基于有限元法的臨時施工棧橋優化設計研究

李永亮 張文亮

(中交一公局廈門工程有限公司，福建 廈門 361000)

1 概述

臨時施工棧橋是一種為運輸材料、設備、人員而修建的臨時橋梁設施。為了保證棧橋安全，較好地控制材料使用量，對臨時棧橋的設計進行詳盡的計算分析是極其重要的，且具有較大的社會和經濟意義。文章參考近年來諸多施工棧橋設計的研究成果[1-4]，以某工程施工棧橋為研究對象，采用有限元分析軟件MIDAS CIVIL建立三維有限元數值模型，選取最不利荷載組合進行計算，對該棧橋受力最不利位置進行判別，確定合理的設計方案，通過與工程實際測試結果進行驗證，確定了方案的可行性，以期為今后類似工程提供參考。

2 棧橋技術指標

棧橋橋長18 m，分成2個橋面，每個橋面寬6 m，支撐條件為簡支，采用最不利情況，驗算荷載：掛—120，按照公路—Ⅰ級進行移動荷載驗算，下部結構為貝雷片結構。貝雷片參數：材料16Mn鋼，弦桿為10號雙槽鋼(C100×48×5.3/8.5，間距8 cm)，腹桿Ⅰ8(h=80 mm，b=50 mm，tf=4.5 mm，tw=6.5 mm)。貝雷片的連接為銷接；支撐架參數：材料Q235鋼，截面L63×4；分配橫梁參數：材料Q235鋼，截面25號工字鋼；分配縱梁參數：材料Q235鋼，截面12號工字鋼；鋼板參數：材料Q235鋼，厚度1 cm(見圖1)。

3 初始方案計算分析

設計單位按照施工經驗給出初始方案設計，棧橋由貝雷片、支撐架、橫向分配梁、縱向分配梁及鋪設鋼板組成。貝雷片的橫向布置為3×0.45 m+3×0.45 m，橫向分配梁采用25號工字鋼，間距0.705 m，位置作用于貝雷片上弦桿的節點上，縱向分配梁采用12號工字鋼，間距0.25 m，上鋪設厚度為0.01 m的鋼板。

3.1 幾何模型

基于有限元分析軟件MIDAS CIVIL建立初始設計方案的施工棧橋模型，采用梁單元模擬貝雷片、分配橫梁和分配橫梁縱梁，桁架單元模擬支撐架，路面鋪裝鋼板采用板單元模擬，貝雷片銷接位置按照節點約束釋放形式模擬。模型按照簡支結構計算，考慮最不利荷載組合，驗算荷載為掛—120和結構自重，按照公路—Ⅰ級進行移動荷載驗算。建立有限元模型如圖2所示。

3.2 數值模擬分析

為了準確判斷最不利荷載作用下，棧橋各部位的受力情況，進而確定各結構的最不利位置及應力值，判斷棧橋整體結構是否符合《鋼結構設計規范》[5]的標準要求。若符合，則說明初始設計方案合理可行，若不符合，則根據最不利位置及數值對棧橋進行加強處理，達到修正設計的目的，確定出合理的棧橋優化方案。考慮文章篇幅，僅對棧橋主要構件及最不利狀態進行詳細闡述。

3.2.1棧橋結構位移計算

通過最不利荷載組合作用下棧橋結構位移等值線圖得出，該棧橋結構所能發生的最大撓度值為17.86 mm，方向垂直向下，小于控制標準值±L/600=±30 mm，橋梁整體剛度情況良好，最不利荷載組合作用下，橋梁撓度滿足標準要求。

3.2.2棧橋各結構應力計算

通過模型最不利荷載組合作用下棧橋各主要結構單元組合應力等值線得出，棧橋貝雷片弦桿單元組合應力值和棧橋貝雷片腹桿單元組合應力值分別為-314.30 MPa,-296.99 MPa，呈壓應力，大于控制標準值±232.5 MPa，發生位置均為支座約束附近；棧橋支撐架桁架單元組合應力值、棧橋分配橫梁單元組合應力值和分配縱梁單元組合應力值分別為-151.62 MPa,-158.48 MPa,-190.07 MPa，呈壓應力，小于控制標準值±215 MPa，符合承載能力要求。

綜上所述，棧橋貝雷片弦桿單元組合應力和棧橋貝雷片腹桿單元組合應力，在最不利荷載作用下不滿足控制標準要求，發生位置均為支座約束附近。為了施工中棧橋安全考慮，使其滿足設計評定要求，參照數值模擬計算結果，應對棧橋下部支座附近貝雷片弦桿和腹桿予以加強，同時，棧橋剛度較好，可調整分配橫梁間距，使結構受力更為充分合理。

3.3 初始加固計算結果

在設計與施工經驗相對缺乏的情況下，采用數值模擬分析是指導設計和施工的重要手段。通過數值模擬，不僅可以初步判斷設計方案的可行性，還能夠通過數值計算結果給出合理的優化建議。文章對數值模擬計算結果進行分析，判斷初始設計方案尚不可取，需對受力不符合要求位置采取加強措施，使其通過承載能力驗證。

采用《鋼結構設計規范》[5]中鋼結構設計強度要求評定。貝雷片考慮折減系數0.75，確定評定標準，方案設計時還應考慮貝雷片新舊程度，若采用舊貝雷片，還應予以折減考慮。結果見表1。

表1 初始設計方案數值計算結果

4 設計方案優化

4.1 優化方案與模型

經有限元計算分析，上述初始設計方案無法滿足承載能力要求，為保證施工過程中棧橋結構安全可靠，需對不符合要求位置進行加強，使其滿足承載能力要求，同時，對棧橋結構進行加載測試，根據測試數據進行可行性研究，通過后方可投入使用。

方案加強措施：貝雷片的橫向布置為3×0.45 m+3×0.45 m，橫向分配梁采用25號工字鋼，間距0.705 m與0.795 m結合，位置作用于貝雷片上弦桿的節點上，縱向分配梁采用12號工字鋼，間距0.25 m，上鋪設0.01 m鋼板。在貝雷片兩端處弦桿節點處增加支撐梁，材料16Mn鋼，為10號雙槽鋼(C100×48×5.3/8.5，間距8 cm)，進行加強，端部貝雷片下弦桿槽鋼內部焊接鋼條進行加固。模擬計算與初始設計方案相同，考慮最不利情況進行承載能力驗算，建立有限元模型如圖3所示。

4.2 優化計算結果

結合棧橋初始設計方案數值模擬計算結果，對該棧橋不符合評定標準位置進行加強處理。經過結構優化后，在最不利荷載組合工況下，施工棧橋撓度和結構應力計算結果見表2。

表2 優化設計方案數值計算結果

數值模擬結果表明，優化后，在加載工況D+F時，棧橋撓度和結構應力值均滿足規范[5]評定標準值，說明優化后的棧橋設計方案理論上是合理可行的。

4.3 測試結果驗證

考慮施工安全，臨時棧橋投入使用前采用最不利加載方式驗證優化后方案的可行性。在棧橋跨中布置撓度觀測點，在棧橋應力計算相應位置布置應力觀測元件，應力在棧橋拼裝時采取初始值，撓度在預壓卸載后采取初始值，待加載數值穩定后讀取測值。測試結果與數值計算結果比較情況詳見表3，圖4。

表3 監測驗證結果與數值模擬比較

上述結果表明，測試值與計算值高度統一，該數值模型能夠較好的模擬實際工程情況。該棧橋優化方案是可行的，可為類似工程設計提供借鑒。

5 結論與建議

采用數值模擬方式進行棧橋計算，節省了計算時間，提高了計算精確度，為設計提供了可靠的工程數據。通過數值計算及測試結果驗證，該棧橋優化后的方案，結構撓度與結構應力各項數據符合標準評定要求，理論與實際均可行。優化后的施工棧橋建成至今，未發生任何問題，不僅結構穩定，安全可靠，還提高了施工效率，具有較大的工程意義，可為類似工程提供參考經驗。