基于MIDAS的海上鋼棧橋設計計算

王孝龍 趙智勝

中交一航局第一工程有限公司，中國·天津 300000

1 引言

作為跨水橋梁施工臨時結構，鋼棧橋越來越多地被用于海上施工。傳統人工計算鋼棧橋的方法不但費時而且不能保證計算的準確性[1]，為了保證棧橋使用安全大部分情況采用增加鋼構件尺寸的方法，不能滿足經濟合理的要求。為保證計算準確性及結構經濟型，論文中鋼棧橋設計計算采用有限元結構設計軟件Midas Civil，以期在滿足結構受力的前提下，最大限度減少棧橋自重，保證棧橋結構經濟型及合理性。

2 工程概況

玉湛高速廣東段全部位于湛江市內，起于中國廣東省與廣西省交界處廉江市和寮鎮田村，經廉江市、遂溪縣、麻章區三個縣區，終點位于東海島。其中東海島跨海特大橋由北向南跨越通明海，重點位于東海島民安鎮文參村。特大橋采用設計速度100 km/h的雙向四車道高速公路標準建設，橋梁寬20.25m，設計荷載為公路Ⅰ級，通明海海域水深0.5~2.5m，無通航要求，設計全長約4.38km，其中跨外海段2.2km。

3 地質水文條件

橋址區屬于海岸階地地貌區，為灘涂淺灘區域，地形起伏變化小。場區表層第四系填土層（Q4m1）、第四系全新統海相沉積層（Q4m）厚度較小，工程性質差；基底地層湛江組（Q1zmc）地層厚度大，工程性質較好。

橋址區域地表水發育，主要為灘涂蝦塘水和通明海海水，海水水深0.5~2.5m。根據含水介質、地下水賦存狀態和運移特征，廠區地下水位埋深淺，主要為松散巖類空隙水，場地低洼，具有弱承壓性。擬建鋼棧橋設計處各級頻率設計水位見表1。

表1 橋址處各級頻率設計潮位表

4 棧橋設計

施工棧橋下部結構采用鋼管樁，鋼管樁基礎分為普通墩基礎及制動墩基礎，普通墩基礎采用單排鋼管樁基礎，制動墩基礎采用雙排鋼管樁基礎，第5跨設置一個制動墩。鋼管樁樁徑Φ630mm，壁厚10mm，單墩布置單排3根鋼管，鋼管橫向間距3.5m，樁頂布置I36a雙排工字鋼橫梁，鋼管樁與鋼管樁之間用80槽鋼設置剪力撐。制動墩縱向間距2m，橫向間距2.5m。

棧橋跨徑采用12m，橋面寬8m，根據行車荷載及橋面寬度要求，棧橋采用規格為150cm×300cm貝雷片，每跨布置單層8片貝雷片。橫向布置形式為2*4排。

貝雷片上鋪I22b工字鋼作為橫向分配梁，縱向75cm間距布置，橋面板采用I12.6a工字鋼間距30cm密鋪，并與 I22b工字鋼橫梁焊接固定，上鋪10mm花紋板。

4.1 技術標準

設計洪水頻率：1/5。

設計基準期和使用年限：2年。

設計行車速度：20km/h。

荷載等級：公路I級。

特種車輛：80t履帶吊（正吊20t，側吊20t），50t砼罐車。

4.2 荷載及荷載組合

4.2.1 荷載參數

恒載：結構自重，安全系數1.2[2]。

活載包括公路I級車道荷載和50t砼罐車、80t履帶吊。具體詳情如下：

第一，公路I級車道荷載[2]。按公路-I級車道荷載設計規范，車道荷載應該按均布載加一個集中荷載計算。

受力簡圖如圖1所示，其中，qk= 10.5KN·m；pk= 2*nl0+ 130n=284KN ，l0為跨徑。

圖1 公路I級荷載布置簡圖

第二，50t砼罐車。參考相關混凝土運輸車荷載參數，12m3混凝土罐車設計最大荷載取50t（考慮施工動載分項系數1.4[2]）。混凝土攪拌車荷載計算時按集中荷載計算，其荷載形式如圖2所示（單位kN），混凝土罐車滿荷作用下單輪接觸面積為0.3m×0.2m。重軸下單輪豎向力為200/2=100kN，單輪荷載集度為P=100000/(600×200)=0.84MPa

圖2 50t砼罐車荷載布置圖

第三，80t履帶吊。80t履帶吊考慮正吊（20t）及側吊（20t）兩種工況，考慮施工動載分項系數1.4[2]，側吊時另施加1.3偏載系數，80t履帶吊荷載布置如圖3所示。履帶接地長度5.45m，履帶寬度0.85m，工作時履帶橫向間距4.9m，走行時履帶橫向間距為3.4m。其中dW1為履帶荷載，dD1為履帶長度。

圖3 80t履帶吊車荷載布置圖

4.2.2 荷載組合

根據表2所示的鋼棧橋使用及災難狀態，進行荷載組合。

表2 橋址處各級頻率設計潮位表

4.3 模型創建

取一聯棧橋創建有限元模型進行分析（如圖4所示）。為計算方便，將以上6種工作工況分別按移動荷載進行加載。其中移動荷載分析時，沖擊系數選擇JTG D60-2004《公路橋涵設計通用規范》，結構基頻取值1.3。

圖4 一聯棧橋整體模型

4.4 結構計算

4.4.1 橋面板計算

參考相關混凝土運輸車荷載參數，12m3混凝土罐車設計最大荷載取50t（考慮施工動載分項系數）。混凝土攪拌車荷載計算時按集中荷載計算。混凝土罐車滿荷作用下單輪接觸面積為0.6m×0.2m。

軸下單輪豎向力為200/2=100kN，單輪荷載集度為：

80t履帶吊考慮正吊（20t）及側吊（20t）兩種工況。

履帶吊正吊時履帶壓力為（公式中考慮動力系數1.4）：

履帶吊側吊時重載側履帶吊壓力為：

根據計算可知，只需計算50t罐車作用即可。

抗彎強度滿足要求。

4.4.2 I12.6縱梁計算

罐車單組車輪接地尺寸為0.6×0.2m，每組壓在兩根I12.6工字鋼上，單根按0.2m均布荷載計算為420kN/m。 履帶吊壓在三根工字鋼上，單根按均布計算為1000×1.4×1.3/2/5.45/3=55.6kN/m。比較后可知，最不利荷載為運料罐車的荷載，即工況VI。

I12.6工字鋼抗彎、抗剪及撓度影響如下：將I12.6簡化為0.75m長3跨連續梁，作用于跨中時正應力最大，作用于邊跨時剪應力最大。

計算結果如下：

?=117.6MPa < 215MPa 抗彎強度滿足要求。

τ=134.7Mpa< [τ]=141MPa，抗剪強度滿足要求。

4.4.3 I22b分配梁計算

以工況VI為例計算，I22b分配梁抗彎、抗剪及撓度影響如下：

?=57.6MPa < 215MPa 抗彎強度滿足要求。

τ=58.78Mpa< [τ]=125MPa，抗剪強度滿足要求。

最大變形w=10.12-9.17=0.95mm＜[w]=L/400=8000/400= 20mm，滿足要求。

I22b其余工況下各桿件受力結果如表3所示。

表3 I22b其余工況下各桿件受力結果

4.4.4 貝雷梁計算

4.4.4.1 貝雷梁抗壓計算

本次研究中,探討腦梗塞疾病護理方案期間,對照組:選擇常規護理方案完成;觀察組:選擇常規護理+早期護理干預方案完成;最終發現同對照組腦梗塞患者語言康復情況與肢體康復情況展開對比,觀察組獲得明顯改善(P<0.05),從而證明早期康復護理干預的有效實施,具有針對性以及有效性,在患者生命體征保持平穩基礎上完成對應康復訓練,可以使得患者的語言功能以及肢體功能獲得顯著恢復,從而獲得本次結果。

貝雷梁作為定型桁架結構，軸力單獨進行驗算。以公路I級荷載為例計算，計算得該工況下貝雷梁各桿件軸力力結果如下：

弦桿最大軸力：N=221kN<[N]=560kN，滿足要求。

立桿最大軸力：N=125kN<[N]=210kN，滿足要求。

斜桿最大軸力：N=93.6kN<[N]=175kN，滿足要求。

貝雷梁其余工況下各桿件受力結果如表4所示。

表4 貝雷梁其余工況下各桿件受力結果

4.4.4.2 貝雷梁整體計算

貝雷梁為定型結構，考慮單片貝雷片（12m）為整體進行計算。履帶吊側吊對貝雷梁產生的作用遠遠大于其他工況，經計算，該工況下貝雷梁桿件彎曲應力260Mpa、抗剪167Mpa，滿足要求。根據計算以貝雷片單片抗剪作為設計控制主要因素。以工況IV為例進行計算，可得：

單片最大剪力：N=215kN<[N]=245kN，滿足要求。

其他工況下單片最大剪力如表5所示。

表5 貝雷梁其他工況下單片最大剪力

4.4.4.3 貝雷梁整體撓度驗算

棧橋整體為5×12m連續梁，根據計算荷載位于跨中時，整體撓度最大，以12m3砼罐車會車(VI)為例驗算連續梁整體撓度。

12方砼位于跨中會車時整體撓度最大，如下所示：

最大變形w=10.6mmmm＜[w]=L/400=12000/400= 30mm，滿足要求。

其他工況下棧橋整體變形表6所示。

表6 其他工況貝雷梁整體變形計算結果

4.4.5 樁頂分配梁計算

樁頂分配梁結構驗算，考慮各車輛在樁頂會車時最不利，與貝雷梁分析工況類似在整體模型中考慮各種車輛走行狀態組合，對分配梁結構進行計算。

以12方混凝土罐車會車為例計算：

?=75.4MPa < 215MPa ，抗彎強度滿足要求。

τ=30.96Mpa< [τ]=141MPa，抗剪強度滿足要求。

最大變形w=2.15mm＜[w]=L/400=1300/400=8.7mm，滿足要求。

其他工況下計算結果如表7所示。

表7 其他工況樁頂分配梁計算結果

4.6 穩定性驗算

對于一般結構而言，強度驗算時一項基本要求。而穩定分析可以找出結構內部抵抗力之間的不穩定平衡狀態，結構達到這一狀態時候，變形開始急劇增長，結構區域破壞[3]。通過midas軟件進行屈曲分析。

工況VI作用下的屈曲模態為下圖所示，安全系數為3.617。

圖5 屈曲模態

在整體模型中進行本棧橋其他工況分析，計算結果匯總如表8所示。

表8 整體模型中進行的工況結果

4.7 鋼管樁豎向反力計算

考慮各車輛在樁頂會車時，鋼管樁所受反力最大，與貝雷梁分析工況類似在整體模型中考慮各種車輛走行狀態組合，對樁底豎向反力進行計算。每排鋼管樁由三根鋼管組成，分別計算各鋼管軸力。

以12m3混凝土罐車會車為例，如表9所示，經計算得最大反力即鋼管樁軸力671KN。

表9 各工況最大反力結果

由計算可得，連續墩鋼管樁最大軸力為842kN。

鋼管樁最大軸力工況為80t履帶吊樁頂作業，計算該工況下制動墩鋼管樁軸力，由計算可得，制動墩鋼管樁最大軸力為447kN。可根據地質資料計算各樁樁長。根據計算本工程平均樁長20m。

5 結語

手工計算時各構件簡化結構模型造成計算結果相對保守，造成不必要的材料浪費，本工程棧橋使用Midas Civil有限元軟件進行結構計算，提高了計算精確度。合理調整構件尺寸，減少鋼材用量，經統計，該棧橋每延米重量為3.23t，較同類型鋼棧橋鋼材用量減少10%。