鋼棧橋結構設計與有限元分析

蔣贛猷　鄭健　李莘哲

摘要：龍門大橋工程采用鋼棧橋作為材料和設備的運輸通道，鋼棧橋線路長、荷載工況多、材料用鋼量大。文章為合理優化結構尺寸設計，基于有限元軟件Midas Civil進行結構分析，介紹了鋼棧橋的結構建模和荷載工況，并對9種不同荷載工況下的結構位移、應力和結構穩定性進行分析。計算結果表明，鋼棧橋的各力學參數均滿足規范要求，且具有一定的安全富余。

關鍵詞：龍門大橋;鋼棧橋;Midas;有限元

中國分類號：U448.36文章標識碼：A220823

0 引言

近些年，隨著海上橋梁修建數量的不斷增加，鋼棧橋憑借造型美觀、安拆快捷等優點，在工程中應用越來越多。但是由于鋼棧橋鋼材耗用量大、各構件連接復雜，導致工程中很難準確計算結構的安全性。傳統人工計算方法將鋼棧橋視為連續梁橋進行計算[1]，然而一方面貝雷片之間的連接采用銷栓連接，不能完全等同于剛接，導致計算精度偏低;另一方面人工計算過程繁瑣，計算效率低。因此，有必要對鋼棧橋的設計進行更為合理的分析。基于此，文獻[2]采用有限元軟件Midas Civil對鋼棧橋進行結構計算，較傳統人工計算提高了計算效率和計算精度。但是未對結構的建模進行介紹，也未能充分考慮各荷載工況之間的組合。基于此，有必要對鋼棧橋的結構建模、邊界條件和荷載組合等進行研究和分析，建立一整套鋼棧橋計算方法。

本文以廣西欽州港龍門大橋為工程依托，采用有限元軟件Midas Civil對鋼棧橋的結構建模、邊界條件、荷載工況的選取等進行分析，并根據計算結果優化各幾何參數，為龍門大橋提供經濟可行、安全可靠的鋼棧橋結構。

1 工程概況

1.1 工程位置

龍門大橋是國道G228丹東至東興廣西濱海公路建設的控制性工程，是北欽防一體化基礎設施互聯互通的關鍵節點工程[JP]之一。橋線路全長7 637.28 m，由引橋+龍門大橋主橋構成，主橋為主跨1 098 m的懸索橋，建成時為廣西最大跨徑橋梁，引橋采用50 m、80 m橋跨組合預應力混凝土連續箱梁。工程施工時，為保證施工物資運輸暢通及保護自然生態環境，在橋位有水區及灘涂地區，沿線路方向修建棧橋跨越。

1.2 鋼棧橋結構設計

原設計方案采用10片貝雷片均勻布置，按9 m一跨、4跨一聯的結構布置形式。荷載主要涉及8 m3混凝土罐車荷載、50 t運輸車荷載、135 t履帶吊等工況，經過計算分析表明，其貝雷片布置、單跨間距等結構形式仍有待進一步優化，優化后結構布置如下。

（1）結構形式

鋼棧橋標準段采用貝雷片+型鋼形式，設計采用5跨一聯，單跨長度12 m，橋面寬8 m。鋼棧橋上部結構為貝雷型鋼結構，下部結構為鋼管樁加型鋼帽梁結構。兩端部為板樁，其他采用單排的形式，板樁共6根組成，單排樁共3根組成，板樁樁距橫向3.2 m。鋼管樁頂設置2×Ⅰ40a工字鋼橫梁，橫梁上設置貝雷梁，采用10排單層結構，貝雷梁上設Ⅰ25a工字鋼分配橫梁，間距30 cm，然后在橫梁上鋪設10 mm厚的鋼板作為橋面板，其結構如圖1所示。

2 結構計算

2.1 結構建模

通過Midas Civil對龍門大橋鋼棧橋標準段進行建模分析計算，鋼管樁、鋼管樁撐桿、縱橫向分配梁、貝雷片弦桿和豎桿等各桿件采用梁單元進行模擬，其余各桿件采用桁架連接;鋼棧橋縱向貝雷片主梁采用Q345鋼材，其余型鋼及鋼板采用Q235鋼材。

2.2 邊界條件

各鋼管樁與地基采用基礎固結，約束7個方向的自由度，板樁墩頂橫梁（2×Ⅰ400a）與鋼管樁采用主從約束剛性連接。由于貝雷片之間采用銷栓連接，為準確模擬結構的受力狀況，各貝雷片之間的連接先采用剛接，然后釋放梁端約束進行有限元模擬。

2.3 荷載工況

恒載：結構自重即鋼材基本容重取78.5 kN/m3，針對鋼棧橋等構造中設置的加勁板、螺栓、焊縫等難以在有限元模型中體現的重量，通過容重換算方式予以反映，Midas Civil建模中鋼材容重取83.22 kN/m3，確保符合實際。[JP]

活荷載：8 m3混凝土罐車荷載、135 t履帶吊荷載、50 t汽車運輸車、潮汐荷載、水流力荷載。

2.4 荷載組合（表1）

3 計算結果

3.1 位移

結構位移的所有荷載組合分析結果如表2所示。

由表2可知，對不同荷載組合進行計算，荷載組合1和荷載組合5為受力變形較大的兩種荷載組合，即運輸荷載和罐車荷載位于跨中和履帶吊位于跨中時，分別為10.7 mm和10.9 mm，均小于規范限值L/400=30 mm，且具有一定的安全富余。

3.2 應力

對各荷載組合進行結構應力計算，計算結果如表3所示。由表3可知，在荷載組合4作用下（履帶吊位于跨中位置時），結構最大應力為195.8 MPa，位于貝雷片豎桿處，結構安全系數為345/195.8=1.76，由于該棧橋用于海洋環境下，使用工期為3年，符合結構安全及經濟性的要求。此外，由表3可以看出，除履帶吊以外的各荷載工況，最大應力為134.4 MPa，與履帶吊荷載差距較大，因此，結構設計應主要對履帶吊行駛過程中兩側輪壓范圍內進行適當加強，以充分利用材料的價值。

3.3 結構穩定性

運用Midas Civil屈曲分析計算程序，分別開展各個荷載組合作用下的穩定驗算，計算結果如表4所示。由表4可知，組合4最大屈曲特征值為12.9，為各荷載組合里面穩定性最差的荷載組合工況，較規范限值4有較大安全富余，能保證施工過程中的穩定性安全。[KH-*1]

3.4 鋼管樁穩定性驗算

在工況4下，最不利內力組合為：軸力N=597.1 kN，彎矩M=148.4 kN·m，鋼管樁630 mm×10 mm：截面積A=19 468 mm2 ，慣性矩Ix=0.756×109 mm4，截面模量Wx=2.97×106 mm3，回轉半徑i=220 mm。基于保守考慮，兩端按鉸接分析，計算長度按L0=25 000 mm，長細比 λ= L0/ i=114.0，彈性模量E=206 GPa，等效彎矩系數βmx=βtx=1.0，截面塑性發展系數γx=1.15。

鋼管樁截面屬于b類截面，查表得φx=φy=0.489，根據《鋼結構設計標準》（GB 50017-2017）中第8.2.1條對鋼管樁穩定性進行結構計算分析。

4 結語

9種荷載組合工況下，履帶吊行至每跨支點時，弦桿應力最大，結構穩定性最差，履帶吊位于跨中時結構變形最大。履帶起重機為SCC1350A-1型號，在行駛過程中兩條履帶之間凈間距達4.7 m，每條履帶寬達0.95 m，因此，荷載主要集中在鋼棧橋斷面兩側的位置，若原設計圖給出的貝雷片均勻布置，將造成材料浪費。

鋼棧橋已投入使用半年有余，整體結構穩定可靠，滿足現場材料和大型設備運輸的需要。對現場進行施工監控，數據結果顯示，經過結構優化后的鋼棧橋無失穩和不均勻沉降現象。

參考文獻：

[1]馬 明，黃登俠. 鋼棧橋的結構設計分析和計算[J]. 公路交通科技 （應用技術版），2013（8）：147-152.

[2] 沈 波，詹海剛，張富兵. MIDAS 軟件在海上鋼棧橋計算中的應用[J]. 公路，2012 （12）：33-35.

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