寒區(qū)鋼棧橋承載力及冰壓力下安全性分析

孫世鑫，鄒純帥

（1.東北林業(yè)大學(xué)工程咨詢設(shè)計研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150036；2.哈爾濱市眾泰眾利建筑工程技術(shù)咨詢有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

鋼棧橋是指為完成橋梁施工而臨時設(shè)置滿足大型汽車運輸和施工的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施。東北地區(qū)冬季時間長，除了汽車、風(fēng)荷載及水流力，靜冰壓力加上施工和設(shè)計中存在各種不安全隱患，使鋼棧橋在高寒地區(qū)力學(xué)性能問題尤顯突出。

近年來，許多學(xué)者對鋼棧橋基本力學(xué)性能做了大量研究。劉麟乾、朱永紅對鋼棧橋的設(shè)計方法和施工步驟程序進(jìn)行了介紹，并對貝雷梁極限狀態(tài)下的承載能力和正常使用狀態(tài)下的變形進(jìn)行了驗算。馬明、黃登俠對鋼棧橋各部件強(qiáng)度進(jìn)行驗算，并介紹了豎向荷載、風(fēng)荷載、潮流荷載及波浪作用選取標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用。張振勤結(jié)合桃花島大橋工程實例，論述了鋼棧橋的設(shè)計方案、順序與方法，提出了利用鋼管及角鋼設(shè)立平聯(lián)及縱聯(lián)保證墩位下樁基整體受力的穩(wěn)定方案。姜楓、朱艷峰采用MIDAS Civil有限元分析軟件分析了鋼棧橋在水流力、風(fēng)力和車輛荷載共同作用下的力學(xué)性能指標(biāo)。盛朝亮對貴州省六盤水市鐘山區(qū)鋼棧橋進(jìn)行計算，計算了鋼棧橋的強(qiáng)度、穩(wěn)定和變形，均滿足工程設(shè)計的要求。王巖松結(jié)合國內(nèi)外橋梁設(shè)計規(guī)范，對北方寒冷地區(qū)鋼筋混凝土橋梁實際工程進(jìn)行冰壓力計算分析。根據(jù)靜冰壓力計算結(jié)果和破壞實例得出結(jié)論，冰壓力荷載計算對橋墩基礎(chǔ)設(shè)計起到了決定作用。

以上學(xué)者對鋼棧橋的基本力學(xué)性能以及普通橋梁在靜冰壓力作用下的力學(xué)性能進(jìn)行了大量研究，但對鋼棧橋在冰壓力作用下的安全性分析研究較少。以黑龍江省牡丹江神洞大橋為工程背景，對鋼棧橋各構(gòu)件的組合應(yīng)力、剪應(yīng)力及軸力等進(jìn)行了有限元分析計算，進(jìn)而對鋼棧橋在冰壓力作用下的安全性進(jìn)行分析。

1 工程概況

神洞大橋位于黑龍江省東南部牡丹江東寧市中東部，該地域受海陸巨大熱力差異的影響，形成海洋（半濕潤型）中溫帶季風(fēng)氣候特征，年平均氣溫6.1℃，歷史最低氣溫-33℃，冬季時間長，河流形成冰層較厚。施工臨時鋼棧橋采用裝配式公路鋼橋，全長162m，跨徑18×9m，鋼棧橋?qū)挾葹?.0m，欄桿布置在兩側(cè)，由鋼管樁組成下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，上部為貝雷梁，貝雷梁鋼材采用Q345，其余桿件均采用Q235鋼材。

2 鋼棧橋承載力有限元分析

為了對鋼棧橋在服役期間的承載能力進(jìn)行研究，運用有限元軟件MIDAS Civil對鋼棧橋各構(gòu)件的組合應(yīng)力、剪應(yīng)力、軸力等進(jìn)行有限元分析。

2.1 有限元模型建立

為保證計算精度及運算速度，運用有限元軟件MIDAS Civil對鋼棧橋采用梁單元進(jìn)行有限元建模分析。鋼棧橋整體有限元模型如圖1所示。鋼材的容許應(yīng)力如表1所示。

圖1 神洞大橋施工鋼棧橋有限元模型

表1 鋼材容許應(yīng)力表

2.2 各項荷載計算

有限元模型中按規(guī)范要求施加的恒荷載主要為鋼板橋面系、貝雷梁及墩頂分配梁等結(jié)構(gòu)自重，鋼材容重取76.98kN/m3，施工階段自重系數(shù)取-1.0。該棧橋主要供通行車輛、各種施工機(jī)械設(shè)備及項目部車輛等通行，活載按公路I級計算，其車道荷載標(biāo)準(zhǔn)值qk=10.5kN/m。鋼棧橋跨徑為9m，集中載Pk按表2公式計算，Pk=2×（9+130）=278kN。

表2 集中載Pk取值

2.3 邊界條件設(shè)定

兩片貝雷梁之間連接釋放梁端約束，下橫梁與鋼管樁樁頂節(jié)點設(shè)為共節(jié)點固結(jié)，貝雷梁與上、下橫梁對應(yīng)節(jié)點設(shè)為固結(jié)。墩底固接，為了偏于安全考慮，墩底位置設(shè)在河川底以下2.4m的位置，即整個墩長6m，由于土的約束作用將墩底設(shè)為固接。

2.4 有限元計算結(jié)果

根據(jù)上述荷載及邊界條件設(shè)置情況，對鋼棧橋進(jìn)行有限元計算分析。

貝雷梁弦桿、腹桿最大應(yīng)力計算結(jié)果如圖2所示，結(jié)構(gòu)大部分應(yīng)力處于26.3～90.3MPa之間，最大應(yīng)力出現(xiàn)在貝雷梁斜桿與豎桿連接處，為198MPa＜f1=305MPa；橫梁、分配梁、鋼管樁和連接系最大應(yīng)力計算結(jié)果如圖3所示，結(jié)構(gòu)大部分應(yīng)力處在13.3～65.5MPa之間，最大應(yīng)力出現(xiàn)在分配梁跨中，為108MPa＜f2=215MPa。造成上述最大應(yīng)力可能是因為結(jié)構(gòu)在進(jìn)行有限元計算時，荷載使該位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力明顯增大，但總體滿足要求。

圖2 Q345鋼材的最大應(yīng)力計算結(jié)果（MPa）

圖3 Q235鋼材的最大應(yīng)力計算結(jié)果（MPa）

橫梁最大組合應(yīng)力為108MPa＜f2=215MPa，剪應(yīng)力為51MPa＜fv=125MPa；貝雷梁上下弦桿最大軸力為104kN<560kN；豎桿最大軸力為85kN＜210kN；斜桿最大軸力為70kN<171kN；樁頂分配梁最大組合應(yīng)力64MPa＜f2=215MPa，最大剪應(yīng)力為30MPa＜fv=125MPa；鋼管樁最大組合應(yīng)力為50MPa＜f2=215MPa；聯(lián)結(jié)系橫桿最大組合應(yīng)力為83MPa＜f2=215MPa，最大剪應(yīng)力為5MPa＜fv=125MPa。經(jīng)過驗算，所有構(gòu)件截面內(nèi)力及應(yīng)力均符合規(guī)范要求。

3 冰壓力下施工鋼棧橋安全性分析

為了研究冰壓力作用下鋼棧橋的安全性，按規(guī)范要求在鋼管樁上施加靜冰壓力荷載，受模型中鋼管樁與上部結(jié)構(gòu)連接方式影響，冰壓力對上部結(jié)構(gòu)幾乎不產(chǎn)生影響。

3.1 冰壓力計算

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTGD60-2015），冰對樁或墩產(chǎn)生壓力標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計算：

式中，F(xiàn)i為冰壓力標(biāo)準(zhǔn)值（kN），m為樁對墩迎冰面形狀系數(shù)，CI為冰溫系數(shù)，本文取CI=1.0，b為樁或墩迎冰面投影寬度（m），t為計算厚度（m），Rik為冰的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2），可取當(dāng)?shù)乇鶞?℃時的冰抗壓強(qiáng)度，本文取Rik=750kN/m2。假定冰厚取0.12m，因此可計算冰壓力Fi=85.7kN。

根據(jù)實際水位，將冰壓力施加到模型中，如圖4所示。

圖4 冰壓力模型

3.2 計算結(jié)果

鋼管樁采用Q235鋼材，其最大應(yīng)力計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 鋼管樁的最大應(yīng)力計算結(jié)果（單位：MPa）

由圖可知，最大應(yīng)力為196MPa＜f2=215MPa，滿足要求，但與強(qiáng)度設(shè)計值很接近，因此可以判斷，當(dāng)冰厚大于0.12m時，墩底應(yīng)力將超過強(qiáng)度設(shè)計值，小于0.12m時，應(yīng)力滿足要求，即當(dāng)冰壓力小于86kN時，鋼棧橋體系安全。

4 結(jié)語

本文對鋼棧橋的基本力學(xué)性能進(jìn)行研究，運用有限元軟件對鋼棧橋各構(gòu)件所受的應(yīng)力、剪力及軸力等進(jìn)行計算分析，接著，對鋼棧橋在冰壓力作用下的安全性進(jìn)行計算，得到如下結(jié)論：（1）鋼棧橋整體受力計算結(jié)果滿足要求。橫梁最大應(yīng)力，貝雷梁上、下弦桿及豎桿、斜桿最大軸力，分配梁最大應(yīng)力，鋼管樁最大應(yīng)力，聯(lián)結(jié)系橫桿最大應(yīng)力等均滿足要求。（2）冰壓力對上部結(jié)構(gòu)幾乎不產(chǎn)生影響，考慮0.12m厚冰壓力作用時鋼管樁受到最大應(yīng)力為196MPa＜f2=215MPa，滿足要求，但與強(qiáng)度設(shè)計值接近。由此判斷，靜冰壓力作用下，當(dāng)冰厚大于0.12m時，冰作用位置應(yīng)力將超過強(qiáng)度設(shè)計值，此時施工不安全。