基于有限元模型的鋼棧橋上部結構設計

■尹棟佳　陳　夢　李琳琳　高興贊

（1.上海城建市政工程（集團）有限公司，上海　200065；2.湖北省高速公路實業開發有限公司，武漢　430051；

3.湖北省交通規劃設計院，武漢　430050）

基于有限元模型的鋼棧橋上部結構設計

■尹棟佳1陳夢2李琳琳3高興贊2

（1.上海城建市政工程（集團）有限公司，上海200065；2.湖北省高速公路實業開發有限公司，武漢430051；

3.湖北省交通規劃設計院，武漢430050）

通過某大橋臨時工程鋼棧橋的施工方案，詳細介紹了臨時鋼棧橋上部結構的設計分析過程。利用空間計算軟件ANSYS和MIDAS/Civil建立棧橋有限元分析模型，結合某大橋施工中擬投入的施工機械和車輛荷載，對棧橋上部結構進行承載力驗算和穩定性分析。在棧橋分析驗算過程中，總結一些具有實際工程意義的結論，提出一些關于鋼棧橋設計技術的措施。

鋼棧橋有限元模型施工車輛荷載承載力驗算

1　概述

棧橋布置于某大橋下游，總長約360m，行車道寬10.5m，其中3.5m寬為施工車道及7.0m寬公共車道（雙向2車道），兩個車道間設置分隔帶，10.5m標準段采用護輪坎及標準欄桿分隔。棧橋北接岸處以3.77%放坡過渡到南接岸處。棧橋所用鋼構件材料均為Q235B。上橫梁采用2工45c，主縱梁采用組合貝雷桁梁。其上分配梁工25b間距0.75m/1.5m，縱梁工12.6間距 0.3m，面層采用厚10mm的鋼板。總橫斷面寬12m，其中10.5m作為車行道，車道兩側設置護輪坎，棧橋上游側0.45m作為管線通道，下游側1.05m作為人行道。每隔36m設置500W高桿燈。鋼護欄布置在行車道外側。棧橋剖面布置如圖1所示。

臨時鋼棧橋作為連接南北兩岸的臨時通道，連接4#至5#主墩，負責南北兩岸材料運輸及其他標段車輛運行，必須提前進行搭設，同時該棧橋通行重車，且預留施工人員通道及車道設置護輪坎，設計標準較高。

2　設計條件和技術標準

2.1設計條件

棧橋設計時，必須考慮到以下幾個原則：

（1）符合建設條件，如地質、氣象、水文、通航等條件。

（2）棧橋為施工期間的人員、機械和材料通道，必須結合施工過程、按照施工需要確定荷載標準、平縱橫斷面設計參數等。

（3）棧橋為使用大橋建設期間長使用2～3年的臨時結構，要適當考慮結構的耐久性［1］。

圖1　棧橋剖面布置圖（單位：cm）

2.2技術標準［2］

（1）棧橋橋寬：0.5m（管線通道）+3.5m（施工車道）+ 7.0m（雙向公共2車道）+1.0m（人行道）=12.0m。

（2）設計行車速度：貨車或工具車≤15km/h，載人小汽車≤30km/h。

（3）設計人群活載：人群荷載：3.0kN/m2。

（4）設計車輛活載：1）8方混凝土罐車：載重時重量30t，總重：300kN（其中：前軸重力標準值：60kN，后軸重力標準值：2×120kN），輪距：1.8 m，軸距：3.45m+1.35m；2）80t履帶吊，吊重20t，共計100t，履帶吊正吊時荷載均分在兩個履帶，側吊時荷載考慮作用在單側履帶上，履帶中心距：2.6～4.2m；3）掛-80，車輪及荷載布置示意如圖2所示。

圖2　掛-80車輪及荷載布置示意（單位：m）

（5）棧橋正常使用風荷載：1）工作狀態：V10=16.0m/s

管型構件風荷載標準值：fwh=k0k1k3Wdd=0.75×1.2× 1.0×0.348×d=0.313d

非管型構件風荷載標準值：fwh=k0k1k3Wdd=0.75×1.3× 1.0×0.348×h=0.339h

式中：Wd為設計基準風壓；Vd為高度Z處的設計基準，Vd=K2K5V10；K0為設計風速重現期換算系數，對施工期架設橋梁取0.75；K1為風載阻力系數；K2為風速高度變化修正系數；此處按A類地表5m高度取值，所以K2取1.08；K3為地形、地理條件系數，取1.0；K5為陣風風速系數，按A類地表取1.38。

根據《公路橋涵設計通用規范》表4.3.7-4～4.3.7-6，貝雷風荷載標準值計算：

桁架的風載阻力系數1.7；遮擋系數 按實面積比0.213，間距比＜1取0.6，則k1=0.6×1.7=1.02。

一榀貝雷架（3m）風荷載標準值：

Fwh=k0k1k3WdAwh=0.75×1.02×1.0×0.348×（0.213×3×1.5）= 0.25kN，換算為均布荷載：q=255/3=85N/m。

2）非工作狀態：V10=23.9m/s

設計基準風壓：Wd=γV2d

管型構件風荷載標準值：fwh=k0k1k3Wdd=0.75×1.2× 1.0×0.776×d=0.698d

非管型構件風荷載標準值：fwh=k0k1k3Wdd=0.75× 1.3×1.0×0.776×h=0.757h

一榀貝雷架（3m）風荷載標準值：

Fwh=k0k1k3WdAwh=0.75×1.02×1.0×0.776×（0.213×3×1.5）= 0.569kN

換算為均布荷載：q=569/3=190N/m。

（6）設計水流流速1.4m/s。

六是走進網民宣傳，線上線下同步推進。充分利用微信公眾號等新媒體平臺，組織開展“掃黑除惡我點贊”、有獎答題等方式開展宣傳活動，并通過微信朋友圈、微信群等平臺廣泛推送，擴大活動覆蓋面，很好地起到了懲治黑惡、震懾犯罪、擴大影響、鼓舞群眾的積極作用。活動持續10天，共吸引42728人參與。舉辦線下發布會，來自各行業系統及街道轄區的企事業單位及居民代表300余人參加，對組織活動有力的單位給予表彰獎勵，邀請獲獎單位做經驗交流，市民代表談看法感受。

3　上部整體結構設計

3.1工況分析

考慮公路-I級荷載（最大55t車輛荷載）小于施工車輛荷載（掛-80荷載），本項目棧橋設計以施工荷載作為控制工況，各工況下荷載組合見表1。

表1　各控制工況下荷載組合表

各工況荷載組合如下：

工況一：空載渡洪

荷載組合：1.2×①+1.4×（②+③）

工況二：履帶吊釣魚法施工棧橋

荷載組合：1.2×①+1.4×⑥+0.6×1.4×（②+③）

工況三：公共車道以公路-I級荷載控制，施工通道以掛-80控制

荷載組合：1.2×①+1.4×⑤+0.6×1.4×（②+③+④）

（1）約束條件：1）鋼管樁在樁底固結；2）主橫梁與樁頂固接；3）主橫梁與貝雷鉸接。

（2）計算模型：根據約束條件，建立有限元模型，采用ANSYS有限元軟件進行建模。結構有限元模型如圖3所示，計算結果見表2，最終采用容許應力法驗算貝雷架和主梁結構的應力。

圖3　工況一結構有限元模型

表2　工況一荷載組合作用下結構計算結果表

貝雷桁架和上主橫梁采用Q235B鋼材，其抗剪容許值 ［Q］=245kN，抗彎容許值 ［M］=788kN·m，橫橋向位移23mm＜L/400=30mm，縱橋向位移 0.6mm，豎向位移1.0mm。各構件強度滿足要求。

3.3工況二模型計算分析

（1）約束條件：1）鋼管樁在樁底固接；2）主橫梁與樁頂固接；3）主橫梁與貝雷鉸接。

（2）計算模型：根據約束條件，建立有限元模型，采用ANSYS有限元軟件進行建模。結構有限元模型如圖4所示，計算結果見表3，最終采用容許應力法驗算貝雷架和主梁結構的應力。

圖4工況二結構有限元模型

表3　工況二荷載組合作用下結構計算結果表

貝雷桁架和上主橫梁采用Q235B鋼材，其抗剪容許值 ［Q］=245kN，抗彎容許值 ［M］=788kN·m，橫橋向位移25.0mm＜L/400=30mm，縱橋向位移 0.4mm，豎向位移10mm。各構件強度滿足要求。

3.4工況三模型計算分析

（1）約束條件：①鋼管樁在樁底固接；②主橫梁與樁頂固接；③主橫梁與貝雷鉸接。

（2）計算模型：根據約束條件，建立有限元模型，采用ANSYS有限元軟件進行建模。結構有限元模型如圖5～9所示，計算結果見表4，最終采用容許應力法驗算貝雷架和主梁結構的應力。在公共車道施加汽車-I級移動荷載，施工專用車道施加掛-80移動荷載。

圖5移動荷載分析模型

圖6 12m跨中貝雷彎矩影響線-公共車道

圖7 12m跨中貝雷彎矩影響線-專用車道

圖8　樁頂貝雷剪力影響線-公共車道

圖9　樁頂貝雷剪力影響線-專用車道

表4　工況二荷載組合作用下結構計算結果表

貝雷桁架和上主橫梁采用Q235B鋼材，其抗剪容許值 ［Q］=245kN，抗彎容許值 ［M］=788kN·m，橫橋向位移27.5mm＜L/400=30mm，縱橋向位移 6.8mm，豎向位移16mm。各構件強度滿足要求。

4　結語

該項目臨時鋼棧橋工程采用45c工字型鋼作為上橫梁，采用組合貝雷桁梁作為主縱梁，形成上部三孔一聯的連續梁結構。在設計時充分考慮了通行的車輛荷載以及施工車輛荷載，對施工過程中可能出現的極端荷載情況運用有限元軟件進行了假設模擬，并進行結構驗算，驗算結果均能夠滿足要求。對施工極端荷載情況進行模擬能夠有效避免施工過程中出現安全事故，對項目造成不必要的損失，某種程度上節約了項目成本，提高安全穩定性。

［1］孟潔平，易云焜.金門大橋深水區施工棧橋設計［D］.北京：公路，2015.

［2］中華人民共和國交通部.JTGD60-2004，公路橋涵設計通用規范［S］.北京：人民交通出版社，2004.