基于Midas的鋼平臺(tái)有限元分析與安全評(píng)價(jià)*

胡幫義，吳澤力，胡麗珍

(湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 浙江 湖州 313000)

隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，公路橋梁跨越大江大河的情況十分普遍。在大江大河上進(jìn)行樁基施工是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工程，由此發(fā)展出水上鉆孔灌注樁施工技術(shù)[1]55-57。搭設(shè)鉆孔施工平臺(tái)是保證水上樁基施工最重要的一環(huán)[2]31-36。

目前，水上樁基施工平臺(tái)的搭設(shè)主要有兩種形式[3]299-300：一種是以船只或浮箱為基礎(chǔ)，利用GPS來實(shí)現(xiàn)鋼護(hù)筒定位，搭設(shè)浮動(dòng)式水上施工平臺(tái)[4]33-35；另一種是采用貝雷梁+鋼管樁的搭設(shè)方式，或采用木結(jié)構(gòu)平臺(tái)支架形式[5]72-75。王安和張凱對(duì)水上樁基施工鋼護(hù)筒平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)計(jì)算采用獨(dú)立桿件簡化計(jì)算模式[6]63-67。黃文武研究了重型貝雷梁鋼棧橋和鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)方案，并利用Midas軟件對(duì)其進(jìn)行有限元分析，但并未明確建模細(xì)節(jié)[7]106-108。也有學(xué)者利用Midas軟件，對(duì)樁基鉆孔施工平臺(tái)進(jìn)行有限元建模研究，但在具體的建模方法和技術(shù)細(xì)節(jié)方面均沒有詳細(xì)闡述[8]299 [9]163-166。

本研究以上饒至蒲城高速沙溪信江特大橋樁基施工為背景，選用貝雷梁+鋼管樁的鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)搭設(shè)方案，進(jìn)行基于Midas軟件的有限元建模分析計(jì)算，并對(duì)鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，可為類似工程的鋼平臺(tái)建模提供參考。

一、鋼平臺(tái)設(shè)計(jì)概況

圖1 水上樁基施工鋼平臺(tái)平面圖示(單位：cm)

圖2 水上樁基施工鋼平臺(tái)I-I剖面圖示(單位：cm)

圖3 水上樁基施工鋼平臺(tái)II-II剖面圖示(單位：cm)

施工鋼平臺(tái)各桿件材料選用和容許應(yīng)力取值如表所示(參見表1)。

表1 施工鋼平臺(tái)各桿件材料選用和容許應(yīng)力表 (單位：MPa)

二、鋼平臺(tái)荷載分析與計(jì)算

根據(jù)《公路工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(JTG 2120-2020)的相關(guān)規(guī)定，公路橋涵所受的荷載有永久作用、可變作用和偶然作用，施工用的臨時(shí)結(jié)構(gòu)可不考慮偶然作用。對(duì)本研究的鋼平臺(tái)而言，永久作用主要為結(jié)構(gòu)自重；可變作用主要有旋挖鉆機(jī)荷載、混凝土罐車荷載、施工人員及小型機(jī)具荷載、風(fēng)荷載等。本研究采用基于概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，永久作用分項(xiàng)系數(shù)取1.2，可變作用分項(xiàng)系數(shù)取1.4，組合值系數(shù)取0.6。永久作用主要為鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)自重，在Midas軟件中可自動(dòng)計(jì)算；在可變作用中的旋挖鉆機(jī)采用420型履帶式旋挖鉆機(jī)，考慮沖擊系數(shù)后，工作狀態(tài)重量按70 t考慮，履帶長4.95 m，履帶寬0.8 m，鉆機(jī)寬4.5 m。旋挖鉆機(jī)荷載加載示意圖如圖所示(參見圖4)。

在可變荷載中的混凝土罐車荷載考慮9 m3的罐車，滿載時(shí)考慮沖擊系數(shù)，重按50 t計(jì)，軸距3.8 m和1.35 m，共10個(gè)輪子，車輪著地，前輪0.3×0.2 m(寬度×長度)，后輪0.6×0.2 m(寬度×長度)。罐車荷載加載示意圖如圖所示(參見圖5)。相比旋挖鉆機(jī)和罐車荷載，施工人員及小型機(jī)具荷載較小，可忽略不計(jì)。在可變荷載中的風(fēng)荷載，參照當(dāng)?shù)?0年一遇的基本風(fēng)壓取值：0.2 kN/m2。

由于旋挖鉆機(jī)和罐車荷載是移動(dòng)的，故在Midas中可按移動(dòng)荷載進(jìn)行加載，并分兩種加載工況分別計(jì)算：

工況1：旋挖鉆機(jī)荷載+風(fēng)荷載

基本組合：1.2×自重+1.4×(旋挖鉆機(jī)荷載+0.6×風(fēng)荷載)。

標(biāo)準(zhǔn)組合：1.0×自重+1.0×(旋挖鉆機(jī)荷載+0.6×風(fēng)荷載)。

工況2：罐車荷載+風(fēng)荷載

基本組合：1.2×自重+1.4×(罐車荷載+0.6×風(fēng)荷載)。

標(biāo)準(zhǔn)組合：1.0×自重+1.0×(罐車荷載+0.6×風(fēng)荷載)。

應(yīng)力的承載能力極限狀態(tài)計(jì)算采用基本組合，撓度的正常使用極限狀態(tài)計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)組合。

圖4 旋挖鉆機(jī)荷載加載圖示(單位：cm) 圖5 罐車荷載加載圖示(單位：cm)

三、鋼平臺(tái)有限元分析

(一)有限元模型的建立

在Midas軟件中，定義各桿件的材料和截面，并建立節(jié)點(diǎn)和單元。根據(jù)鋼平臺(tái)的實(shí)際情況，本研究共建立7 713個(gè)節(jié)點(diǎn)、8 932個(gè)梁單元和2 864個(gè)板單元。其中，除鋼平臺(tái)面板采用板單元模擬外，其他桿件均采用梁單元模擬。在Midas中，貝雷梁與貝雷梁之間的銷鉸連接采用釋放梁端約束模擬，支撐架與貝雷梁的連接采用釋放梁端約束模擬，橫梁、橫向分配梁與貝雷梁之間的連接采用彈性連接模擬?？v梁與橫梁之間的連接采用彈性連接模擬，其他桿件的連接采用共用節(jié)點(diǎn)。鋼管樁樁底按固定端約束模擬。本研究建立的Midas有限元計(jì)算模型如圖所示(參見圖6)。

圖6 鋼平臺(tái)有限元計(jì)算模型圖示

(二)Midas中移動(dòng)荷載的施加

由于施工車輛需要在鋼平臺(tái)上移動(dòng)，故應(yīng)按移動(dòng)荷載模擬。Midas軟件提供了方便的功能，可以得出車輛在各個(gè)位置上的最大效應(yīng)值。因此，先在鋼平臺(tái)上建立車道，再自定義車輛荷載模擬旋挖鉆機(jī)和罐車荷載，最后定義移動(dòng)荷載工況，并將車輛作用到車道上。

(三)有限元模擬的計(jì)算結(jié)果

通過Midas對(duì)移動(dòng)荷載進(jìn)行分析，可以得到各工況鋼平臺(tái)各桿件的內(nèi)力、應(yīng)力和變形等數(shù)據(jù)。工況1的最大豎向變形為3.6 mm，工況2的最大豎向變形為5.2 mm。各桿件所受的最大組合應(yīng)力、剪應(yīng)力和安全評(píng)價(jià)如表所示(參見表2)。

表2 鋼平臺(tái)支架各桿件受力與安全評(píng)價(jià)表 (單位：MPa)

四、鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)

由表2可知：鋼平臺(tái)各桿件的最大組合應(yīng)力和最大剪應(yīng)力均小于規(guī)范容許值，故鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。結(jié)構(gòu)最大豎向變形為5.2 mm<[L/400]=5 900/400=14.75 mm，故鋼平臺(tái)整體剛度也滿足要求。

為評(píng)價(jià)鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)的屈曲穩(wěn)定性，采用Midas軟件，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲分析，得到的前5階屈曲模態(tài)特征值如表所示(參見表3)。

表3 鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)前5階屈曲模態(tài)特征值表

由表3可知：兩種工況下的1階屈曲模態(tài)特征值均大于4(經(jīng)驗(yàn)值)，故鋼平臺(tái)穩(wěn)定性也滿足要求。

綜上可知，整個(gè)鋼平臺(tái)各桿件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均滿足要求，初步評(píng)價(jià)該鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)是安全的。

總之，本研究對(duì)橋梁水上樁基施工鋼平臺(tái)進(jìn)行有限元建模分析，得出以下結(jié)論：(1)該鋼平臺(tái)各桿件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均滿足要求，初步評(píng)價(jià)該結(jié)構(gòu)是安全的；(2)在Midas中，施工車輛荷載采用“用戶自定義車輛荷載”的方法實(shí)現(xiàn)，并運(yùn)用移動(dòng)荷載分析方法進(jìn)行分析；(3)本研究的荷載計(jì)算、車輛荷載自定義和邊界條件處理等，可為類似的工程建模提供參考。