基于有限元方法的水上钢栈桥设计

熊晓义

摘 要：以内江供水管桥为依托，研究了水上钢栈桥设计与施工的关键技术，考虑施工过程中施工人员、施工材料，施工机具行走运输，水流荷载等因素对临时结构产生的影响，重点研究了施工机具位于钢栈桥不同位置时结构产生的应力与变形。依照相关标准和过往经验对钢栈桥的结构进行了设计，并在midas Civil中建立了有限元模型对其进行验算，以此验证了该钢栈桥的安全性与可行性。计算结果表明：该钢栈桥设计具有安全可靠，施工迅速，造价经济等优点，因此可以作为相似工程的设计计算的参考。
关键词：钢栈桥;结构设计;有限元计算;
作者简介：王琳琳(1997—),女，山东济宁人，硕士，研究方向：桥梁结构仿真计算;
0引 言进入21世纪以后，随着交通事业迅速发展，我国的桥梁建设事业进入一个快速发展的时期。与此同时，桥梁施工过程中所需的临时结构的设计理论和施工技术也逐步走向成熟。在进行桥梁水下基础施工时，常常修建钢栈桥作为桥梁施工中的水上通道和作业平台，以实现在水上环境施工作业的目的。钢栈桥设计的合理与否关乎其安全性、经济性以及施工便捷性，而钢栈桥的工作环境比较复杂，所承受各种荷载也比较大，所以钢栈桥结构的合理设计就显得格外重要。近二十年来，随着有限元理论的发展和计算机计算能力的提高，越来越多的工程开始使用有限元软件对工程结构进行计算，在此过程中有限元理论的正确性也得到了检验。本文以内江供水管线钢栈桥为例，利用midas Civil对结构进行了验算并系统阐述了浅覆盖河床淤泥和重荷载工况条件下的钢栈桥设计要点。
1工程概况内江供水管釜溪管桥为向家坝罐区北总干渠一期一步工程内江供水管线的一部分，主桥采用(60+90+60)m预应力混凝土连续梁桥；引桥采用30 m预应力混凝土现浇箱梁。在该桥施工过程中，设置约99.1 m的施工钢栈桥，钢栈桥宽度为6.9 m、9 m(9 m为加宽桥面宽度，加宽段长度为27 m),布置在大桥右侧，栈桥起点与桥头混凝土硬化的便道相接，栈桥拟以“L”字型布置。考虑水位及浪高，参照20年一遇洪水位272.95 m, 考虑到安全高度和钢栈桥的上部结构高度，钢栈桥顶部高程275.61 m, 高于设计洪水水位约2.66 m。
2钢栈桥结构设计按照国家相关标准和以往设计经验对钢栈桥进行如下初步设计，钢栈桥标准跨跨径为12 m, 钢栈桥宽度为6.9 m(加宽段宽度为9 m)。为满足不同的地质情况下的施工需要，基础结构形式考虑为单排φ630×10 mm(非加宽段横桥向为3根，加宽段横桥向为4根。)的钢管桩基础，横桥向桩间距都为2.25 m。
钢栈桥细部结构设计为：横桥向桩与桩之间采用双拼16a号的槽钢进行连接。钢管桩上部设置双拼45c号工字钢桩顶横梁，横梁上设置3排“321”型贝雷片组，贝雷片间距为0.9 m, 贝雷组间距为1.35 m, 采用90型花架连成整体，贝雷组与组间设置角钢75×5的剪刀撑。贝雷顶设置25a号工字钢横向分配梁(标准间距75 cm)及12.6a号工字钢纵向分配梁(标准间距24 cm),桥面板用12号工字钢和10 mm厚花纹钢板满铺。栈桥共七跨，贝雷片与桩顶横梁间设置限位装置，构件之间采用夹具进行固定。钢栈桥结构构造如图1。
钢栈桥中贝雷梁片材料为16 Mn钢材，其余型钢均采用Q235钢材。

图1 钢栈桥结构构造图 下载原图
采用大型有限元软件midas Civil对釜溪河管桥工程钢栈桥进行结构建模分析，模型共有18 765个单元，13 729个节点，如图2所示。对于钢栈桥结构中的钢管立柱、水平横联、桩顶横梁、横向工字钢、纵向工字钢、贝雷梁等均采用空间梁单元进行模拟。对钢管立柱底部6个方向的自由度进行约束，钢管立柱的顶端和桩顶横梁、横向工字钢、纵向分配工字钢和贝雷梁之间均采用弹性连接来模拟构件实际的简支约束。

图2 钢栈桥有限元模型 下载原图
钢栈桥结构计算中的载荷有：结构自重、车辆荷载、施工载荷、水流荷载等。其中50 t混凝土罐车和73 t旋挖机为施工控制荷载，50 t混凝土车按汽-20级重车考虑，73 t旋挖机履带接地长度为4.6 m, 履带宽度为0.8 m则每条履带上分布的单位压力为77.76 kN/m; 施工及人群荷载为4 kN/m; 水流流速取3 m/s, 水流荷载按照《港口工程荷载规范》(JTS 144-1—2010)的计算方法计算。各项荷载的分项系数为1.2,50 t混凝土车的分项系数取1.4。荷载以均布荷载的方式施加到分配梁上。
73 t旋挖机作为最大荷载，将其作为控制荷载。将其作为静荷载放置在桥面的不同位置作为不同的工况。现选取以下八个最不利工况进行验算：
工况(1):50 t混凝土罐车作为移动荷载通过钢栈桥跨中，为了保守设计，本栈桥设计车辆在通过平台时应该行驶在钢栈桥桥边缘处。
荷载组合：1.2×结构自重+1.4×满载混凝土罐车自重+0.75×1.4×水流荷载
工况(2):73 t旋挖机作用在钢栈桥顺桥向上0 m处。
荷载组合：1.2×结构自重+0.75×1.4×水流荷载+1.2×旋挖机自重+1.2×施工荷载。
工况(3):73 t旋挖机作用在钢栈桥上3.75 m处。
工况(4):73 t旋挖机作用在钢栈桥顺桥向上7.4 m处。
工况(5):73 t旋挖机作用在钢栈桥顺桥向上36 m处。
工况(6):73 t旋挖机作用在钢栈桥顺桥向上39 m处。
工况(7):73 t旋挖机作用在钢栈桥顺桥向上78.75 m处。
工况(8):73 t旋挖机作用在钢栈桥顺桥向上82.4 m处。
进入midas Civil中的后处理界面，提取各单元的正应力、剪应力、位移等计算结果，并与容许值进行比较。
各个构件在各工况下的最大正应力如表1所示。
表1 构件正应力结果 导出到EXCEL

工况一	-31.2	9.7	-12.8	50.3	-36.3
工况二	-73.7	56.6	-18.1	-193.3	-42.0
工况三	-90.4	62.3	-18.1	158.0	-42.1
工况四	93.5	68.5	-23.7	-177.5	-47.0
工况五	80.8	62.3	-22.6	-166.1	-57.7
工况六	-82.4	62.1	-17.6	-143.3	-51.9
工况七	-99.6	80.3	22.2	196.9	-56.7
工况八	-97.8	92.4	-22.0	-231.7	-54.1

贝雷梁在工况八时压应力最大，最大压应力为213.7 MPa, 满足小于275 MPa容许应力的要求；其他构件的最大正应力为99.6 MPa满足小于205 MPa的要求。
各个构件在各工况下的最大剪应力如表2所示。
贝雷梁在工况一时剪应力最大，最大剪应力为87.7 MPa, 满足小于160MPa容许应力的要求；其他构件的最大剪应力为71.4 MPa, 满足小于125 MPa容许应力的要求。
表2 构件剪应力结果表 导出到EXCEL
单位:MPa

工况一	42.8	-71.4	14.9	87.7	3.9
工况二	23.8	19.6	11.0	34	-2.7
工况三	19.6	20.1	11.0	67.5	-2.8
工况四	30.1	-19.8	14.4	43.8	-2.7
工况五	28.9	19.3	13.7	-37.5	3.5
工况六	24.8	20.2	10.7	-63.7	3.5
工况七	-21.1	-31.1	-12.5	-67.5	3.7
工况八	25.4	-29.8	-13.2	45.1	3.6

各个构件在各工况下的最大纵向位移如表3所示。
表3 构件最大纵向位移结果表 导出到EXCEL
单位:mm

工况一	-12.813	-13.334	-2.495	-11.422	-2.008
工况二	-7.555	-7.701	-1.010	-7.201	-0.878
工况三	-12.180	-12.429	-1.475	-11.545	-1.280
工况四	-8.103	-8.233	-1.896	-7.657	-1.596
工况五	-7.970	-8.140	-2.546	-7.541	-2.196
工况六	-1.402	-11.639	-2.051	-10.804	-1.807
工况七	-16.252	-17.090	-2.194	-14.379	-1.840
工况八	-10.996	-11.590	-2.019	-9.721	-1.592

钢栈桥各构件最大纵向位移为17.090 mm, 满足小于L/400=30 mm的要求。
此外还进行了钢栈桥的屈曲分析，安全系数均大于4,满足规范要求；因此该钢栈桥的仿真验算结果均满足规范要求，并具有足够的安全储备。
4结 语随着我国桥梁施工技术的快速发展，其辅助施工的钢栈桥的设计方法和施工技术也不断走向成熟。本文重点考虑了施工机具位于钢栈桥不同位置时结构产生的应力与变形，运用有限元软件midas Civil对内江供水管线钢栈桥进行了仿真模拟和计算。结果表明：钢栈桥的强度、刚度和稳定性都满足相关规范的要求，是安全可靠，经济适用的。因此该仿真计算可以为其他相似工程的设计及施工提供参考。
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