大跨度鋼結構渡槽結構力學性能研究

付建勝 張福強

中國鐵建大橋工程局集團有限公司 天津 300300

引江濟淮工程在保障城市供水安全、大力發展江淮航運、完善現代綜合運輸體系中具有重要意義,其安全施工和使用是我國建造大國實力的重要體現。

本文以引江濟淮工程（安徽段）淠河總干渠渡槽為例，驗算取其支架、渡槽主體結構和臨時結構的強度、剛度及穩定性，為以后相似工程的結構驗算提供借鑒。

1 引江濟淮工程淠河總干渠渡槽支架計算

1.1 荷載取值

臨時墩P1—P5、P7 的墩頂反力取350t，P6、P8—P10 的墩頂反力取200t，P1、P2 的墩頂反力取100t，風速取值25m/ s。

1.2 支架結構驗算

1.2.1 橫、縱梁驗算

橫梁A 采用四拼I56b 型鋼，材料為Q235，臨時墩頂反力取350t。橫梁B 采用四拼I25b 型鋼，材料為Q235，其上作用有兩個集中荷載，每個荷載為50t，間距1.2m。橫梁C 采用雙拼I56b 型鋼，材料為Q235，臨時墩頂反力取200t。縱梁B、C 采用雙拼I56b 型鋼，材料為Q235，懸臂端受集中力為50t，懸臂長度取縱梁端部到鋼管的凈距1.285m。此外，縱梁A 與橫梁C 結構基本相同，所受彎矩與剪力均小于橫梁C，故縱梁A 不再計算。橫、縱梁參數利用式(1)和式(2)進行驗算。

式中：σ——截面正應力；

τ——截面的剪切應力；

Wx——截面模量；

S——截面對中和軸的面積矩；

I——截面慣性矩；

b——截面寬度。

驗算可知，橫梁A 的彎矩及剪力最大，橫梁C 的σ 和τ 最大，但均滿足要求。

1.2.2 鋼管樁驗算

鋼管樁采用A630×8mm，材料為Q235，單根鋼管軸力取100t，長細比λx 為34.2，軸向受壓應力為69.5MPa，小于容許應力（140MPa），滿足要求。

1.2.3 灌注樁入土深度計算鉆孔樁直徑（A）為0.8m。

經計算，臨時墩P1、P2、P3、P18、P19、P20 的實際取值為8m；臨時墩P4、P7、P14、P17 的實際取值為5m。

1.2.4 主桁局部穩定性驗算

對臨時支撐位置的下弦或拱弦腹板進行局部穩定計算：

（1）受壓翼緣與縱向加勁肋之間的區格：

式中：σ——計算腹板區格內，由平均彎矩產生的腹板計算高度邊緣的彎曲壓應力；

τ——計算腹板區格內，由平均剪力產生的腹板平均剪應力；

σc——腹板計算高度邊緣的局部壓應力；

σcr、τcr、σc,cr——不用應力單獨作用下的臨界應力。

經驗算，穩定性滿足要求。

1.2.5 臨時墩抗傾覆穩定性驗算

以臨時墩P9、P10 為例，根據《公路橋梁抗風設計規范》[6]，橫橋向橫向靜陣風荷載：

式中：Fg——作用在單位長度上的風荷載為空氣密度；

Ug——構件基準高度上的等效靜陣風風速；

CD——構件的阻力系數；

An——構件單位長度上順風向投影面積

經計算單根鋼管所受風荷載為2969.78N；上層連接系風荷載為2840.94N，下層連接系風荷載為2840.94N；縱梁所受風荷載為4905.82N。

抗傾覆穩定性計算：

式中：k0——抗傾覆穩定性系數；

S——在截面重心至合力作用點的延長線上，自截面重心至驗算傾覆軸的距離；

e0——所有外力的合力R 在驗算截面的作用點對基底重心軸的偏心距；

Pi——不考慮其分項系數和組合系數的作用標準值組合或偶然作用標準值組合引起的豎向力；

Ei——豎向力Pi對驗算截面重心的力臂；

Hi——不考慮其分項系數和組合系數的作用標準值組合或偶然作用標準值組合引起的橫向力；

Hi——豎向力Hi 對驗算截面重心的力臂；根據計算可知，k0=2.69>1.2，臨時墩P9、P10 抗傾覆穩定性滿足要求。

2 渡槽施工計算

2.1 渡槽有限元模型的建立

采用有限元軟件Midas/ Civil 模擬渡槽架設過程，模型單元均采用梁單元。采用一般支撐，臨時墩處采用節點彈性支承。

渡槽結構自重由程序自動計入，吊裝荷載包括吊機自重和吊裝節段重量。當吊機從后方吊運節段至設計位置過程中，側吊產生的荷載對結構支點反力、應力及變形影響最大。履帶吊支座總重約696kN，縱橋向布置總長為12.2m，橫橋向一側線荷載為628.5kN/ m。計算模型中，履帶吊支座荷載以29kN/ m 橫橋向距橋梁中心線7m 處對稱加載，加載長度為12.2m，風速25m/ s。溫度變化對主桁的內力和變形影響很小，按履帶吊自重的10%考慮。

根據渡槽主桁吊裝過程，共分為14 個工況。工況1～10 分別選取3# 、5# 、6# 、8# 、10# 、13# 、16# 、19# 、21# 、23# 節段吊裝進行計算；工況11 為合龍前臨時墩全部脫架；工況12 為合龍前P12 調整合龍位置；工況13 為吊裝27# 節段（此時僅P8、P9 及P10#墩支撐）；工況14 為全橋合龍完成，各工況荷載類型均為等值線荷載，加載長度8 m。

2.2 結構計算

2.2.1 結構變形、應力和支撐反力計算

利用Midas 有限元軟件對渡槽進行模擬，選取關鍵工況。

根據計算，邊墩最大反力為343t，中墩最大反力為230t，合龍前P12# 墩調整合龍口位置需要提供反力181t。

2.2.2 脫架后渡槽抗傾覆計算

合龍前臨時墩全部脫架，計算此時抗傾覆穩定性。分別求出反力以計算出對應重心對主墩支點的力矩。其中，邊跨跨度為67.2m，1/ 2 中跨跨度為48.9m。抗傾覆安全k=1.62＞1.3，滿足要求。

2.3 履帶吊制動時渡槽穩定性計算

工況1 為履帶吊制動時渡槽穩定性計算工況，此時臨時墩P1 的支撐反力為286t，P1 可提供的最大靜摩擦力為172t，履帶吊制動力F=127t，F1>F2，滿足要求。

2.3.1 橫梁計算

履帶吊作業過程中，兩履帶將產生三角形或者梯形荷載，當吊裝11# 節段時，A 點將產生最大荷載，為562kN。間距300mm 的橫梁承擔的單側履帶荷載取168kN，橫梁承擔的單側履帶荷載取170.1kN。橫梁計算長度為14m，Mmax=657.7kN·m，Fs=182.6kN。根據計算結果可知σ=117MPa< [σ]、τ=23MPa<[τ]。橫梁的最大變形為36.6mm，均滿足要求。

2.3.2 滑道計算

滑道長為3.05m，上面布置有8 根橫梁，吊裝11#節段時,最大的荷載為FH=238kN。Mmax=585.6kN·m，Fs=773.6kN 根據計算結果可知σ=121Mpa ＜[σ]、τ=54MPa＜[τ]，橫梁的最大變形為1.8mm，均滿足要求。

2.3.3 底板橫梁局部穩定性計算

對履帶吊支座支撐處的底板橫梁腹板進行局部穩定計算，底板橫梁腹板厚28mm，高度為1522～1922mm，上翼緣厚度為34mm，下翼緣厚度為44mm，材料為Q345 鋼材。支墊長度按336mm 計算，腹板局部穩定性滿足要求。

2.4 運輸車與履帶吊走行區域渡槽底板計算

在單幅渡槽內每側僅允許布置一輛運輸車。運輸車輪壓取0.75MPa。當運輸車車軸行至兩底板橫梁中間時，底板所受應力和產生變形最大，渡槽橫縱梁及面板中面板應力及變形最大，最大彎曲應力為43MPa，最大剪應力為24MPa，最大變形為3.69mm。

當履帶吊走行在渡槽底板上時，荷載大小為0.14MPa，渡槽橫縱梁最大彎曲應力為46MPa，最大剪應力為27MPa，最大變形為5.52mm。

3 結語

引江濟淮工程是關乎我國國計民生的重要工程，其安全的施工和使用受到社會各界的廣泛關注。經計算，施工過程中渡槽主體結構和臨時結構強度、剛度及穩定性滿足規范的要求；支架在施工過程中的強度及穩定性等滿足要求。本文中的計算方法可以為其他相似工程作為借鑒。