基于有限元理論的數值模擬技術在施工棧橋結構設計中的應用

艾建杰

摘要：棧橋是橋梁施工中運輸材料、設備、人員并連接正式橋位與陸地的重要臨時施工通道。鑒于其在施工中的重要性以及特殊的臨時性，設計時需要考慮結構的承載力以保證結構在重載作用下的安全性和適用性，同時還要要兼顧經濟性。本文結合工程實例，利用基于有限元理論的結構分析軟件Midas Civil進行棧橋的強度和穩定性分析檢算，以達到驗證和優化大臨設計方案的目的。

關鍵詞：棧橋;移動荷載;有限元;結構設計;穩定性;貝雷梁

一、工程概況

某公路橋梁施工階段，為滿足材料運輸要求，同時滿足150t履帶吊走行進行構件裝吊作業，在引橋灘涂位置設置鋼棧橋，棧橋寬10.5m，長192m，橫橋向共布置11片貝雷梁，最大跨徑12m，具體為三聯5×12 m +6×12m+5×12 m布置形式。

二、技術參數

1.基本可變荷載：150t履帶吊車荷載（最大吊重50t），履帶著地面積7182×1100mm，換算等效均布荷載0.093N/mm?;

2.風載：考慮最大8級風速20.7m/s。8級風載按《公路橋涵設計通用規范》進行計算，風載，其中：

單片貝雷片及橋面板迎風面積：

;

所受風載為：

三、數值模擬計算方案

利用Midas Civil對整個模型進行有限元劃分，為加快建模和分析過程，在不影響計算結果的前提下，合理的減少單元數量，建立3×12m空間計算模型.風荷載等效于集中荷載施加在每片貝雷片桁架節點上。利用移動荷載加載功能對數值模型進行車道荷載加載，示意圖如圖3.1所示。結合實際計算工況如下：

工況Ⅰ：自重荷載+履帶吊走行至邊跨墩頂+風荷載

工況Ⅱ：自重荷載+履帶吊走行至跨中+風荷載

工況Ⅲ：自重荷載+履帶吊走行至中跨墩頂+風荷載

工況Ⅳ：自重荷載+履帶吊在墩頂旁起吊+風荷載

工況Ⅴ：自重荷載+履帶吊在跨中起吊+風荷載

工況Ⅵ：自重荷載+履帶吊在墩頂起吊+風荷載

四、結構計算結果分析

4.1主梁計算及分析

貝雷片受力計算結果如下圖所示：

4.2橋面系計算及分析

橋面系由面板、橫梁和縱梁組成，其中，面板為8mm厚花紋鋼板，橫梁為I20a型鋼，縱梁為I12.6型鋼。

在工況Ⅳ，面板最大應力，滿足規范要求。

在工況Ⅱ，橋面板橫梁材質為Q235B鋼材，最大應力，滿足規范要求。

在工況Ⅵ，橋面板橫梁最大應力，滿足規范要求。

在工況Ⅵ，橋面板縱梁材質為Q235B鋼材，最大應力，滿足規范要求。

在工況Ⅱ，橋面板縱梁最大應力，滿足規范要求。

4.3柱頂分配梁計算

分配梁A截面為2工40a，其應力計算結果如4.3.1、圖4.3.2所示。分配梁C截面為2工56a，其應力計算結果如圖4.3.3、圖4.3.4所示。

在工況Ⅵ，分配梁A材質為Q235B鋼材，最大應力，滿足規范要求。

在工況Ⅵ，分配梁A最大應力，滿足規范要求。

在工況Ⅰ，時分配梁C材質為Q235B鋼材，最大應力，滿足規范要求。

在工況Ⅰ，分配梁C最大應力，滿足規范要求。

4.4鋼管樁計算及分析

原鋼管樁設計采用800×10mm鋼管樁，材質為Q235B鋼，入土深度20m。根據《建筑樁基技術規范》5.2.2條規定，單樁豎向承載力，其中K=2，且根據《建筑樁基技術規范》5.3.7條規定，，結合當地地質情況選取相應參數，則樁基豎向承載力計算如下：Ra=1237.8KN，由數值計算結果如下圖4.4.1所示，可知，各種工況下鋼管樁最大軸力為918KN，結構設計安全系數為1.35，設計合理。

計算長度按5m考慮，，b類截面，查表

得，最大應力

，滿足規范要求。

五.結論

根據以上計算結果可知，棧橋各主要構件受力均能滿足現行規范要求，且經過生產實踐監測，整體結構無失穩及不均勻沉降的趨勢，符合適用、安全、經濟、美觀的設計準則。因此，通過對鋼棧橋結構進行數值模擬結構分析，可準確評價棧橋結構設計合理性，為工程實踐和學術研究人員進行棧橋結構優化設計提供依據。

參考文獻

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[4]GB 50009-2012.?建筑結構荷載規范[S]. 2012