技術(shù)進行了靜動力分析，結(jié)果表明該橋靜力工作性能良好，動力剛度較大。胡幫義［6］和秦宇毅［7］等以某人行天橋為例，建立有限元實體分析模型，著重分析靜載工況的設(shè)置，確定靜力荷載試驗方案。然而，由于地震作用具有較大的能量，往往會對橋梁、棧橋等帶來不可預(yù)估的影響?；诖?，使用MIDAS有限元軟件，通過考慮2種荷載工況，并施加地震反應(yīng)譜，分別對地震作用下橫縱梁內(nèi)力、貝雷梁弦桿、貝雷梁腹桿、橫向分配梁內(nèi)力、鋼管樁內(nèi)力及地震作用下支撐架位移進行分析，研究結(jié)果可為相似工程提供參考。

1 工程概況

本工程中河道橫寬在80～160 m范圍內(nèi)，該河道河底高程約為500 m。根據(jù)相關(guān)水域統(tǒng)計，該河道常年水位高度為520 m，而該工程中鋼棧橋的設(shè)計水位是538.6 m。圖1為該工程的地理位置圖，橋梁類型為B類，場地類型為Ⅱ類。

圖1 鋼棧橋地理位置圖Figure 1 Steel trestle location map

為保證附近村民的正常出行和施工便利，在河道設(shè)置便橋。在大橋北岸設(shè)置便道 （編號18＃）直至17＃主橋墩；在大橋南岸，設(shè)置便道 （編號11＃）至18＃主橋墩。對于便道18＃和11＃，二者之間采用鋼棧橋進行相連。該便橋的基礎(chǔ)使用φ900的鋼管，其上部橫梁采用工字鋼，型號為I38 b；其分配梁也采用工字鋼，型號為I24 a，便橋全長約為160 m。對于縱梁，使用貝雷梁片，之后在橋面鋪設(shè)鋼板，橋面的設(shè)計寬度為6.5 m。

2 棧橋設(shè)計方案

2.1 棧橋布置形式

通過現(xiàn)場勘測，水面寬度約為150 m，全長共設(shè)置16跨。棧橋結(jié)構(gòu)自下而上依次為：

a.φ900管樁基礎(chǔ)：該工程主要使用單排和雙排布置形式，單雙排規(guī)格均為φ900×10 mm，任意兩個鋼管中心縱向間距為8 m，橫向取5.0 m。鋼管的長度在12～16 m范圍內(nèi)，鋼管之間使用槽鋼相連，槽鋼型號為 ［32 b。

b.I38 b橫梁：在鋼管頂部上方設(shè)置兩并排的工字鋼，來作為墊梁以保證其穩(wěn)定性。

c.貝雷梁主梁：對于縱向主梁，其在每側(cè)均設(shè)置貝雷梁桁架結(jié)構(gòu)2組，對于單組貝雷梁，由三排貝雷片一塊連接拼裝而成。貝雷片間中心的距離取1.0 m，兩組貝雷梁之間的距離取1.3 m。

d.橋面系：貝雷梁上鋪I20 a工字鋼的橫向分配梁，橋面采用 ［32a槽鋼作為橋面，并點焊于橫向分配梁上，槽鋼頂面橫向布置1 m長間距2 m的20圓鋼，梅花型布置。

2.2 設(shè)計荷載

a.設(shè)計荷載為公路I級。

b.車輛荷載，是按照施工用混凝土罐車車輛組數(shù)量 （單輛取值為40 t）。

c.50 t履帶吊 （履帶吊接地面積2-4 660×760 mm2） 吊重20 t。

人群荷載：3 kN／m2。

3 數(shù)值建模

3.1 建模及模型參數(shù)

根據(jù)彈性理論，采用有限元法對橋面系進行應(yīng)力分析，根據(jù)殼體理論推導(dǎo)單元剛度矩陣，使用曲面單元進行模擬，板殼單元分析具有很高的分析精度，以此得到縱向應(yīng)力在橫向的分布規(guī)律［8-9］。圖2為采用MIDAS計算軟件的建模圖，其中各種材料的彈性模量大小均取2.06×103，泊松比大小為0.3，容重大小為78.5 kN／m3。

3.2 邊界條件設(shè)置

圖3為棧橋邊界條件。根據(jù)梁單元、桁架單元的部位之間應(yīng)力傳遞，在不同部位采用不同的約束條件，對于單元之間要釋放梁端的約束，并按照剛性和彈性兩種方式連接。為了簡化分析，暫不考慮樁土相互作用。建模時桿件采用二節(jié)點三維彈性梁單元，可以承受單向的拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)。每個節(jié)點有6個自由度，包括3個坐標方向位移自由度和3個轉(zhuǎn)角自由度。板單元采用四節(jié)點二維彈性板單元，每個節(jié)點上也有6個自由度。

圖2 整體計算模型Figure 2 Overall calculation model

圖3 棧橋邊界條件Figure 2 Trestle boundary conditions

3.3 棧橋設(shè)計荷載及工況

荷載主要包括恒荷載、活荷載以及車輛荷載等，具體如下：

a.恒荷載。

恒荷載即為考慮自重荷載。

b.活荷載 。

活荷載按人群荷載進行考慮，大小為4 kN／m2。

c.車輛荷載。

車輛荷載主要包括以下2個工況，工況1和工況2分別是為了驗算鋼棧橋最不利位置的穩(wěn)定性和在最不利結(jié)構(gòu)受力狀況下的穩(wěn)定性。

工況1：考慮車輛荷載位置在鋼棧橋跨中位置，吊量取25 t，荷載寬度為0.8 m，總荷載取80 t。通過計算得到每條工字鋼承受均布荷載值為24.7 k N／m。該棧橋設(shè)計等級為公路I級單車道布置，荷載指標具體見表1。

工況2：考慮車輛荷載位置在鋼棧橋鋼管排架墩位置，吊量取25 t，車輛履帶去50 t，荷載寬度為0.8 m，總荷載取80 t。最后，乘以大小為1.1的沖擊系數(shù)。通過計算得到每條工字鋼承受均布荷載值為24.7 kN／m。該棧橋設(shè)計等級為公路I級單車道布置，荷載指標具體見表1。

表1 車輛荷載主要技術(shù)指標Table 1 Main technical indicators of vehicle load

4 地震作用下鋼棧橋響應(yīng)分析

4.1 地震荷載施加

根據(jù) 《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》 （GB 50011-2010）對于水平地震作用效應(yīng)，當相鄰振型周期小于0.85時，按照SRSS振型組合方法。以工況1的荷載工況為基準，進行地震反應(yīng)分析，施加XY方向地震作用，按照1∶1施加。公式 （1）為反應(yīng)譜表達式，圖4為地震反應(yīng)譜，其中特征周期為0.35 s，最大譜值為0.1g，設(shè)防烈度為0.7g，阻尼比為0.05。

圖4 地震反應(yīng)譜Figure 4 Seismic response spectrum

4.2 橫、縱梁內(nèi)力分析

橫、縱向分配梁采用A3鋼、最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在支座位置77 MPa，工況2縱向分配梁最組合應(yīng)力18.8 MPa，均小于規(guī)范 《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》 （JTGD 64-2015）和 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017-2003），下同）允許應(yīng)力145 MPa。結(jié)果如圖5所示。

圖5 地震作用下分配橫、縱梁內(nèi)力組合圖Figure 5 Combination of internal forces for distributing transverse and longitudinal beams under earthquake action

4.3 貝雷梁弦桿內(nèi)力分析

弦桿采用16 Mn鋼制作，最大組合應(yīng)力279.7 MPa，大于規(guī)范規(guī)定允許應(yīng)力210 MPa，工況一最大剪應(yīng)力63.0 MPa小于規(guī)范規(guī)定允許應(yīng)力120 MPa。因棧橋可不考慮偶然作用影響，故在地震作用下少數(shù)構(gòu)建應(yīng)力超限可以接受。結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 地震作用下貝雷梁弦桿組合應(yīng)力圖Figure 6 Stress diagram of the berley beam chord under earthquake

圖7 地震作用下貝雷梁弦桿剪應(yīng)力圖Figure 7 Shear stress diagram of berley beam under earthquake

4.4 貝雷梁腹桿內(nèi)力分析

圖8和圖9分別為貝雷梁腹桿組合應(yīng)力圖和剪力圖，其中腹桿采用16 Mn鋼制作。由圖可知，地震荷載下，腹桿的最大組合應(yīng)力值為185.8 MPa，而規(guī)范所允許應(yīng)力值大小為210 MPa，故滿足要求。工況1時最大剪應(yīng)力值為12.8 MPa，而工況2時最大剪應(yīng)力為13.4 MPa，二者均小于規(guī)范規(guī)定允許應(yīng)力值120 MPa。

圖8 貝雷梁腹桿組合應(yīng)力圖Figure 8 Berley beam web combination stress diagram

圖9 貝雷梁腹桿剪應(yīng)力圖Figure 9 Berley beam web shear stress diagram

4.5 橫向分配梁內(nèi)力分析

圖10為橫向分配梁組合內(nèi)力圖。橫向分配梁采用16 Mn鋼制作，由圖可知，最大壓組合力86.9 MPa，明顯小于規(guī)范規(guī)定允許應(yīng)力210 MPa。

圖10 橫向分配梁組合內(nèi)力圖Figure 10 Horizontal distribution beam internal force diagram

4.6 鋼管樁內(nèi)力分析

圖11為鋼管樁組合應(yīng)力圖。鋼管柱采用A3鋼制作，其最大壓組合應(yīng)力值為14.2 MPa，小于規(guī)范規(guī)定允許應(yīng)力值145 MPa。

圖11 鋼管樁組合應(yīng)力圖Figure 11 Steel pipe pile combined stress map

4.7 地震作用下位移分析

地震反應(yīng)下位移水平最大位移2.70 mm。滿足設(shè)計要求。結(jié)果如圖12所示。

圖12 整體結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)下位移圖Figure 12 Displacement diagram of the overall structure under seismic response

5 結(jié)論

由于地震作用具有較大能量，往往會對橋梁、棧橋等帶來不可預(yù)估的影響［10］。基于此，使用MIDAS有限元軟件，通過考慮2種荷載工況，并施加地震反應(yīng)譜，分別對地震作用下橫縱梁內(nèi)力、貝雷梁弦桿、貝雷梁腹桿、橫向分配梁內(nèi)力、鋼管樁內(nèi)力以及地震作用下支撐架位移分析進行了分析，得到以下結(jié)論：

a.橫、縱向分配梁最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在支座位置77 MPa，工況2縱向分配梁最組合應(yīng)力18.8 MPa，均小于規(guī)范允許應(yīng)力145 MPa。橫向分配梁最大壓組合力86.6 MPa，小于規(guī)范規(guī)定允許應(yīng)力210 MPa。

b.弦桿最大組合應(yīng)力279.7 MPa，大于規(guī)范規(guī)定允許應(yīng)力210 MPa，因棧橋可不考慮偶然作用影響，故在地震作用下少數(shù)構(gòu)建應(yīng)力超限可以接受。

c.地震荷載下，腹桿的最大組合應(yīng)力值為185.8 MPa，滿足要求。工況1時最大剪應(yīng)力值為12.8 MPa，而工況2時最大剪應(yīng)力為13.4 MPa，二者均小于規(guī)范規(guī)定允許應(yīng)力值120 MPa。

d.鋼管柱最大壓組合應(yīng)力值為14.2 MPa，小于規(guī)范規(guī)定允許應(yīng)力145 MPa。

e.地震反應(yīng)下支架最大水平位移2.70 mm，滿足設(shè)計要求。