鋼棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)備的運(yùn)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(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，基于有限元軟件Midas Civil進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，介紹了鋼棧橋的結(jié)構(gòu)建模和荷載工況，并對9種不同荷載工況下的結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果表明，鋼棧橋的各力學(xué)參數(shù)均滿足規(guī)范要求，且具有一定的安全富余。

關(guān)鍵詞：龍門大橋;鋼棧橋;Midas;有限元

中國分類號：U448.36文章標(biāo)識碼：A220823

0 引言

近些年，隨著海上橋梁修建數(shù)量的不斷增加，鋼棧橋憑借造型美觀、安拆快捷等優(yōu)點(diǎn)，在工程中應(yīng)用越來越多。但是由于鋼棧橋鋼材耗用量大、各構(gòu)件連接復(fù)雜，導(dǎo)致工程中很難準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)構(gòu)的安全性。傳統(tǒng)人工計(jì)算方法將鋼棧橋視為連續(xù)梁橋進(jìn)行計(jì)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(dǎo)致計(jì)算精度偏低;另一方面人工計(jì)算過程繁瑣，計(jì)算效率低。因此，有必要對鋼棧橋的設(shè)計(jì)進(jìn)行更為合理的分析。基于此，文獻(xiàn)[2]采用有限元軟件Midas Civil對鋼棧橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，較傳統(tǒng)人工計(jì)算提高了計(jì)算效率和計(jì)算精度。但是未對結(jié)構(gòu)的建模進(jìn)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(jié)構(gòu)建模、邊界條件和荷載組合等進(jìn)行研究和分析，建立一整套鋼棧橋計(jì)算方法。

本文以廣西欽州港龍門大橋?yàn)楣こ桃劳校捎糜邢拊浖﨧idas Civil對鋼棧橋的結(jié)構(gòu)建模、邊界條件、荷載工況的選取等進(jìn)行分析，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果優(yōu)化各幾何參數(shù)，為龍門大橋提供經(jīng)濟(jì)可行、安全可靠的鋼棧橋結(jié)構(gòu)。

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(shè)的控制性工程，是北欽防一體化基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工程[JP]之一。橋線路全長7 637.28 m，由引橋+龍門大橋主橋構(gòu)成，主橋?yàn)橹骺? 098 m的懸索橋，建成時(shí)為廣西最大跨徑橋梁，引橋采用50 m、80 m橋跨組合預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。工程施工時(shí)，為保證施工物資運(yùn)輸暢通及保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境，在橋位有水區(qū)及灘涂地區(qū)，沿線路方向修建棧橋跨越。

1.2 鋼棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

原設(shè)計(jì)方案采用10片貝雷片均勻布置，按9 m一跨、4跨一聯(lián)的結(jié)構(gòu)布置形式。荷載主要涉及8 m3混凝土罐車荷載、50 t運(yùn)輸車荷載、135 t履帶吊等工況，經(jīng)過計(jì)算分析表明，其貝雷片布置、單跨間距等結(jié)構(gòu)形式仍有待進(jìn)一步優(yōu)化，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)布置如下。

（1）結(jié)構(gòu)形式

鋼棧橋標(biāo)準(zhǔn)段采用貝雷片+型鋼形式，設(shè)計(jì)采用5跨一聯(lián)，單跨長度12 m，橋面寬8 m。鋼棧橋上部結(jié)構(gòu)為貝雷型鋼結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)為鋼管樁加型鋼帽梁結(jié)構(gòu)。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(shè)置2×Ⅰ40a工字鋼橫梁，橫梁上設(shè)置貝雷梁，采用10排單層結(jié)構(gòu)，貝雷梁上設(shè)Ⅰ25a工字鋼分配橫梁，間距30 cm，然后在橫梁上鋪設(shè)10 mm厚的鋼板作為橋面板，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.1 結(jié)構(gòu)建模

通過Midas Civil對龍門大橋鋼棧橋標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行建模分析計(jì)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(jìn)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(chǔ)固結(jié)，約束7個(gè)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(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)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(jìn)行有限元模擬。

2.3 荷載工況

恒載：結(jié)構(gòu)自重即鋼材基本容重取78.5 kN/m3，針對鋼棧橋等構(gòu)造中設(shè)置的加勁板、螺栓、焊縫等難以在有限元模型中體現(xiàn)的重量，通過容重?fù)Q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(shí)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(yùn)輸車、潮汐荷載、水流力荷載。

2.4 荷載組合（表1）

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 位移

結(jié)構(gòu)位移的所有荷載組合分析結(jié)果如表2所示。

由表2可知，對不同荷載組合進(jìn)行計(jì)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(yùn)輸荷載和罐車荷載位于跨中和履帶吊位于跨中時(shí)，分別為10.7 mm和10.9 mm，均小于規(guī)范限值L/400=30 mm，且具有一定的安全富余。

3.2 應(yīng)力

對各荷載組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算，計(jì)算結(jié)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(shí)），結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為195.8 MPa，位于貝雷片豎桿處，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為345/195.8=1.76，由于該棧橋用于海洋環(huán)境下，使用工期為3年，符合結(jié)構(gòu)安全及經(jīng)濟(jì)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(yīng)力為134.4 MPa，與履帶吊荷載差距較大，因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)主要對履帶吊行駛過程中兩側(cè)輪壓范圍內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)，以充分利用材料的價(jià)值。

3.3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

運(yùn)用Midas Civil屈曲分析計(jì)算程序，分別開展各個(gè)荷載組合作用下的穩(wěn)定驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)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(wěn)定性最差的荷載組合工況，較規(guī)范限值4有較大安全富余，能保證施工過程中的穩(wěn)定性安全。[KH-*1]

3.4 鋼管樁穩(wěn)定性驗(yàn)算

在工況4下，最不利內(nèi)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(zhuǎn)半徑i=220 mm。基于保守考慮，兩端按鉸接分析，計(jì)算長度按L0=25 000 mm，長細(xì)比 λ= L0/ i=114.0，彈性模量E=206 GPa，等效彎矩系數(shù)βmx=βtx=1.0，截面塑性發(fā)展系數(shù)γx=1.15。

鋼管樁截面屬于b類截面，查表得φx=φy=0.489，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017-2017）中第8.2.1條對鋼管樁穩(wěn)定性進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。

4 結(jié)語

9種荷載組合工況下，履帶吊行至每跨支點(diǎn)時(shí)，弦桿應(yīng)力最大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最差，履帶吊位于跨中時(shí)結(jié)構(gòu)變形最大。履帶起重機(jī)為SCC1350A-1型號，在行駛過程中兩條履帶之間凈間距達(dá)4.7 m，每條履帶寬達(dá)0.95 m，因此，荷載主要集中在鋼棧橋斷面兩側(cè)的位置，若原設(shè)計(jì)圖給出的貝雷片均勻布置，將造成材料浪費(fèi)。

鋼棧橋已投入使用半年有余，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，滿足現(xiàn)場材料和大型設(shè)備運(yùn)輸?shù)男枰ΜF(xiàn)場進(jìn)行施工監(jiān)控，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的鋼棧橋無失穩(wěn)和不均勻沉降現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬 明，黃登俠. 鋼棧橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析和計(jì)算[J]. 公路交通科技 （應(yīng)用技術(shù)版），2013（8）：147-152.

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

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