鋼棧橋上部結構設計與優化

摘 要：對斧頭湖特大橋鋼棧橋進行設計，通過對設計方案的驗算，提出了棧橋的最不利工況和優化方案，并對棧橋的使用提出了一定的要求，以期為類似棧橋的設計和優化提供寶貴的經驗。

關鍵詞：鋼棧橋；設計；有限元；優化；最不利工況

中圖分類號：U448 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）02-0053-02

鋼棧橋以其在跨河跨湖橋梁施工中快速安裝、拆除方便、可循環利用的優點被廣泛使用。本文基于武漢城市圈環線高速公路咸寧西段斧頭湖特大橋，設計并計算了跨越窯咀河、兼流河和魚塘湖泊等的鋼棧橋，并通過分析得出鋼棧橋的優化方案，為類似工程提供了借鑒。

1 工程概況

武漢城市圈環線高速公路咸寧西段項目起于嘉魚縣新街鎮港東村，斧頭湖特大橋是武漢城市圈環線高速公路重要的一座橋梁，其位于咸寧市咸安區官埠橋鎮雨壇村境內，橋梁跨越窯咀河、兼流河、魚塘湖泊等，河面常水位寬約80 m，它是為連接兩岸便道、方便車輛和行人通過而設計的鋼棧橋。

斧頭湖鋼棧橋主要用于履帶吊車、罐車和運砂車等施工車輛的運行，設計寬度6 m，單跨長9 m，總長108 m。

2 鋼便橋初步設計方案

現場最大荷載為50 t的履帶吊車，吊重25 t，履帶長4.5 m，履帶寬0.7 m，履帶中心間距2.5 m。

跨窯咀河搭設鋼便橋，單跨長9 m，橋面寬6 m。設計主要考慮到使車輛沿中心線運行，因此中心位置布置了3片貝雷梁，每片貝雷梁間距0.45 m；車輛如果未能在中心線上運行，兩側貝雷梁將承受較大荷載，因此兩側也布置3片貝雷梁。貝雷梁下部使用橫梁將鋼管樁連接，使得貝雷梁能更好地向下傳遞荷載，鋼管樁之間用槽鋼橫向和斜向連接，增強鋼管樁受壓穩定性，結構設計如下。

上部結構：9排貝雷片縱向排布，橫向布置為90+100+180+

100+90（cm），貝雷梁橫向布置見圖1。下部結構：采用φ630 mm×8 mm鋼管樁打入土中，橫向布置的3根鋼管樁間距為2.35 m，樁間用10 cm槽鋼水平向和剪刀向牢固焊接。鋼管樁上采用雙拼I45橫梁，長6 m。便橋橋面結構：橋面凈寬6 m，采用裝配式鋼面板，單塊面板長6 m，寬1.5 m，面板采用5.5 mm厚印花鋼板，底橫肋為126 mm工字鋼，間距30 cm，底縱肋為126 mm槽鋼，槽鋼間距70 cm。

3 上部結構計算

3.1 履帶吊車主要計算工況

按照簡支梁計算，使用midas civil軟件建立履帶吊車荷載作用下橋梁整體模型（見圖2），面板采用板單元，貝雷梁弦桿和腹桿采用梁單元，支撐架采用桁架單元，立柱橫梁采用梁單元，安全系數取1.2.

考慮到履帶吊車運行的軌跡和范圍，履帶吊車運行至跨中時縱梁彎矩最大，運行至每跨一端時縱梁剪力最大，為最不利工況。現場車輛運行或吊裝時不可能嚴格按照縱向中心線運行，同時考慮到棧橋上的行人通道，將履帶吊車沿橋梁中心線0.9 m行駛作為最不利工況。

圖1 履帶吊車結構簡圖 圖2 履帶吊車荷載單跨模型圖

3.1.1 履帶吊車沿橋梁中心線行駛

工況一：履帶吊車行駛至橋中心，履帶吊車無偏載；工況二：履帶吊車行駛至橋中心，起吊后重物所有荷載由一側履帶承擔；工況三：履帶吊車整車剛上橋，履帶吊車無偏載；工況四：履帶吊車整車剛上橋，起吊重物后所有荷載由一側履帶承擔。

3.1.2 履帶吊車偏移橋梁中心線0.9 m行駛

工況一：履帶吊車行駛至橋中心，履帶吊車無偏載；工況二：履帶吊車行駛至橋中心，起吊后重物所有荷載由靠近橋中心線側履帶承擔；工況三：履帶吊車整車剛上橋，履帶吊車無偏載；工況四：履帶吊車整車剛上橋，起吊重物后所有荷載由靠近橋中心線側履帶承擔。

3.2 履帶吊車荷載作用下計算模型及結果

通過建立midas有限元模型，計算棧橋在最大荷載和最不利工況下橋面板、貝雷梁的各個部件、橫梁的彎曲應力和剪應力可知，弦桿和腹桿采用Q345鋼材，橋面板、支撐架和立柱橫梁采用Q235鋼材。根據《鋼結構設計規范》可知，Q235鋼允許彎曲應力σ=190 MPa，允許剪應力τ=110 MPa；Q345鋼允許彎曲應力σ=315 MPa，允許剪應力τ=180 MPa。

3.2.1 履帶吊車沿橋梁中心線行駛

具體情況詳見表1.

3.2.2 履帶吊車偏移橋梁中心線0.9 m行駛

具體情況詳見表2.

4 計算結果分析

從表1和表2可以看出，鋼棧橋設計滿足規范要求，50 t履帶吊車可以在鋼棧橋上行駛，50 t自重加25 t吊重的履帶吊車可以在鋼便橋上吊裝施工。

比較表1和表2中相同工況（工況一和工況一比較，以此類推），包括橋面板、貝雷梁和立柱橫梁，表2中彎曲應力大于表1中彎曲應力，由此可知，履帶吊車上橋后偏離橋中心線，橋梁部分桿件更接近破壞。

比較表2中工況二和工況四（或工況一和工況三），工況四中貝雷梁弦桿剪應力大于工況二，由此可知，履帶吊車剛上橋便產生較大剪應力，同樣從表1中也可以看出來。所以，在計算鋼棧橋時，不僅要考慮荷載在跨中時產生的較大彎曲應力，

荷載在支點處產生的剪應力也必須要考慮。

表1 履帶吊車中心線沿橋梁中心線行駛結果表

工況一 工況二 工況三 工況四 允許應力

σ τ σ τ σ τ σ τ σ τ

橋面板/MPa 13 6.5 20.6 10.3 12.3 6.2 19.4 9.7 190 110

弦桿/MPa 109.9 73.5 109.5 72.7 106 103.3 114 109.9 310 180

腹桿/MPa 170.7 8 170.8 7.9 239.3 11.7 255.5 12.4 310 180

支撐架/MPa 51.2 — 52.1 — 51 — 19.9 — 190 —

立柱橫梁/MPa 16.8 10.5 16.4 13.4 26 13.8 27.4 20.1 190 110

最大支反力/kN 262 302 403.3 287.4 —

注：σ表示彎曲應力；τ表示剪應力。

表2 履帶吊車中心線沿著橋中心線最大偏移0.9 m行駛結果表

工況一 工況二 工況三 工況四 允許應力

σ τ σ τ σ τ σ τ σ τ

橋面板/MPa 17.1 8.5 26.9 13.4 14.7 7.3 24.7 12.3 190 110

弦桿/MPa 147.9 103 114.7 79 108.5 105.3 138.9 134.9 310 180

腹桿/MPa 241.1 11.3 182.7 8.6 242.2 11.8 309.4 15.2 310 180

支撐架/MPa 76 — 58.8 — 91.5 — 118.6 — 190 —

立柱橫梁/MPa 26.6 16.2 17.5 9.1 25.5 17.5 26.5 15.4 190 110

支反力/kN 375.3 281.4 428.2 458.8 —

注：σ表示彎曲應力；τ表示剪應力。

綜合表1和表2可知，橋梁最危險的工況是表2中的工況四，由此可見，履帶吊車上橋的偏移量直接決定了履帶吊車能否安全通過，計算中的最不利工況為履帶吊車偏離中心線剛駛入棧橋時。

由表2中工況四可知，腹桿已經接近允許應力，而橋梁其他部位的其他桿件均有較大的安全空間，可見在車輛偏離橋梁中心線行駛時，橋梁受力非常不均勻，貝雷梁整體性不良。

5 優化建議

根據分析結果可知，盡管橋梁滿足規范要求，但鋼棧橋受力不均勻，部分桿件接近允許荷載，而另一些桿件無法充分利用。根據這個情況，建議3組貝雷梁間距由1.0 m改為0.9 m，并通過支撐架全部連接，增強整體受力性能。

根據計算結果可知，履帶吊車上橋最大偏移量為0.9 m，因此，鋼棧橋必須設置行駛范圍欄桿，防止車輛偏移過多發生事故。建議重型車輛上橋盡量沿中心線行駛，以保證橋梁受力合理。

參考文獻

[1]中華人民共和國建設部.GB50017—2003 鋼結構設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[2]黃紹金.裝配式公路鋼橋多用途使用手冊[M].北京：人民交通出版社，2002.

[3]劉麟乾，朱永紅.淮河特大橋貝雷梁鋼棧橋設計與施工[J].科技傳播，2011，6：148-149.

[4]于良科.鋼棧橋設計與施工[J].山西建筑，2007，33（24）：306-307.

[5]張波，彭啟明，陳倩，等.鋼棧橋施工技術分析[J].交通科技與經濟，2011，6：4-9.

————————

作者簡介：李英杰（1985—），男，助理工程師，2011年畢業于蘭州交通大學道路與鐵道工程專業（碩士研究生）。

〔編輯：曹月〕

Steel Pier Upper Structure Design and Optimization

Li Yingjie

Abstract： For the axe lake bridge steel trestle design， through the calculation of design scheme， puts forward the most unfavorable conditions of the piers and optimization scheme， and puts forward certain requirements on the use of the pier， so as to provide valuable for similar bridge design and optimization of experience.

Key words： steel pier； design； finite element； optimization； the most unfavorable conditions

腹桿/MPa 170.7 8 170.8 7.9 239.3 11.7 255.5 12.4 310 180

支撐架/MPa 51.2 — 52.1 — 51 — 19.9 — 190 —

立柱橫梁/MPa 16.8 10.5 16.4 13.4 26 13.8 27.4 20.1 190 110

最大支反力/kN 262 302 403.3 287.4 —

注：σ表示彎曲應力；τ表示剪應力。

表2 履帶吊車中心線沿著橋中心線最大偏移0.9 m行駛結果表

工況一 工況二 工況三 工況四 允許應力

σ τ σ τ σ τ σ τ σ τ

橋面板/MPa 17.1 8.5 26.9 13.4 14.7 7.3 24.7 12.3 190 110

弦桿/MPa 147.9 103 114.7 79 108.5 105.3 138.9 134.9 310 180

腹桿/MPa 241.1 11.3 182.7 8.6 242.2 11.8 309.4 15.2 310 180

支撐架/MPa 76 — 58.8 — 91.5 — 118.6 — 190 —

立柱橫梁/MPa 26.6 16.2 17.5 9.1 25.5 17.5 26.5 15.4 190 110

支反力/kN 375.3 281.4 428.2 458.8 —

注：σ表示彎曲應力；τ表示剪應力。

綜合表1和表2可知，橋梁最危險的工況是表2中的工況四，由此可見，履帶吊車上橋的偏移量直接決定了履帶吊車能否安全通過，計算中的最不利工況為履帶吊車偏離中心線剛駛入棧橋時。

由表2中工況四可知，腹桿已經接近允許應力，而橋梁其他部位的其他桿件均有較大的安全空間，可見在車輛偏離橋梁中心線行駛時，橋梁受力非常不均勻，貝雷梁整體性不良。

5 優化建議

根據分析結果可知，盡管橋梁滿足規范要求，但鋼棧橋受力不均勻，部分桿件接近允許荷載，而另一些桿件無法充分利用。根據這個情況，建議3組貝雷梁間距由1.0 m改為0.9 m，并通過支撐架全部連接，增強整體受力性能。

根據計算結果可知，履帶吊車上橋最大偏移量為0.9 m，因此，鋼棧橋必須設置行駛范圍欄桿，防止車輛偏移過多發生事故。建議重型車輛上橋盡量沿中心線行駛，以保證橋梁受力合理。

參考文獻

[1]中華人民共和國建設部.GB50017—2003 鋼結構設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[2]黃紹金.裝配式公路鋼橋多用途使用手冊[M].北京：人民交通出版社，2002.

[3]劉麟乾，朱永紅.淮河特大橋貝雷梁鋼棧橋設計與施工[J].科技傳播，2011，6：148-149.

[4]于良科.鋼棧橋設計與施工[J].山西建筑，2007，33（24）：306-307.

[5]張波，彭啟明，陳倩，等.鋼棧橋施工技術分析[J].交通科技與經濟，2011，6：4-9.

————————

作者簡介：李英杰（1985—），男，助理工程師，2011年畢業于蘭州交通大學道路與鐵道工程專業（碩士研究生）。

〔編輯：曹月〕

Steel Pier Upper Structure Design and Optimization

Li Yingjie

Abstract： For the axe lake bridge steel trestle design， through the calculation of design scheme， puts forward the most unfavorable conditions of the piers and optimization scheme， and puts forward certain requirements on the use of the pier， so as to provide valuable for similar bridge design and optimization of experience.

Key words： steel pier； design； finite element； optimization； the most unfavorable conditions

腹桿/MPa 170.7 8 170.8 7.9 239.3 11.7 255.5 12.4 310 180

支撐架/MPa 51.2 — 52.1 — 51 — 19.9 — 190 —

立柱橫梁/MPa 16.8 10.5 16.4 13.4 26 13.8 27.4 20.1 190 110

最大支反力/kN 262 302 403.3 287.4 —

注：σ表示彎曲應力；τ表示剪應力。

表2 履帶吊車中心線沿著橋中心線最大偏移0.9 m行駛結果表

工況一 工況二 工況三 工況四 允許應力

σ τ σ τ σ τ σ τ σ τ

橋面板/MPa 17.1 8.5 26.9 13.4 14.7 7.3 24.7 12.3 190 110

弦桿/MPa 147.9 103 114.7 79 108.5 105.3 138.9 134.9 310 180

腹桿/MPa 241.1 11.3 182.7 8.6 242.2 11.8 309.4 15.2 310 180

支撐架/MPa 76 — 58.8 — 91.5 — 118.6 — 190 —

立柱橫梁/MPa 26.6 16.2 17.5 9.1 25.5 17.5 26.5 15.4 190 110

支反力/kN 375.3 281.4 428.2 458.8 —

注：σ表示彎曲應力；τ表示剪應力。

綜合表1和表2可知，橋梁最危險的工況是表2中的工況四，由此可見，履帶吊車上橋的偏移量直接決定了履帶吊車能否安全通過，計算中的最不利工況為履帶吊車偏離中心線剛駛入棧橋時。

由表2中工況四可知，腹桿已經接近允許應力，而橋梁其他部位的其他桿件均有較大的安全空間，可見在車輛偏離橋梁中心線行駛時，橋梁受力非常不均勻，貝雷梁整體性不良。

5 優化建議

根據分析結果可知，盡管橋梁滿足規范要求，但鋼棧橋受力不均勻，部分桿件接近允許荷載，而另一些桿件無法充分利用。根據這個情況，建議3組貝雷梁間距由1.0 m改為0.9 m，并通過支撐架全部連接，增強整體受力性能。

根據計算結果可知，履帶吊車上橋最大偏移量為0.9 m，因此，鋼棧橋必須設置行駛范圍欄桿，防止車輛偏移過多發生事故。建議重型車輛上橋盡量沿中心線行駛，以保證橋梁受力合理。

參考文獻

[1]中華人民共和國建設部.GB50017—2003 鋼結構設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[2]黃紹金.裝配式公路鋼橋多用途使用手冊[M].北京：人民交通出版社，2002.

[3]劉麟乾，朱永紅.淮河特大橋貝雷梁鋼棧橋設計與施工[J].科技傳播，2011，6：148-149.

[4]于良科.鋼棧橋設計與施工[J].山西建筑，2007，33（24）：306-307.

[5]張波，彭啟明，陳倩，等.鋼棧橋施工技術分析[J].交通科技與經濟，2011，6：4-9.

————————

作者簡介：李英杰（1985—），男，助理工程師，2011年畢業于蘭州交通大學道路與鐵道工程專業（碩士研究生）。

〔編輯：曹月〕

Steel Pier Upper Structure Design and Optimization

Li Yingjie

Abstract： For the axe lake bridge steel trestle design， through the calculation of design scheme， puts forward the most unfavorable conditions of the piers and optimization scheme， and puts forward certain requirements on the use of the pier， so as to provide valuable for similar bridge design and optimization of experience.

Key words： steel pier； design； finite element； optimization； the most unfavorable conditions