基于有限元方法的水上鋼棧橋設計

2022-08-25 03:27:48王琳琳

黑龍江交通科技 2022年7期

王琳琳

(重慶交通大學，重慶 400000)

0 引言

進入21世紀以后，隨著交通事業迅速發展，我國的橋梁建設事業進入一個快速發展的時期。與此同時，橋梁施工過程中所需的臨時結構的設計理論和施工技術也逐步走向成熟。在進行橋梁水下基礎施工時，常常修建鋼棧橋作為橋梁施工中的水上通道和作業平臺，以實現在水上環境施工作業的目的。鋼棧橋設計的合理與否關乎其安全性、經濟性以及施工便捷性，而鋼棧橋的工作環境比較復雜，所承受各種荷載也比較大，所以鋼棧橋結構的合理設計就顯得格外重要。近二十年來，隨著有限元理論的發展和計算機計算能力的提高，越來越多的工程開始使用有限元軟件對工程結構進行計算，在此過程中有限元理論的正確性也得到了檢驗。本文以內江供水管線鋼棧橋為例，利用midas Civil對結構進行了驗算并系統闡述了淺覆蓋河床淤泥和重荷載工況條件下的鋼棧橋設計要點。

1 工程概況

內江供水管釜溪管橋為向家壩罐區北總干渠一期一步工程內江供水管線的一部分，主橋采用(60+90+60)m預應力混凝土連續梁橋；引橋采用30 m預應力混凝土現澆箱梁。在該橋施工過程中，設置約99.1 m的施工鋼棧橋，鋼棧橋寬度為6.9 m、9 m(9 m為加寬橋面寬度，加寬段長度為27 m)，布置在大橋右側，棧橋起點與橋頭混凝土硬化的便道相接，棧橋擬以“L”字型布置。考慮水位及浪高，參照20年一遇洪水位272.95 m，考慮到安全高度和鋼棧橋的上部結構高度，鋼棧橋頂部高程275.61 m，高于設計洪水水位約2.66 m。

2 鋼棧橋結構設計

按照國家相關標準和以往設計經驗對鋼棧橋進行如下初步設計，鋼棧橋標準跨跨徑為12 m，鋼棧橋寬度為6.9 m(加寬段寬度為9 m)。為滿足不同的地質情況下的施工需要，基礎結構形式考慮為單排φ630×10 mm(非加寬段橫橋向為3根，加寬段橫橋向為4根。)的鋼管樁基礎，橫橋向樁間距都為2.25 m。

鋼棧橋細部結構設計為：橫橋向樁與樁之間采用雙拼16a號的槽鋼進行連接。鋼管樁上部設置雙拼45c號工字鋼樁頂橫梁，橫梁上設置3排“321”型貝雷片組，貝雷片間距為0.9 m，貝雷組間距為1.35 m，采用90型花架連成整體，貝雷組與組間設置角鋼75×5的剪刀撐。貝雷頂設置25a號工字鋼橫向分配梁(標準間距75 cm)及12.6a號工字鋼縱向分配梁(標準間距24 cm)，橋面板用12號工字鋼和10 mm厚花紋鋼板滿鋪。棧橋共七跨，貝雷片與樁頂橫梁間設置限位裝置，構件之間采用夾具進行固定。鋼棧橋結構構造如圖1。

鋼棧橋中貝雷梁片材料為16 Mn鋼材，其余型鋼均采用Q235鋼材。

圖1 鋼棧橋結構構造圖

3 鋼棧橋仿真模擬

3.1 建立有限元模型

采用大型有限元軟件midas Civil對釜溪河管橋工程鋼棧橋進行結構建模分析，模型共有18 765個單元，13 729個節點，如圖2所示。對于鋼棧橋結構中的鋼管立柱、水平橫聯、樁頂橫梁、橫向工字鋼、縱向工字鋼、貝雷梁等均采用空間梁單元進行模擬。對鋼管立柱底部6個方向的自由度進行約束，鋼管立柱的頂端和樁頂橫梁、橫向工字鋼、縱向分配工字鋼和貝雷梁之間均采用彈性連接來模擬構件實際的簡支約束。

圖2 鋼棧橋有限元模型

鋼棧橋結構計算中的載荷有：結構自重、車輛荷載、施工載荷、水流荷載等。其中50 t混凝土罐車和73 t旋挖機為施工控制荷載，50 t混凝土車按汽-20級重車考慮，73 t旋挖機履帶接地長度為4.6 m，履帶寬度為0.8 m則每條履帶上分布的單位壓力為77.76 kN/m；施工及人群荷載為4 kN/m；水流流速取3 m/s，水流荷載按照《港口工程荷載規范》(JTS 144-1—2010)的計算方法計算。各項荷載的分項系數為1.2，50 t混凝土車的分項系數取1.4。荷載以均布荷載的方式施加到分配梁上。

3.2 計算荷載工況

73 t旋挖機作為最大荷載，將其作為控制荷載。將其作為靜荷載放置在橋面的不同位置作為不同的工況。現選取以下八個最不利工況進行驗算：

工況(1)：50 t混凝土罐車作為移動荷載通過鋼棧橋跨中，為了保守設計，本棧橋設計車輛在通過平臺時應該行駛在鋼棧橋橋邊緣處。

荷載組合：1.2×結構自重+1.4×滿載混凝土罐車自重+0.75×1.4×水流荷載

工況(2)：73 t旋挖機作用在鋼棧橋順橋向上0 m處。