基于有限元模型的大流速區(qū)鋼棧橋靜力分析

■高興贊 游德泉 尹棟佳

（1.湖北交投宜昌投資開發(fā)有限公司，宜昌 443000；2.福建省交通科研院有限公司，福州 350004；3.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，武漢 430051）

黃河水流分為枯水期和汛期， 水位隨季節(jié)性雨水的變化比較明顯。 從前一年的12 月到當(dāng)年的4 月為枯水期，6 月開始進(jìn)入汛期，7-9 月是黃河蘭州段的洪水期，黃河水量最小值出現(xiàn)在每年的3、4 月。據(jù)實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)， 該地區(qū)水流最大流速以3 m/s 考慮，平均流速按1.5 m/s 考慮。 臨時(shí)棧橋一般處在惡劣的環(huán)境之中，其風(fēng)、浪、流等環(huán)境荷載可能是控制棧橋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素[1～2]，特別是在洪水期棧橋受力復(fù)雜， 而目前對于處于該條件下的棧橋研究較少。本研究在考慮水流動荷載的情況下，對大流速區(qū)棧橋展開有限元模型的靜力分析，以期得到不同工況下的受力及位移情況，從而得出相應(yīng)的結(jié)論，為以后黃河流域乃至全國其他流域類似工程的設(shè)計(jì)與施工提供一定的理論參考。

1 工程概述

由于某黃河大橋施工難度大，為了方便大橋施工而興建了臨時(shí)棧橋。設(shè)計(jì)最高水位1 543 m，河床標(biāo)高1 537～1 539 m。勘察期間水位高程一般1 541.0 m，最高水位1 543.0 m 施工水位1 540 m， 水面寬度300 m，水深1.0～3.0 m。 該橋址處多卵石。

該棧橋既作為主橋施工的平臺，也充當(dāng)了施工車輛和普通車輛的運(yùn)行通路，任務(wù)艱巨，棧橋規(guī)模較大，總長度約360 m，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較高。 本棧橋采用了板凳樁形式，板凳結(jié)構(gòu)即橫橋向樁有3～6 排不等的樁， 樁與樁之間的距離大概4～5 m。 順橋向樁與樁之間的距離大概6 m 左右，每根樁的長度、外徑、壁厚等規(guī)格都相同。 鋼管樁的外徑為0.82 m，內(nèi)徑為0.804 m，鋼管樁壁厚為0.008 m。 樁與樁之間由平聯(lián)連接，平聯(lián)也采用材料相同的鋼管，平聯(lián)鋼管樁的外徑為0.426 m，內(nèi)徑為0.414 m，平聯(lián)鋼管樁的壁厚為0.006 m。 貝雷梁的縱梁材料為工12.6，間距為0.3 m。 貝雷梁與樁基之間由橫梁連接，橫梁材料為2 工45a。 面層采用厚10 mm 的鋼板，總橫斷面寬12 m。 Q235 鋼材料特性如下：Q235 鋼彈性模量：210 GPa；泊松比：0.3；密度：7850 kg/m3。 鋼棧橋結(jié)構(gòu)圖見圖1、圖2。

圖1 橋梁平面布置圖（局部放大）

圖2 橋梁立面圖（局部放大）

2 鋼棧橋荷載計(jì)算

2.1 恒載

針對本工程，恒載僅考慮結(jié)構(gòu)自重。

2.2 活載

（1）人群荷載：3.0 kN/m2；（2）車輛荷載：①80 t履帶吊，吊重20 t，共計(jì)100 t。履帶吊正吊時(shí)荷載均分在兩個(gè)履帶， 側(cè)吊時(shí)荷載考慮作用在單側(cè)履帶上。 單個(gè)履帶著地面積：5 440 mm×800 mm；履帶中心距：2.6～4.2 m。 ②掛-80，車輪布置見圖3，滿載情況下，每個(gè)車輪著地面積為0.3 m×0.2 m。

圖3 掛-80 車車輪位置圖

2.3 風(fēng)荷載

風(fēng)速：V10=16.0 m/s。 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)壓[3]：

式中：Wd為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)壓；Vd為高度Z 處的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)；Vd= K2K5V10；K0為換算參數(shù)， 取值0.75；K1為風(fēng)載阻力系數(shù)；K2為風(fēng)速隨高度變化的修正系數(shù)，按A 類5 m 取值，即K2=1.08；K3為地形、地理?xiàng)l件系數(shù)，取值1.0；K5為陣風(fēng)風(fēng)速系數(shù)，取值1.38。

（3）貝雷風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算：

桁架的風(fēng)載阻力系數(shù)1.7； 遮擋系數(shù)η 按實(shí)面積比0.213，間距比<1，取值0.6[3]，

通過計(jì)算可得：

通過計(jì)算可得：

2.4 水流荷載

最高水位1 543 m，河床面標(biāo)高1 538 m，流速3.0 m/s。 根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》計(jì)算[4]：

式中：Fw為水流動荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kN)；v 為設(shè)計(jì)流速(m/s)；v=3.0 m/s；Cw為水流阻力系數(shù)，規(guī)范規(guī)定圓形墩柱取值0.73；ρ 為水的密度(t/m3)，取值1.0；A為構(gòu)件在豎直方向的投影面積(m2)。

后排樁遮流影響系數(shù)0.81，則求得鋼管樁水流荷載：

隨著居民消費(fèi)結(jié)構(gòu)的升級，中國消費(fèi)市場對乳制品的需求明顯增加。以2016年為例，中國乳制品進(jìn)口總量約195.56萬噸，同比增長21.4%。其中，鮮奶、酸奶進(jìn)口量增長明顯:鮮奶進(jìn)口63.41萬噸，同比增長 38%，酸奶進(jìn)口 2.1萬噸，同比增長104.3%。另外，乳清粉、奶油、乳酪、奶粉的進(jìn)口漲幅均在10%以上。近十年，中國乳制品進(jìn)口量變化趨勢如圖1所示①數(shù)據(jù)是根據(jù)2007—2016年商務(wù)部相關(guān)數(shù)據(jù)整理所得。。

規(guī)范規(guī)定下部構(gòu)件頂面在水面以上時(shí)，水流力作用點(diǎn)位于水面以下1/3 高度處， 所以本研究水流力作用點(diǎn)標(biāo)高為：1543-5/3＝1541 m。

以上計(jì)算荷載形式為等效集中靜力荷載，即水流力以靜載形式集中施加于計(jì)算作用點(diǎn)上。

3 鋼棧橋結(jié)構(gòu)MIDAS/Civil 模型建立

3.1 確定邊界條件

鋼管樁分析的重點(diǎn)之一就是鋼管樁與土之間的關(guān)系[5]。 本研究中將選用假想嵌固點(diǎn)法來進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)樁的入土深度大于4 T 時(shí)，則該樁為彈性長樁[6]，其中T 為樁的相對剛度，計(jì)算公式如下：

式中：Ep為樁材料的彈性模量（kN/m2）；Ip為樁截面的慣性矩（m4）；m 為樁側(cè)土的水平抗力系數(shù)隨深度增加的比例系數(shù)（kN/m4）；b0為樁的換算寬度（m）；計(jì)算可得：

式中：t 為受嵌固點(diǎn)的深度（m）；η 為系數(shù)，取值1.8～2.2，本研究中取2.2，結(jié)合公式8、公式9 計(jì)算可得：

本研究中樁底入土深度取5 m， 河床面高程1 538 m，所以嵌固點(diǎn)高程為1 533 m。

邊界條件：計(jì)算時(shí)樁底固接；橫梁與樁基頂部固接；橫梁與貝雷梁鉸接。

3.2 模型建立

運(yùn)用MIDAS/Civil 軟件建立全橋結(jié)構(gòu)模型，模型節(jié)點(diǎn)共74 381 個(gè)，單元共98 379 個(gè)，橋梁鋼管柱沿順橋向依次編號為0#～40#， 橫橋向依次編號為A、B、C、D……，建立模型見圖4。

圖4 全橋模型標(biāo)準(zhǔn)視圖

4 鋼棧橋靜力分析

本研究靜力分析過程根據(jù)不同時(shí)期的荷載不同分為兩種情況分析，分別為施工車輛運(yùn)行、普通車輛運(yùn)行兩種情況。 兩種情況的荷載組合見表1。

表1 不同時(shí)期荷載介紹

各情況下荷載組合如下：

施工車輛運(yùn)行情況荷載組合：1.2×①+1.4×（④+⑥）+0.75×1.1×②+0.75×1.4×③；

普通車輛運(yùn)行情況荷載組合：1.2×①+1.4×⑤+0.75×1.4×（③+④）+0.75×1.1×②。

荷載公式中：①為自重、②為風(fēng)荷載、③為水流動荷載、④為人群荷載、⑤為車輛荷載、⑥為履帶吊荷載。

4.1 運(yùn)行施工車輛靜力分析

該情況下，不同荷載的位置情況下，在運(yùn)行施工車輛時(shí)的下部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形計(jì)算結(jié)果見表2。運(yùn)行施工車輛時(shí)位移計(jì)算結(jié)果： 橫橋向位移5.0 mm，縱橋向位移1.6 mm，豎向位移3.4 mm。

通過運(yùn)行施工車輛時(shí)的靜力分析可知，鋼管樁的受力情況和位移情況滿足規(guī)范要求。 該時(shí)期鋼管樁最不利情況出現(xiàn)在履帶吊側(cè)吊行駛至鋼管柱編號為7#～8# 樁位置處， 鋼管樁應(yīng)力以及橫向位移最大。

4.2 運(yùn)行普通車輛靜力分析

在運(yùn)行普通車輛時(shí)該棧橋的下部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形計(jì)算結(jié)果見表3。 運(yùn)行普通車輛時(shí)位移計(jì)算結(jié)果：橫橋向位移4.6 mm，縱橋向位移1.2 mm，豎向位移2.4 mm。

表3 運(yùn)行普通車輛時(shí)受力計(jì)算結(jié)果

通過運(yùn)行普通車輛時(shí)的靜力分析可知，該棧橋鋼管樁的受力情況和位移情況滿足規(guī)范要求。 工作期鋼管樁最不利情況出現(xiàn)在掛車-80 行駛至鋼管柱編號為3#～4# 樁位置處，鋼管樁應(yīng)力以及橫向位移最大。

5 結(jié)論

靜力分析利用MIDAS/Civil 有限元軟件建立全橋模型，重點(diǎn)分析大流速河水區(qū)域的橋梁基礎(chǔ)的應(yīng)力、內(nèi)力和位移情況，并與規(guī)范控制值進(jìn)行對比分析。 根據(jù)實(shí)際情況，本研究分兩個(gè)工況進(jìn)行了計(jì)算，通過計(jì)算結(jié)果總結(jié)如下：（1）棧橋基礎(chǔ)的內(nèi)力最不利情況出現(xiàn)在運(yùn)行施工車輛時(shí)期， 剪力、 彎矩、應(yīng)力、位移等均達(dá)到最大值；棧橋基礎(chǔ)的靜力分析合理，應(yīng)力、內(nèi)力、位移等各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到規(guī)范要求，能夠確保安全；（2）通過有限元模型可以獲得棧橋最不利的荷載工況以及最不利位置，作為計(jì)算分析的關(guān)鍵控制；（3）在大流速區(qū)域結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的驗(yàn)算，通過對水流參數(shù)的合理計(jì)算及引用有效的規(guī)范取值，獲得有效的水流對基礎(chǔ)的荷載作用，準(zhǔn)確計(jì)算基礎(chǔ)的受力；（4）建議在類似大流速工程實(shí)踐中，對施工棧橋的設(shè)計(jì)特別注意施工期車輛和施工機(jī)械荷載分析， 尤其對于履帶吊等大型施工機(jī)械集中位置，應(yīng)特別加固車輛偏載嚴(yán)重受壓區(qū)域的樁基礎(chǔ)，以增強(qiáng)其抗彎與抗剪能力。