钢栈桥结构设计与有限元模型分析

钢栈桥结构设计与有限元模型分析

周煜

中铁二十五局集团有限公司设计研究院，广东 广州 511458

摘要：本文以实际工程为例，对施工所需临时钢栈桥进行结构设计。并通过有限元计算软件Midas civil建立钢栈桥有限元模型，结合钢栈桥实际荷载，对其在不同工况下进行受力分析，为结构在实际实施中提供理论支撑。通过有限元分析，结果表明，本工程钢栈桥结构满足强度和刚度要求。并根据计算结果可进一步对结构构件的截面和布置方式进行优化，提高材料的利用率，降低施工成本。

关键词：钢栈桥；结构设计；有限元；受力分析

引言

钢栈桥结构简单，传力路径明确，结构安全可靠，施工拆卸方便[1-2]，因此在水上桥梁等建筑施工中，作为临时结构应用十分广泛[3]。但是由于钢栈桥本身耗钢量大、构件多，连接复杂，传统的人工计算方法是将钢栈桥各个部件按照简支或者连续梁简化计算，难以准确计算结构的安全性和经济性[4-7]。本文以实际工程为背景，对钢栈桥进行结构设计，并用大型有限元计算软件Midas civil对钢栈桥进行模型建立及分析，为本工程钢栈桥提供理论依据，也可供相关工程参考。

1 工程概况

某跨江双线特大桥全长1688.573米，孔跨式样为7×32+1×24+（40+64+40）m连续梁+4×24+1×32+（60+5×104+56）连续梁+13×32+（18+2×24+18）m连续刚构，最大桥高40.5米。桥墩采用圆端形实体桥墩，桥台采用双线Ｔ形空心桥台；各墩台均采用钻孔桩基础。本桥依次采用（40+64+40）m连续梁跨越江北岸低凹岩溶地段；采用（60+5×104+56）m连续梁上跨江，17号～22号桥墩位于河道中；采用1-32m简支T梁上跨既有铁路双线；采用（18+2×24+18）m连续刚构上跨道路。全桥过江共设置17#、18#、19#、20#、21#、22#六个水中墩，承台底标高均为69.371m。采用钻孔桩柱桩基础，桩径2.0m，桩长15～54m之间；承台采用圆端形承台，尺寸为12.0×16.4×4.0m；墩身采用圆端形，墩高均为27.5m；梁部采用连续梁。本工程所在地航道为Ⅲ级航道，河道宽度536m，河底标高为69.4～70.3m，水流方向由西往东，最高通航水位88.35m，最低通航水位77.19m，百年水位标高93.95m，通航净空≥12.0m。为减少船舶使用及水流潮汐的不利影响，本工程采用搭设钢栈桥作为各种材料、机具、人员等的运输及进出通道,方便施工。

2 钢栈桥结构设计

2.1钢栈桥桥位布置

根据现场布置，该处栈桥分为南北侧两部分，中间设置通航航道。其中北侧栈桥长348m，布置30排钢桩，共29跨；南侧栈桥长132m，布置12排钢桩，共11跨，桥跨均按12m跨度设计。对于覆盖层较厚（＞2m）的位置，栈桥基础采用单排三根钢管桩；对于覆盖层较少（≤2m）位置，栈桥基础采用双排三根桩的马凳型钢管桩，钢管桩横向间距2.5m，纵向间距3.0m。栈桥两端坐落在河堤修筑的栈桥桥台上，高出原地面部分碎石回填夯实、素土夯实，桥面标高为+83.5m。

图1 钢栈桥桥位布置示意图

2.2钢栈桥结构布置

钢栈桥采用多跨连续梁方案。栈桥宽度为6.0m，施工运输设备可在17#~22#桥墩施工平台处进行会车避让。梁部结构为三组双排单层“321”贝雷梁桁架，梁高1.5m。钢栈桥下部结构采用打入式钢管桩基础，按端承桩设计。栈桥基础采用φ630mm的螺旋钢管，钢管桩顶部标高为81.5m，栈桥顶面标高+83.5m。桩间采用14a槽钢平联和单斜联。钢管桩上以双拼I45a工字钢作为横梁，横梁以上为3组双拼贝雷梁，贝雷梁桁片间距为1.35m，桁片间设置贝雷梁支撑架和斜撑，斜撑采用14b槽钢。贝雷梁以上为28a工字钢横向分配梁，间距0.75m。在横向分配梁上再布置16b工字钢纵向分配梁，间距0.30m。面板采用厚度为8mm的花纹钢板，花纹钢板与横向分配梁焊接为一体,每块面板尺寸为1.5×6m。

图2 栈桥横断面布置示意图（单位：cm）

图2 栈桥单排桩纵断面布置示意图（单位：cm）

图4 栈桥双排桩纵断面布置示意图（单位：cm）

2.3钢栈桥技术标准

（1）设计荷载：结构自重，公路一级荷载。

（2）施工控制活载：混凝土罐车总重50t自卸汽车，履带吊总重50t，汽车吊38t，最大总荷载70t。

（3）设计行车速度：10km/h。

（4）施工人群荷载：3kN/m²。

（5）流水荷载：跟据《铁路桥涵设计规范》相关公式取值计算。

3 钢栈桥结构计算

3.1结构模型建立

选取两跨连续梁为计算整体，其中两端支撑为单排桩，中间支撑为双排桩，除去桥面采用板单元模拟外，其他构件均采用梁单元进行模拟，共建立了3632个节点，4431个梁单元，640个板单元，

图5 钢栈桥有限元模型

3.2荷载组合

钢栈桥荷载组合强度计算时，恒载分项系数取1.3，活载分项系数取1.5。刚度计算时，恒载分项系数取1.3。具体荷载工况组合见表1。

在Midas civil软件中设置车道1、车道2模拟钢栈桥在实际使用中的偏载和中载的情况。软件中罐车等轮式汽车荷载以集中力的形式加载，履带式机械以线荷载形式加载。

表1不同工况下的荷载组合

工况1～工况4为移动荷载加载，在软件中输出的结果为偏载行驶和中载行驶情况下的包络值，工况5为履带吊在安装栈桥作业时，在跨中偏载位置即最不利位置进行侧吊作业时的计算结果，此时履带吊全部荷载通过一侧靠近起吊物方向的部分履带传递至栈桥。

3.3有限元模型结果

3.3.1应力结果

在各个工况作用下，钢栈桥主要受弯构件计算结果如下表所示。

表2不同工况下各构件弯曲应力

表3不同工况下各构件剪应力

由表2和表3可知，钢栈桥主要受弯构件在各个工况荷载组合作用下的弯曲应力和剪均小于容许值，满足强度要求。各个构件应力最大值均在工况4荷载组合作用情况下。

3.3.2位移结果

钢栈桥竖向位移结果如表所示。

表4不同工况下钢栈桥最大竖向位移

由表4可知，钢栈桥竖向位移在工况4荷载作用下在各个工况荷载组合下均小于容许值L/400，满足刚度要求。

3.3.3钢管柱强度及稳定性计算

根据各工况计算结果可知，在工况4荷载组合情况下，钢管柱最大轴力为626.1 ，钢管立柱Φ630×8mm截面特性为：A=156.326cm²，I=75612.372cm⁴。

1）强度验算

单根钢管支墩Φ630×8mm，其承受的容许压力：

，强度满足要求。

2）稳定性验算

钢管的回转半径为：

长细比：

式中：µ—杆件长度系数，取µ=1.0；

l—杆件计算长度，取l=1400cm。

查规范得，φ=0.868，钢管立柱的稳定性检算：

，稳定性满足要求。

4结论

1. 对拟建钢栈桥进行结构设计，并运用Midas civil有限元软件对钢栈桥在实际使用过程中进行建模和分析，通过分析得到的应力和变形结果，可知钢栈桥的强度和刚度满足规范要求。

2. 由应力分析结果可知，桥面钢板、I16分配梁和双拼I45横梁的弯曲应力和剪应力较限值而言均较小，安全系数偏高，结构设计偏保守，在后续过程中可对材料的截面及布置间距进行优化以节省材料，降低施工成本。

3. 由计算结果可知，应力和位移最大值均出现在工况4荷载组合作用下，在实际操作中可专门针对汽车吊车轮作用点进行局部加强，提高结构的安全性。

参考文献

[1]蒋赣猷,郑健,李莘哲.钢栈桥结构设计与有限元分析[J].西部交通科技,2021(12):82-84+123.DOI:10.13282/j.cnki.wccst.2021.12.022.

[2]于良科.钢栈桥设计与施工[J].山西建筑,2007(24):306-307.

[3]刘强,毛晓龙.MIDAS/Civil在钢栈桥结构优化设计中的应用[J].中国水运(下半月),2014,14(06):245-247.

[4]耿嘉庆.桥梁水上钢栈桥、钢平台设计及有限元仿真分析[J].西部交通科技,2021(04):149-153+205.DOI:10.13282/j.cnki.wccst.2021.04.047.

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[6]张波,彭启明,陈倩,赵建虎,王刚.钢栈桥施工技术分析[J].交通科技与经济,2011,13(06):4-9.DOI:10.19348/j.cnki.issn1008-5696.2011.06.002.

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