基于有限元方法的水上鋼棧橋設(shè)計(jì)

王琳琳

(重慶交通大學(xué)，重慶 400000)

0 引 言

進(jìn)入21世紀(jì)以后，隨著交通事業(yè)迅速發(fā)展，我國(guó)的橋梁建設(shè)事業(yè)進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期。與此同時(shí)，橋梁施工過(guò)程中所需的臨時(shí)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)也逐步走向成熟。在進(jìn)行橋梁水下基礎(chǔ)施工時(shí)，常常修建鋼棧橋作為橋梁施工中的水上通道和作業(yè)平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)在水上環(huán)境施工作業(yè)的目的。鋼棧橋設(shè)計(jì)的合理與否關(guān)乎其安全性、經(jīng)濟(jì)性以及施工便捷性，而鋼棧橋的工作環(huán)境比較復(fù)雜，所承受各種荷載也比較大，所以鋼棧橋結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)就顯得格外重要。近二十年來(lái)，隨著有限元理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提高，越來(lái)越多的工程開始使用有限元軟件對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，在此過(guò)程中有限元理論的正確性也得到了檢驗(yàn)。本文以內(nèi)江供水管線鋼棧橋?yàn)槔?，利用midas Civil對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)算并系統(tǒng)闡述了淺覆蓋河床淤泥和重荷載工況條件下的鋼棧橋設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 工程概況

內(nèi)江供水管釜溪管橋?yàn)橄蚣覊喂迏^(qū)北總干渠一期一步工程內(nèi)江供水管線的一部分，主橋采用(60+90+60)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋；引橋采用30 m預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁。在該橋施工過(guò)程中，設(shè)置約99.1 m的施工鋼棧橋，鋼棧橋?qū)挾葹?.9 m、9 m(9 m為加寬橋面寬度，加寬段長(zhǎng)度為27 m)，布置在大橋右側(cè)，棧橋起點(diǎn)與橋頭混凝土硬化的便道相接，棧橋擬以“L”字型布置?？紤]水位及浪高，參照20年一遇洪水位272.95 m，考慮到安全高度和鋼棧橋的上部結(jié)構(gòu)高度，鋼棧橋頂部高程275.61 m，高于設(shè)計(jì)洪水水位約2.66 m。

2 鋼棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)鋼棧橋進(jìn)行如下初步設(shè)計(jì)，鋼棧橋標(biāo)準(zhǔn)跨跨徑為12 m，鋼棧橋?qū)挾葹?.9 m(加寬段寬度為9 m)。為滿足不同的地質(zhì)情況下的施工需要，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式考慮為單排φ630×10 mm(非加寬段橫橋向?yàn)?根，加寬段橫橋向?yàn)?根。)的鋼管樁基礎(chǔ)，橫橋向樁間距都為2.25 m。

鋼棧橋細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為：橫橋向樁與樁之間采用雙拼16a號(hào)的槽鋼進(jìn)行連接。鋼管樁上部設(shè)置雙拼45c號(hào)工字鋼樁頂橫梁，橫梁上設(shè)置3排“321”型貝雷片組，貝雷片間距為0.9 m，貝雷組間距為1.35 m，采用90型花架連成整體，貝雷組與組間設(shè)置角鋼75×5的剪刀撐。貝雷頂設(shè)置25a號(hào)工字鋼橫向分配梁(標(biāo)準(zhǔn)間距75 cm)及12.6a號(hào)工字鋼縱向分配梁(標(biāo)準(zhǔn)間距24 cm)，橋面板用12號(hào)工字鋼和10 mm厚花紋鋼板滿鋪。棧橋共七跨，貝雷片與樁頂橫梁間設(shè)置限位裝置，構(gòu)件之間采用夾具進(jìn)行固定。鋼棧橋結(jié)構(gòu)構(gòu)造如圖1。

鋼棧橋中貝雷梁片材料為16 Mn鋼材，其余型鋼均采用Q235鋼材。

圖1 鋼棧橋結(jié)構(gòu)構(gòu)造圖

3 鋼棧橋仿真模擬

3.1 建立有限元模型

采用大型有限元軟件midas Civil對(duì)釜溪河管橋工程鋼棧橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模分析，模型共有18 765個(gè)單元，13 729個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。對(duì)于鋼棧橋結(jié)構(gòu)中的鋼管立柱、水平橫聯(lián)、樁頂橫梁、橫向工字鋼、縱向工字鋼、貝雷梁等均采用空間梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。對(duì)鋼管立柱底部6個(gè)方向的自由度進(jìn)行約束，鋼管立柱的頂端和樁頂橫梁、橫向工字鋼、縱向分配工字鋼和貝雷梁之間均采用彈性連接來(lái)模擬構(gòu)件實(shí)際的簡(jiǎn)支約束。

圖2 鋼棧橋有限元模型

鋼棧橋結(jié)構(gòu)計(jì)算中的載荷有：結(jié)構(gòu)自重、車輛荷載、施工載荷、水流荷載等。其中50 t混凝土罐車和73 t旋挖機(jī)為施工控制荷載，50 t混凝土車按汽-20級(jí)重車考慮，73 t旋挖機(jī)履帶接地長(zhǎng)度為4.6 m，履帶寬度為0.8 m則每條履帶上分布的單位壓力為77.76 kN/m；施工及人群荷載為4 kN/m；水流流速取3 m/s，水流荷載按照《港口工程荷載規(guī)范》(JTS 144-1—2010)的計(jì)算方法計(jì)算。各項(xiàng)荷載的分項(xiàng)系數(shù)為1.2，50 t混凝土車的分項(xiàng)系數(shù)取1.4。荷載以均布荷載的方式施加到分配梁上。

3.2 計(jì)算荷載工況

73 t旋挖機(jī)作為最大荷載，將其作為控制荷載。將其作為靜荷載放置在橋面的不同位置作為不同的工況?，F(xiàn)選取以下八個(gè)最不利工況進(jìn)行驗(yàn)算：

工況(1)：50 t混凝土罐車作為移動(dòng)荷載通過(guò)鋼棧橋跨中，為了保守設(shè)計(jì)，本棧橋設(shè)計(jì)車輛在通過(guò)平臺(tái)時(shí)應(yīng)該行駛在鋼棧橋橋邊緣處。

荷載組合：1.2×結(jié)構(gòu)自重+1.4×滿載混凝土罐車自重+0.75×1.4×水流荷載

工況(2)：73 t旋挖機(jī)作用在鋼棧橋順橋向上0 m處。

荷載組合：1.2×結(jié)構(gòu)自重+0.75×1.4×水流荷載+1.2×旋挖機(jī)自重+1.2×施工荷載。

工況(3)：73 t旋挖機(jī)作用在鋼棧橋上3.75 m處。

荷載組合：1.2×結(jié)構(gòu)自重+0.75×1.4×水流荷載+1.2×旋挖機(jī)自重+1.2×施工荷載。

工況(4)：73 t旋挖機(jī)作用在鋼棧橋順橋向上7.4 m處。

荷載組合：1.2×結(jié)構(gòu)自重+0.75×1.4×水流荷載+1.2×旋挖機(jī)自重+1.2×施工荷載。

工況(5)：73 t旋挖機(jī)作用在鋼棧橋順橋向上36 m處。

荷載組合：1.2×結(jié)構(gòu)自重+0.75×1.4×水流荷載+1.2×旋挖機(jī)自重+1.2×施工荷載。

工況(6)：73 t旋挖機(jī)作用在鋼棧橋順橋向上39 m處。

荷載組合：1.2×結(jié)構(gòu)自重+0.75×1.4×水流荷載+1.2×旋挖機(jī)自重+1.2×施工荷載。

工況(7)：73 t旋挖機(jī)作用在鋼棧橋順橋向上78.75 m處。

荷載組合：1.2×結(jié)構(gòu)自重+0.75×1.4×水流荷載+1.2×旋挖機(jī)自重+1.2×施工荷載。

工況(8)：73 t旋挖機(jī)作用在鋼棧橋順橋向上82.4 m處。

荷載組合：1.2×結(jié)構(gòu)自重+0.75×1.4×水流荷載+1.2×旋挖機(jī)自重+1.2×施工荷載。

3.3 計(jì)算結(jié)果

進(jìn)入midas Civil中的后處理界面，提取各單元的正應(yīng)力、剪應(yīng)力、位移等計(jì)算結(jié)果，并與容許值進(jìn)行比較。

各個(gè)構(gòu)件在各工況下的最大正應(yīng)力如表1所示。

表1 構(gòu)件正應(yīng)力結(jié)果 單位:MPa

貝雷梁在工況八時(shí)壓應(yīng)力最大，最大壓應(yīng)力為213.7 MPa，滿足小于275 MPa容許應(yīng)力的要求；其他構(gòu)件的最大正應(yīng)力為99.6 MPa滿足小于205 MPa的要求。

各個(gè)構(gòu)件在各工況下的最大剪應(yīng)力如表2所示。

貝雷梁在工況一時(shí)剪應(yīng)力最大，最大剪應(yīng)力為87.7 MPa，滿足小于160MPa容許應(yīng)力的要求；其他構(gòu)件的最大剪應(yīng)力為71.4 MPa，滿足小于125 MPa容許應(yīng)力的要求。

表2 構(gòu)件剪應(yīng)力結(jié)果表 單位：MPa

各個(gè)構(gòu)件在各工況下的最大縱向位移如表3所示。

表3 構(gòu)件最大縱向位移結(jié)果表 單位：mm

鋼棧橋各構(gòu)件最大縱向位移為17.090 mm，滿足小于L/400=30 mm的要求。

此外還進(jìn)行了鋼棧橋的屈曲分析，安全系數(shù)均大于4，滿足規(guī)范要求；因此該鋼棧橋的仿真驗(yàn)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，并具有足夠的安全儲(chǔ)備。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著我國(guó)橋梁施工技術(shù)的快速發(fā)展，其輔助施工的鋼棧橋的設(shè)計(jì)方法和施工技術(shù)也不斷走向成熟。本文重點(diǎn)考慮了施工機(jī)具位于鋼棧橋不同位置時(shí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力與變形，運(yùn)用有限元軟件midas Civil對(duì)內(nèi)江供水管線鋼棧橋進(jìn)行了仿真模擬和計(jì)算。結(jié)果表明：鋼棧橋的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性都滿足相關(guān)規(guī)范的要求，是安全可靠，經(jīng)濟(jì)適用的。因此該仿真計(jì)算可以為其他相似工程的設(shè)計(jì)及施工提供參考。