某廠房邊坡治理工程鋼棧橋設計及穩定性分析

周彩貴,高丙麗

(1.西北水利水電工程有限責任公司,西安 710065；2.西安科技大學建筑與土木工程學院,西安 710054)

文章編號：1006—2610(2015)01—0049—04

某廠房邊坡治理工程鋼棧橋設計及穩定性分析

周彩貴1,高丙麗2

(1.西北水利水電工程有限責任公司,西安 710065；2.西安科技大學建筑與土木工程學院,西安 710054)

在邊坡治理工程中，需在搭設腳手架時以鋼棧橋作為輔助支撐體。針對某水電工程地質條件復雜的實際情況，采用有限元法，分析了邊坡治理工程鋼棧橋的穩定性，得到了鋼棧橋橫梁和縱梁的應力和應變分布特性，確定結構受力和變形較大的位置，分析結構中比較危險的桿件，為設計與施工提供參考依據。工程實踐表明，鋼棧橋穩定性分析結果正確。

水電站；邊坡；穩定性；有限元；鋼棧橋

0 前 言

鋼棧橋作為一種常見的工業建筑形式已經廣泛地應用于公路、港口、礦山以及水電等工程中，目前國內外在鋼棧橋設計中常采用桁架結構。桁架是指由直桿在端部相互連接而組成的格子式結構，桁架中的桿件大部分情況下只受軸線拉力或壓力，由于桿件的應力在截面上均勻分布，因而容易發揮材料的作用，所以在棧橋設計時才經常采用桁架結構。在實際工程中荷載并不一定全部作用于結點上，鋼棧橋上部弦桿也承受彎矩作用，屬于壓彎構件。目前國內外對鋼棧橋的計算研究相對較多，并積累了較好的理論基礎。本文利用有限元對鋼棧橋進行安全分析，其計算原理與方法可以借鑒到其他工程腳手架與鋼棧橋的設計與計算中。

1 工程概況

某廠房右側邊坡基巖裸露，以F④-2斷層為界，上游側為薄層、中厚層結晶灰巖夾大理巖，下游側為厚層、巨厚層英安質凝灰巖夾安山質凝灰巖。邊坡上主要發育順坡向層理及垂直岸坡組裂隙。其中灰巖、大理巖段邊坡由于巖層陡傾岸外且陡于邊坡坡腳，故邊坡整體穩定性較好，且經裂隙切割后無較大不穩定塊體，但局部有小規模松動巖體及危石零星分布；凝灰巖段邊坡由于巖層傾角小于或等于邊坡坡腳，故邊坡下部有部分巖層在垂直岸坡組裂隙的切割下順層滑落形成現在邊坡大光面，本段邊坡在天然狀態下整體穩定性較好，但邊坡上部危巖廣泛分布，在外應力作用下有小面積塌方和掉塊可能。由于上述地質情況，為保證廠房及尾水渠施工及后期運行安全，要求對該部位進行危石清理、錨固及柔性防護。整個邊坡高程約為1 400.00～1 680.00 m, 其中1 450.00 m高程以下為75°以上陡坡，局部為直坡，甚至倒坡；1 450.00 m高程以上綜合坡比也在60°左右。

鑒于本工程施工要求，需從廠房右岸邊坡底部開始搭設腳手架向山頂做輔助施工。因腳手架搭設高度有限，中部需要做2層鋼棧橋為輔助支撐體。本工程于2012年完成第1層鋼棧橋的施工工作，主要施工方案通過借鑒其他水電站鋼棧橋結構制作。而第1層鋼棧橋至第2層鋼棧橋位置中間為倒坡，且靠近倒坡位置下方形成凹面。因此，需要搭設第2層滿堂架才能越過倒坡位置進行第2層鋼棧橋施工。在第2層腳手架搭設過程中，腳手架掃地桿與支撐桿盡量借助山體坡面做為支撐點，避免棧橋因承受較大重量而變形。鋼棧橋需承擔其上部腳手架的重量及施工荷載。本工程由于腳手架搭設量較大(達到80 t)，棧橋承擔的荷載也很大，因此需要對鋼棧橋的承載力、變形及其整體穩定性進行分析驗算，以確保結構的安全性。鋼棧橋結構如圖1。

2 鋼棧橋結構設計

2號棧橋計劃總長98 m，共計70組梁，橋面寬1.5 m，為1.5 m長槽鋼，斜支撐為2.3～2.5 m槽鋼，斜支撐下部支撐點為下排錨筋樁露頭處滿焊焊接，并支撐于巖石面上。縱梁為6 m長槽鋼按4排平鋪于縱梁上，排距為0.5 m，并與橫梁焊接牢固。錨樁孔間距1.3～1.5 m，排距1.4～1.6 m(受巖面控制，位置稍異)。2道棧橋焊接型式相同，如圖2所示。

圖1 鋼棧橋結構圖

圖2 2號棧橋側視圖和俯視圖 單位：mm

鋼棧橋主要使用材料為5 mm花紋鋼板、12號槽鋼及Φ28聯系筋。 鋼結構用鋼材為Q235鋼，焊接材料的選用應符合設計圖的要求，并應具有鋼廠和焊接材料廠出具的質量證明書或檢驗報告。由于篇幅所限，本文僅對2號鋼棧橋進行有限元分析。

3 有限元分析

3.1 結構有限元模型建立

棧橋結構是空間整體結構，將其簡化為平面結構進行計算，基本符合結構的力學性能，但是不能全面反映結構的整體應力分布和變形特征。為了全面了解結構的受力特性和變形特性，了解結構的應力分布，確定結構最不利的位置，利用大型有限元分析軟件Midas對棧橋的整個結構進行分析。

根據棧橋結構的幾何尺寸、材料參數、桿件類型等建立有限元分析模型。由于該棧橋長98 m，寬僅僅1.5 m，因此建立的模型為細長型模型，不便于后期的數據分析和結果展示。通過前期的對比分析發現可以用5跨計7.5 m長的結構代替整個實際結構，對整個結構的分析結果影響很小，因此，主要對一個5跨的棧橋進行力學分析，如圖3所示。建立有限元模型沒有考慮錨筋樁的粘結與滑移。

圖3 結構有限元分析模型圖

3.2 有限元分析結果

3.2.1 梁截面的應力

通過有限元分析，計算出梁的應力和梁截面應力分布如圖4～6所示。

圖4 梁單元應力圖

由圖4～6可以看出，鋼棧橋橫梁最大彎曲應力為102.69 N/mm2

圖5 中間棧橋梁橫梁跨中截面應力圖

圖6 端部縱梁截面應力分布圖

3.2.2 結構的變形分析

通過有限元分析，結構的變形如圖7所示。

圖7 結構的變形示意圖

由圖7可以看出，棧橋梁最大位移為0.89 mm，小于規范要求的3.75 mm；縱梁的最大位移為0.27 mm，4小于規范要求的2.75 mm，結構的剛度均滿足要求。

3.2.3 計算結果分析

通過理論分析與有限元分析相結合的方法，對棧橋梁、縱向梁進行了分析，具體如下：

(2) 棧橋梁有限元分析所得的位移為0.89mm，小于規范要求的3.75mm，結構的剛度滿足要求。

(3) 縱向梁的最大應力為106.69N/mm2，小于鋼材的抗彎強度210N/mm2，結構的強度及穩定性滿足要求。縱梁的最大位移為0.27mm，小于規范要求的2.75mm，滿足結構剛度要求。

(4) 通過有限元分析結果表明，2號鋼棧橋結構體系在強度、剛度及穩定系方面均滿足要求，且具有一定的安全儲備。

4 結 語

(1) 利用有限元分析軟件對結構進行整體建模，綜合分析結構在各種荷載工況下應力應變情況，研究結構的應力與變形分布情況，確定結構受力或變形較大的位置，分析結構中比較危險的桿件，為設計與施工提供參考依據。

(2) 目前，第1層和第2層腳手架已拆，第1層和第2層鋼棧橋留在原處；第3層腳手架已施工完成，腳手架及鋼棧橋未監測到異常變形，同時也沒有發生垮塌現象，說明計算結果是正確的。

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Design and Stability Analysis on Steel Trestle for Treatment of One Powerhouse Slope

ZHOU Cai-gui1, GAO Bing-li2

(1. Northwest Water Resources and Hydropower Engineering Co., Ltd., Xi'an 710065,China;2. Architectural and Civil Engineering School, Xi' an University of Science and Technology, Xi'an 710054,China)

In slope treatment, the steel trestle is required to work as an auxiliary support while scaffolding is installed. Aiming at the complicated geological conditions of one hydropower station, the finite element method is applied to analyze the stability of the steel trestle for the slope treatment. The characteristics of the stress and strain distribution of the transversal and longitudinal girders of the steel trestle are derived, positions where the structural action and deformation are greater are determined. These provide design and construction with basis. The engineering practice proves that the results of the analysis on the stability of the steel trestle are correct.

hydropower station; slope; stability; finite element; steel trestle

2014-11-05

周彩貴(1974- )，男，甘肅省永登縣人，高級工程師，主要從事水利水電工程勘探、施工與管理.

TV52

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.013