大跨度鋼結(jié)構(gòu)渡槽結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究

付建勝 張福強(qiáng)

中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司 天津 300300

引江濟(jì)淮工程在保障城市供水安全、大力發(fā)展江淮航運(yùn)、完善現(xiàn)代綜合運(yùn)輸體系中具有重要意義,其安全施工和使用是我國(guó)建造大國(guó)實(shí)力的重要體現(xiàn)。

本文以引江濟(jì)淮工程（安徽段）淠河總干渠渡槽為例，驗(yàn)算取其支架、渡槽主體結(jié)構(gòu)和臨時(shí)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性，為以后相似工程的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算提供借鑒。

1 引江濟(jì)淮工程淠河總干渠渡槽支架計(jì)算

1.1 荷載取值

臨時(shí)墩P1—P5、P7 的墩頂反力取350t，P6、P8—P10 的墩頂反力取200t，P1、P2 的墩頂反力取100t，風(fēng)速取值25m/ s。

1.2 支架結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

1.2.1 橫、縱梁驗(yàn)算

橫梁A 采用四拼I56b 型鋼，材料為Q235，臨時(shí)墩頂反力取350t。橫梁B 采用四拼I25b 型鋼，材料為Q235，其上作用有兩個(gè)集中荷載，每個(gè)荷載為50t，間距1.2m。橫梁C 采用雙拼I56b 型鋼，材料為Q235，臨時(shí)墩頂反力取200t?？v梁B、C 采用雙拼I56b 型鋼，材料為Q235，懸臂端受集中力為50t，懸臂長(zhǎng)度取縱梁端部到鋼管的凈距1.285m。此外，縱梁A 與橫梁C 結(jié)構(gòu)基本相同，所受彎矩與剪力均小于橫梁C，故縱梁A 不再計(jì)算。橫、縱梁參數(shù)利用式(1)和式(2)進(jìn)行驗(yàn)算。

式中：σ——截面正應(yīng)力；

τ——截面的剪切應(yīng)力；

Wx——截面模量；

S——截面對(duì)中和軸的面積矩；

I——截面慣性矩；

b——截面寬度。

驗(yàn)算可知，橫梁A 的彎矩及剪力最大，橫梁C 的σ 和τ 最大，但均滿足要求。

1.2.2 鋼管樁驗(yàn)算

鋼管樁采用A630×8mm，材料為Q235，單根鋼管軸力取100t，長(zhǎng)細(xì)比λx 為34.2，軸向受壓應(yīng)力為69.5MPa，小于容許應(yīng)力（140MPa），滿足要求。

1.2.3 灌注樁入土深度計(jì)算鉆孔樁直徑（A）為0.8m。

經(jīng)計(jì)算，臨時(shí)墩P1、P2、P3、P18、P19、P20 的實(shí)際取值為8m；臨時(shí)墩P4、P7、P14、P17 的實(shí)際取值為5m。

1.2.4 主桁局部穩(wěn)定性驗(yàn)算

對(duì)臨時(shí)支撐位置的下弦或拱弦腹板進(jìn)行局部穩(wěn)定計(jì)算：

（1）受壓翼緣與縱向加勁肋之間的區(qū)格：

式中：σ——計(jì)算腹板區(qū)格內(nèi)，由平均彎矩產(chǎn)生的腹板計(jì)算高度邊緣的彎曲壓應(yīng)力；

τ——計(jì)算腹板區(qū)格內(nèi)，由平均剪力產(chǎn)生的腹板平均剪應(yīng)力；

σc——腹板計(jì)算高度邊緣的局部壓應(yīng)力；

σcr、τcr、σc,cr——不用應(yīng)力單獨(dú)作用下的臨界應(yīng)力。

經(jīng)驗(yàn)算，穩(wěn)定性滿足要求。

1.2.5 臨時(shí)墩抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

以臨時(shí)墩P9、P10 為例，根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]，橫橋向橫向靜陣風(fēng)荷載：

式中：Fg——作用在單位長(zhǎng)度上的風(fēng)荷載為空氣密度；

Ug——構(gòu)件基準(zhǔn)高度上的等效靜陣風(fēng)風(fēng)速；

CD——構(gòu)件的阻力系數(shù)；

An——構(gòu)件單位長(zhǎng)度上順風(fēng)向投影面積

經(jīng)計(jì)算單根鋼管所受風(fēng)荷載為2969.78N；上層連接系風(fēng)荷載為2840.94N，下層連接系風(fēng)荷載為2840.94N；縱梁所受風(fēng)荷載為4905.82N。

抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算：

式中：k0——抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)；

S——在截面重心至合力作用點(diǎn)的延長(zhǎng)線上，自截面重心至驗(yàn)算傾覆軸的距離；

e0——所有外力的合力R 在驗(yàn)算截面的作用點(diǎn)對(duì)基底重心軸的偏心距；

Pi——不考慮其分項(xiàng)系數(shù)和組合系數(shù)的作用標(biāo)準(zhǔn)值組合或偶然作用標(biāo)準(zhǔn)值組合引起的豎向力；

Ei——豎向力Pi對(duì)驗(yàn)算截面重心的力臂；

Hi——不考慮其分項(xiàng)系數(shù)和組合系數(shù)的作用標(biāo)準(zhǔn)值組合或偶然作用標(biāo)準(zhǔn)值組合引起的橫向力；

Hi——豎向力Hi 對(duì)驗(yàn)算截面重心的力臂；根據(jù)計(jì)算可知，k0=2.69>1.2，臨時(shí)墩P9、P10 抗傾覆穩(wěn)定性滿足要求。

2 渡槽施工計(jì)算

2.1 渡槽有限元模型的建立

采用有限元軟件Midas/ Civil 模擬渡槽架設(shè)過程，模型單元均采用梁?jiǎn)卧?。采用一般支撐，臨時(shí)墩處采用節(jié)點(diǎn)彈性支承。

渡槽結(jié)構(gòu)自重由程序自動(dòng)計(jì)入，吊裝荷載包括吊機(jī)自重和吊裝節(jié)段重量。當(dāng)?shù)鯔C(jī)從后方吊運(yùn)節(jié)段至設(shè)計(jì)位置過程中，側(cè)吊產(chǎn)生的荷載對(duì)結(jié)構(gòu)支點(diǎn)反力、應(yīng)力及變形影響最大。履帶吊支座總重約696kN，縱橋向布置總長(zhǎng)為12.2m，橫橋向一側(cè)線荷載為628.5kN/ m。計(jì)算模型中，履帶吊支座荷載以29kN/ m 橫橋向距橋梁中心線7m 處對(duì)稱加載，加載長(zhǎng)度為12.2m，風(fēng)速25m/ s。溫度變化對(duì)主桁的內(nèi)力和變形影響很小，按履帶吊自重的10%考慮。

根據(jù)渡槽主桁吊裝過程，共分為14 個(gè)工況。工況1～10 分別選取3# 、5# 、6# 、8# 、10# 、13# 、16# 、19# 、21# 、23# 節(jié)段吊裝進(jìn)行計(jì)算；工況11 為合龍前臨時(shí)墩全部脫架；工況12 為合龍前P12 調(diào)整合龍位置；工況13 為吊裝27# 節(jié)段（此時(shí)僅P8、P9 及P10#墩支撐）；工況14 為全橋合龍完成，各工況荷載類型均為等值線荷載，加載長(zhǎng)度8 m。

2.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.2.1 結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力和支撐反力計(jì)算

利用Midas 有限元軟件對(duì)渡槽進(jìn)行模擬，選取關(guān)鍵工況。

根據(jù)計(jì)算，邊墩最大反力為343t，中墩最大反力為230t，合龍前P12# 墩調(diào)整合龍口位置需要提供反力181t。

2.2.2 脫架后渡槽抗傾覆計(jì)算

合龍前臨時(shí)墩全部脫架，計(jì)算此時(shí)抗傾覆穩(wěn)定性。分別求出反力以計(jì)算出對(duì)應(yīng)重心對(duì)主墩支點(diǎn)的力矩。其中，邊跨跨度為67.2m，1/ 2 中跨跨度為48.9m?？箖A覆安全k=1.62＞1.3，滿足要求。

2.3 履帶吊制動(dòng)時(shí)渡槽穩(wěn)定性計(jì)算

工況1 為履帶吊制動(dòng)時(shí)渡槽穩(wěn)定性計(jì)算工況，此時(shí)臨時(shí)墩P1 的支撐反力為286t，P1 可提供的最大靜摩擦力為172t，履帶吊制動(dòng)力F=127t，F(xiàn)1>F2，滿足要求。

2.3.1 橫梁計(jì)算

履帶吊作業(yè)過程中，兩履帶將產(chǎn)生三角形或者梯形荷載，當(dāng)?shù)跹b11# 節(jié)段時(shí)，A 點(diǎn)將產(chǎn)生最大荷載，為562kN。間距300mm 的橫梁承擔(dān)的單側(cè)履帶荷載取168kN，橫梁承擔(dān)的單側(cè)履帶荷載取170.1kN。橫梁計(jì)算長(zhǎng)度為14m，Mmax=657.7kN·m，F(xiàn)s=182.6kN。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知σ=117MPa< [σ]、τ=23MPa<[τ]。橫梁的最大變形為36.6mm，均滿足要求。

2.3.2 滑道計(jì)算

滑道長(zhǎng)為3.05m，上面布置有8 根橫梁，吊裝11#節(jié)段時(shí),最大的荷載為FH=238kN。Mmax=585.6kN·m，F(xiàn)s=773.6kN 根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知σ=121Mpa ＜[σ]、τ=54MPa＜[τ]，橫梁的最大變形為1.8mm，均滿足要求。

2.3.3 底板橫梁局部穩(wěn)定性計(jì)算

對(duì)履帶吊支座支撐處的底板橫梁腹板進(jìn)行局部穩(wěn)定計(jì)算，底板橫梁腹板厚28mm，高度為1522～1922mm，上翼緣厚度為34mm，下翼緣厚度為44mm，材料為Q345 鋼材。支墊長(zhǎng)度按336mm 計(jì)算，腹板局部穩(wěn)定性滿足要求。

2.4 運(yùn)輸車與履帶吊走行區(qū)域渡槽底板計(jì)算

在單幅渡槽內(nèi)每側(cè)僅允許布置一輛運(yùn)輸車。運(yùn)輸車輪壓取0.75MPa。當(dāng)運(yùn)輸車車軸行至兩底板橫梁中間時(shí)，底板所受應(yīng)力和產(chǎn)生變形最大，渡槽橫縱梁及面板中面板應(yīng)力及變形最大，最大彎曲應(yīng)力為43MPa，最大剪應(yīng)力為24MPa，最大變形為3.69mm。

當(dāng)履帶吊走行在渡槽底板上時(shí)，荷載大小為0.14MPa，渡槽橫縱梁最大彎曲應(yīng)力為46MPa，最大剪應(yīng)力為27MPa，最大變形為5.52mm。

3 結(jié)語

引江濟(jì)淮工程是關(guān)乎我國(guó)國(guó)計(jì)民生的重要工程，其安全的施工和使用受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。經(jīng)計(jì)算，施工過程中渡槽主體結(jié)構(gòu)和臨時(shí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性滿足規(guī)范的要求；支架在施工過程中的強(qiáng)度及穩(wěn)定性等滿足要求。本文中的計(jì)算方法可以為其他相似工程作為借鑒。