水電工程直立巖壁鋼棧橋基礎優化設計

Optimization Design of Steel Trestle Foundation of Vertical Rock Wall in Hydropower Project

LIU Dong-dong

摘要：水電項目施工中，經常遇到邊坡巖層不夠穩定等不良地質情況，為防止因邊坡不穩定造成的危害，工程中經常搭建大量排架，并架設鋼棧橋作為鋼管排架的基礎，因此開展鋼棧橋基礎穩定性研究具有重要理論意義及工程價值。本文以某廠房邊坡危巖體治理工程為背景，分析不同因素對鋼棧橋基礎力學性能的影響，通過理論分析和有限元數值模擬相結合的方法，對鋼棧橋結構型式和截面尺寸進行優化設計，給出工程常用跨度和荷載下結構的截面選擇。

Abstract： In the construction of hydropower projects， unfavorable geological conditions such as insufficient stability of the slope rock formation are often encountered. In order to prevent the damage caused by the unstable rock slope， a large number of trusses are often built in the project， and the steel trestle bridge is erected as the foundation of the steel pipe truss. Therefore， the research on the stability of the steel trestle foundation has important theoretical significance and engineering application value. This paper takes the dangerous rock mass control project of the right bank slope of a factory as the research background， analyzes the influence of different factors on the mechanical properties of the steel trestle foundation， through the combination of theoretical analysis and finite element numerical simulation， the structural design and section size of the steel trestle are optimized. According to the calculation results of the optimized design， the section selection of the structure under common span and load is given.

關鍵詞：水電工程;直立巖壁;鋼棧橋;有限元分析;優化設計

Key words： hydropower project;upright rock wall;steel trestle;finite element analysis;optimization design

中圖分類號：U441;U448.18? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）32-0157-04

0? 引言

鋼棧橋作為一種臨時修建的運輸結構設施，對棧橋的合理使用，既可以提供便捷的通道又可以作為修建上部結構的結實基礎，尤其是在野外和危險地區的水電項目施工中，為了防止危害人類生命、破壞生態環境及物質財富損失，自然邊坡、坡度陡峻、高邊坡巖體的穩定性治理是非常必要的。為了保證施工的安全和進度，因此開展鋼棧橋的穩定性研究具有重要的理論與實際意義。

目前鋼棧橋的計算理論主要包括結構的內力計算、穩定性驗算、變形驗算以及截面應力的計算等方面，國內很多學者[1-6]都對這方面展開了研究，并取得了一定的研究成果，其計算方法和計算理論相對比較成熟。但是在實際應用中，大多數的研究是關于河流和橋梁建設方面的研究[7-9]，對于直立巖壁上的鋼棧橋，由于其支撐在巖壁上，受力性能和穩定性的計算方法、結構選型、安全性評價以及結構優化等方面目前還沒有機構進行系統的研究。王冠平[10]針對陡立巖壁高層排架基礎鋼棧橋力學性能進行了理論分析，但并未對結構型式和截面尺寸優化設計方面進行系統的研究。本文以某廠房右岸邊坡危巖體治理工程為研究背景，對鋼棧橋基礎的力學性能和穩定性進行系統的分析研究，分析結構的安全性能，通過Midas軟件模擬，對結構型式和截面尺寸進行優化設計，為該類結構的設計施工提供依據，避免盲目擴大截面尺寸造成的材料浪費，從而提高材料的利用率，提高施工進度，降低工程造價。

1? 鋼棧橋理論研究

1.1 鋼棧橋結構選型

1.1.1 鋼棧橋結構的選型對結構體系有重要的影響，結構選項時應該考慮以下幾個原則： ①結構應具有良好的力學性能。②結構應該具有良好的施工性能。③鋼棧橋施工過程中可能遇到馬道、緩坡、陡坡及陡峭巖壁等各種地質情況，因此結構型式應該具有很強的適應性和推廣性，適應不同的地質情況。④結構型式應該具有良好的經濟性能，具有較低的造價。

1.1.2 結構型式的選型：目前實際工程中常用的結構型式，跨度較小時采用的如圖1所示的結構型式，跨度較大時采用的是圖2所示的結構形式。在實際工程中鋼棧橋基本用做腳手架基礎或者勘察汽車通過，荷載基本集中在靠近支座的一半結構范圍里面，通過理論分析和有限元分析可知，當結構跨度較小時也可采用圖3所示的結構型式，當跨度較大時可采用圖4所示的結構型式，圖4所示的結構型式在力學性能上彎矩比圖2所示明顯減小，而且結構型式更加簡單，施工更加方便。具體的分析優化過程詳見后面的有限元分析過程。

1.2 鋼棧橋內力及穩定性的分析和驗算

該棧橋結構體系主要包括棧橋主體架、上部縱梁、鋼板、防護欄桿以及支撐組成。腳手架及各種施工荷載首先傳遞給花紋鋼板，花紋鋼板傳遞給縱梁，最后傳遞給棧橋。棧橋結構的荷載作用沿長度方向比較均勻，豎向荷載主要由各榀棧橋梁承擔，沿著棧橋長度方向各榀棧橋梁的受力相同，因此將該棧橋結構的受力分析由空間結構轉化為平面結構進行計算[11-13]。此外，工程中布置的防護欄桿主要是對施工過程中的人員起防護作用，因此分析時不予考慮。由于各個棧橋間通過四根縱向梁連接，結構整體穩定性較好。棧橋通過錨筋與山體連接錨固，分析時假定錨筋具有足夠的錨固強度，沒有考慮錨筋的滑移的情況。

實際工程中沿著棧橋寬度方向等間距布置了四排縱梁，所以縱梁傳遞給棧橋的荷載簡化為四個集中力。此外，鋼棧橋結構還要承受自重，由于自重相對整個荷載所占的比重較小，為簡化計算可以將自重產生的均布荷載簡化為集中荷載與縱梁傳遞來的荷載合并計算。

鋼棧橋的結構形式首先要考慮結構的安全性，但高空棧橋由于施工比較困難，因此又要考慮結構能夠方便的進行施工。當跨度較小時綜合考慮結構的安全性、施工性及經濟性，采用橫梁加斜撐的結構形式，為提高結構的安全儲備，增加一個斜向拉桿。在結構的內力計算時斜向拉桿的內力較小并且內力為拉力，計算時如果采用手算偏于安全的可以不考慮斜向拉桿的影響。關于棧橋梁強度和穩定性的驗算，在各個規范里都有詳細規定，本文不做詳細說明。

2? 鋼棧橋穩定性有限元分析

2.1 有限元模型建立

結合上述理論分析及工程實際，本次數值模擬初步選取6種模型進行計算分析，即基于上述鋼棧橋結構的幾何尺寸、材料參數、桿件類型等，通過改變鋼棧橋的跨度、間距及各構件的截面尺寸等參數（如表1所示），分析梁的內力（彎矩、剪力和軸力），梁的應力、撓度的大小等力學性能的變化，綜合分析優化結構的型式和截面尺寸。

建立有限元分析模型如圖5所示，但是由于棧橋較長，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，因此本文主要對一個5跨的棧橋進行力學分析，如圖6所示。建立有限元模型時沒有考慮錨筋樁的粘結與滑移。

2.2 有限元分析結果比較

判斷結構是否合理需要綜合考慮結構的內力、應力、變形、材料用量和施工工作量等因素，一般情況下需要遵循受力合理、節省材料和便于施工的原則。模型1-6有限元分析結果對6個鋼棧橋的有限元分析結果如表2所示。

通過表2可以看出對跨度2.5m的鋼棧橋，通過分析發現模型3從受力、變形以及用鋼量方面綜合考慮，是最不經濟的選擇。鋼棧橋間距為3m模型1和間距為2m的模型2，用鋼量和變形比較接近，模型2比模型1應力、內力和錨筋樁處拉拔力均要小，從受力角度模型2要更合理，但模型1由于模型間距較大，鋼棧橋的個數比模型2約少50%（60m內模型1有21個，模型2有31個），因此模型1施工工作量比模型2明顯減少，因此綜合以上分析，模型1是比較好的選擇。

本文對模型1所能承受的最大荷載進行了分析，通過大量的試算，以梁的最大應力達到屈服應力為準則對其進行分析，通過分析可得模型1的極限荷載為10.38kN/m2。在極限荷載10.38kN/m2作用下，給出了鋼棧橋結構的內力、應力及位移等值（如表3所示）。

另外，本文對跨度為3m的鋼棧橋進行了分析，采用懸挑0.5m的結構型式，由模型4至模型6分析結果可知模型模型5和模型6優于模型4，其中模型6用鋼量最小，但其橫梁的應力較大，而且其間距較小，鋼棧橋的個數較多，施工量較大，綜合比較建議選擇模型5。

3? 工程驗證

某水電站廠房右側邊坡治理工程，廠房右側邊坡基巖裸露，邊坡上部危巖廣泛分布，主要發育為順坡向層理及垂直岸坡組裂隙，在外營力作用下有小面積塌方和掉塊可能，如圖7所示。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，對該部位進行危石清理、錨固及柔性防護。工程邊坡高陡，1450m高程以下為75°以上陡坡，局部為直坡，甚至倒坡;1450m高程以上綜合坡比也在60°左右。為保證施工人員安全，需搭建大量鋼管排架，架設鋼棧道，修建臨時施工道路及鋼爬梯，所修建棧橋總長82.0m，棧橋寬2.0m，采用錨筋樁連接巖壁和棧橋面，如圖8所示。該治理工程鋼棧橋結構為：縱梁為1.5m長槽鋼，斜支撐為2.3-2.5m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。橫梁為6m長槽鋼按3排平鋪于縱梁上，縱向排距為0.5m，并與縱梁焊接牢固。

已經建成的總長82m的1號鋼棧橋，棧橋寬2.0m，每組棧橋梁由橫、斜梁組成，與錨樁焊接，各組梁由縱向拉筋？準25mm連接，每道斜梁腰部由？準25mm拉筋與上排錨樁拉接。鋼棧橋結構橫梁為2.2m長槽鋼，斜支撐為2.3-2.5m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6m長槽鋼按4排平鋪于縱梁上，縱向排距為0.733m，并與縱梁焊接牢固。根據上述資料可知，該棧橋結構型式為模型1，本工程實施期間，鋼棧橋使用過程中未發生安全事故，因此可知優化結構型式模型1安全可靠。

4? 結論

根據工程實踐和理論分析，結合結構的施工性能、力學性能和工程造價等因素，高層鋼棧橋結構的結構型式宜采用梁桁結構型式，該結構型式具有受力合理、施工方便、經濟效益和社會效益高等優點。給出了鋼棧橋結構的有限元分析方法，分析了構件截面、鋼棧橋跨度、鋼棧橋間距等參數變化對鋼結構的力學性能和變形性能的影響，為鋼棧橋結構選型和理論計算公式的提出提供了依據。建立了一套從結構選型到分析驗算全過程、理論分析與有限元模擬相結合的安全分析與評價體系，該體系科學合理、針對性強且便于應用，對該類結構的設計施工具有指導意義。

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作者簡介：劉東東（1993-），男，陜西榆林人，西安科技大學在校研究生，研究方向為防災減災工程及防護工程。