跨海跨江臨時(shí)鋼棧橋上部結(jié)構(gòu)受力分析

張 迪， 于西堯

（1.天津市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300392；2.中鐵十八局集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)院，天津 300308）

臨時(shí)棧橋作為人工島填海工程的填海物料運(yùn)輸通道應(yīng)用廣泛[1～2]。由于各種臨時(shí)鋼棧橋的服務(wù)功能、荷載標(biāo)準(zhǔn)及環(huán)境條件不同，設(shè)計(jì)和施工沒有統(tǒng)一規(guī)范可以遵循；上部結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的計(jì)算方法常忽略各構(gòu)件間的橫縱向聯(lián)系，多采用單構(gòu)件簡化驗(yàn)算分析[3～4]。為保證棧橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全，確定方便、準(zhǔn)確的鋼棧橋上部結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，本文以三亞新機(jī)場臨時(shí)棧橋?yàn)楣こ瘫尘埃捎肕idas Civil 有限元分析軟件建立鋼棧橋全橋整體有限元模型，利用板、梁、桿系單元模擬棧橋上部結(jié)構(gòu)不同構(gòu)件，明確棧橋上部結(jié)構(gòu)合理驗(yàn)算方法，為棧橋精細(xì)化設(shè)計(jì)提供精確數(shù)據(jù)。

1 工程概況

三亞新機(jī)場臨時(shí)棧橋標(biāo)準(zhǔn)跨徑為12 m，分兩幅設(shè)計(jì)，橋面寬度9 m/幅，中間分隔帶寬度0.5 m。橋面板材料為10 mm 厚防滑鋼板，鋼板下鋪I12.6 工字鋼，槽鋼間距15 cm，沿縱橋向方向布置。I12.6 工字鋼下設(shè)置I25a 工字鋼橫梁，橫梁中心間距500 mm，橫橋向設(shè)置。棧橋采用15 片不加強(qiáng)型“321”貝雷片作為承重梁，每3 片貝雷片通過900 mm 標(biāo)準(zhǔn)連接片連接成一組，共5組，貝雷梁組間中心間距1 800 mm。I25a工字鋼橫梁擱置在間距900 mm 的5 組貝雷片上。I25a 橫梁與橋面板槽鋼焊接牢固，I25a 橫梁通過U 形卡與貝雷梁連接牢固。

2 模型的建立

采用Midas Civil 有限元分析軟件建立鋼棧橋上部結(jié)構(gòu)整體有限元模型，見表1。

表1 鋼棧橋上部各構(gòu)件單元類型

整體有限元模型中橋面板與縱向分配梁通過共用節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)剛接，縱向分配梁和橫向分配梁通過一般連接中的剛性實(shí)現(xiàn)兩者的接觸模擬，橫向分配梁與貝雷梁間通過剛性連接實(shí)現(xiàn)兩者間的接觸模擬。見圖1。

圖1 棧橋整體有限元模型

3 鋼棧橋結(jié)構(gòu)受力分析

由于車輛荷載對(duì)小橋的荷載總效應(yīng)遠(yuǎn)大于大橋，所以采用車輛荷載[5]進(jìn)行加載，考慮到臨時(shí)棧橋?qū)嶋H通行情況，選用100 t 混凝土運(yùn)輸車的荷載，最大軸重為240 kN，輪胎接地面積為0.6 m×0.2 m。在恒載與車輛荷載作用下，計(jì)算臨時(shí)棧橋上部結(jié)構(gòu)各構(gòu)件受力情況。

3.1 I12.6縱向分配梁

3.1.1 簡化計(jì)算

由于橫向分配梁I25a 的間距為0.5 m，所以I12.6工字鋼驗(yàn)算簡化按跨徑為0.5 m簡支梁計(jì)算。

100 t車輛荷載最大輪壓荷載為120 kN，橫橋向作用長度0.6 m，作用于4根I12.6工字鋼。見圖2。

圖2 100 t車輛車輪橫向布置

汽車荷載作用下的活載設(shè)計(jì)值為1.4×120 kN÷0.2 m÷4=210（kN/m），見圖3。

圖3 最不利工況活載布置

3.1.2 整體有限元計(jì)算

將單車輪荷載通過面荷載的方式施加在整體棧橋模型跨中橋面板板單元上，劃分板單元網(wǎng)格的尺寸為0.15 m×0.2 m，方便車輪荷載的施加，面荷載P=120÷0.6÷0.2=1 000（kN/m2）。見圖4。

圖4 整體有限元模型車輪荷載加載

3.1.3 兩種計(jì)算方法對(duì)比

在恒載與車輪荷載的作用下，簡化計(jì)算方法I12.6工字鋼最大正應(yīng)力為54.3 MPa，最大剪應(yīng)力為38.1 MPa；整體模型方法I12.6 工字鋼最大正應(yīng)力為29.2 MPa，最大剪應(yīng)力為35.8 MPa。見圖5。

圖5 不同計(jì)算方法下I12.6工字鋼應(yīng)力

與簡化計(jì)算結(jié)果相比，整體有限元模型得到的縱向分配梁I12.6 工字鋼正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果偏小，這是由于簡化計(jì)算中沒有考慮橋面板對(duì)車輪荷載的擴(kuò)散作用。

3.2 I25a工字鋼

3.2.1 簡化計(jì)算

I25a 工字鋼根據(jù)貝雷梁間距按連續(xù)梁進(jìn)行計(jì)算。車輛荷載通過I12.6 工字鋼作用于I25a 工字鋼的荷載按均布荷載考慮。

100 t車輛荷載最大軸重為120 kN，I25a工字鋼間距0.5 m，最不利情況下單根I25a 工字鋼承受240 kN軸重，單個(gè)車輪作用于工字鋼上的均布荷載為1.4×120 kN÷0.6 m=280（kN/m），見圖6。

圖6 最不利工況活載布置

3.2.2 整體有限元計(jì)算

將車輪荷載通過面荷載的方式施加在整體棧橋模型跨中橋面板單元上，面荷載大小仍為1 000 kN/m2。見圖7。

圖7 整體有限元模型車輪荷載加載

3.2.3 兩種計(jì)算方法對(duì)比

在恒載與車輛荷載的作用下，簡化計(jì)算方法I25a工字鋼最大正應(yīng)力為38.2 MPa，最大剪應(yīng)力為65.1 MPa；整體模型方法I25a 工字鋼最大正應(yīng)力為11.2 MPa，最大剪應(yīng)力為25.7 MPa。見圖8。

圖8 不同計(jì)算方法下I25工字鋼應(yīng)力

與簡化計(jì)算結(jié)果相比，整體有限元模型得到的橫向分配梁I25a工字鋼應(yīng)力計(jì)算結(jié)果偏小，簡化計(jì)算中沒有考慮縱向分配梁對(duì)橫向分配梁的約束作用，導(dǎo)致橫向分配梁虛擬支撐間距較大，荷載作用下應(yīng)力大于整體計(jì)算模型。

3.3 貝雷梁驗(yàn)算

3.3.1 簡化計(jì)算

1）均勻受力法。假設(shè)在車輛荷載作用下15 榀貝雷梁均勻受力，由于此棧橋單跨為12 m，100 t 車輛荷載作用時(shí)，最不利狀態(tài)為3 個(gè)18 t 車軸作用在跨中位置，所以每榀貝雷梁所受的集中力P=180×1.4/15=16.8（kN），見圖9。

圖9 貝雷梁活載布置

2）影響線法。貝雷梁橫橋向的受力可簡化為多支點(diǎn)連續(xù)梁，5#、8#、11#貝雷梁的影響線相同，見圖10。

圖10 5#貝雷梁影響線

根據(jù)杠桿法計(jì)算原理及車輛橫橋向間距布置，作用于每片貝雷梁活載為單輛車單邊荷載，根據(jù)影響線計(jì)算結(jié)果，5#貝雷梁受力最不利時(shí)，輪壓荷載布置見圖11。

圖11 貝雷梁輪壓荷載布置

根據(jù)杠桿法計(jì)算原理，100 t 車輛荷載作用下，5#、8#、11#貝雷梁橫向分布系數(shù)為0.333。所以每榀貝雷梁所受的車輛集中荷載P=180×1.4×0.333=84（kN），見圖12。

圖12 汽車荷載布置

3.3.2 整體模型計(jì)算

由于橋面板采用板單元模擬，車輛荷載無法通過車道線的方式加載，所以采用車道面的方式加載。車道面寬3 m，車輪間距1.8 m，為保證車輛荷載加載位置與按影響線方法計(jì)算時(shí)加載位置相同，加載位置橫橋向采用中載的方式。見圖13。

圖13 車道面加載

3.3.3 三種計(jì)算方法對(duì)比

按影響線計(jì)算方法得到的貝雷梁撓度、正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果偏大，而假設(shè)貝雷梁均布受力后與整體有限元模型相比計(jì)算結(jié)果接近，所以當(dāng)計(jì)算貝雷梁撓度與正應(yīng)力時(shí)，可以簡化為各片貝雷梁均勻受力，3種計(jì)算方法得到的貝雷梁剪應(yīng)力均較小，當(dāng)計(jì)算貝雷梁剪應(yīng)力時(shí)，兩種簡化計(jì)算方法均可。見圖14。

圖14 不同計(jì)算方法貝雷梁受力

4 結(jié)論

1）I12.6 縱向分配梁簡化成跨徑為橫向分配梁間距的簡支梁計(jì)算結(jié)果相比于整體有限元模型計(jì)算結(jié)果偏保守。

2）I25a 橫向分配梁簡化成跨徑為貝雷梁間距的連續(xù)梁計(jì)算結(jié)果相比于整體有限元模型計(jì)算結(jié)果偏大。

3）按影響線計(jì)算方法計(jì)算得到的貝雷梁撓度、正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果相比于整體有限元模型計(jì)算結(jié)果偏大，按貝雷梁均布受力計(jì)算得到的撓度、應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與整體有限元模型計(jì)算結(jié)果接近。