多種重型車輛荷載作用下鋼棧橋安全性分析

梁 奇

（中國鐵建大橋工程局集團有限公司，天津 300308）

大跨橋梁的建設不斷向跨灣跨海區延伸，鋼棧橋及鉆孔平臺的應用越來越廣泛[1-2]。鋼棧橋是在深水橋梁施工過程中，為運輸材料、設備、人員而修建的施工臨時便橋，承擔結構基礎建設的全部工作，不同大型機械設備控制因素較多，且海灣區水文氣象條件差，淤泥層厚，施工工況復雜，需要保障棧橋結構的安全性[3-5]。

許多研究人員對鋼棧橋的安全性進行研究，甄相國等[6]通過MIDAS有限元建模，分析重載作用下鋼棧橋的受力及變形，驗證了結構的安全性。姚琳[7]基于MIDAS對某鐵路橋涵鋼棧橋進行靜動力分析，證明其能夠滿足重型掛車通行的需求。多種重型車輛荷載作用下鋼棧橋安全性探索研究較少。

本文結合新建福廈鐵路安海灣大橋某施工鋼棧橋及平臺，采用Midas/Civil軟件建立精細化FEM，對不同工況下鋼棧橋結構的承載能力進行分析，驗證多種重型車輛復雜工況下鋼棧橋的安全性，為鋼棧橋施工提供參考。

1 荷載簡化計算模型

1.1 工程概況

新建福州至廈門鐵路FX-7標安海灣大橋某墩位施工棧橋，基本跨徑為12 m，部分跨度為9 m，均按7～8孔一聯布置，聯與聯之間設置雙排制動墩，其余為單排非制動墩。橫橋向布置8片貝雷片（加密區設置9片貝雷片）。

施工棧橋橫向布置如圖1所示。

圖1 施工棧橋橫向布置（單位：mm）

貝雷片之間通過豎向支撐架和水平支撐架連接。橋面板采用厚度10 mm的扁豆形花紋鋼板和U肋組成鋼橋面板。鋼管樁墩頂分配梁采用2I45b。制動墩采用雙排鋼管樁，每排3根，縱橫向間距為3.0 m×3.0 m；非制動墩采用單排樁，每排3根，間距為3.0 m。鋼管樁采用φ630 mm×10 mm鋼管。

1.2 荷載組合

本工程鋼棧橋位于安海灣大橋某墩位，設計荷載為公路Ⅰ級55 t汽車荷載，使用荷載為80 t履帶吊機、100 t履帶吊機及120 t掛車，車輛限速20 km/h，一跨12 m貝雷梁上的6級橫向風荷載為4.04 kN，水流力為3 kN，不計沖擊作用。

本文主要研究施工鋼棧橋在復雜荷載作用下結構受力情況。不同機械設備在鋼棧橋上的工作狀態分為5種工況，采用容許應力法設計。

棧橋工作狀態下的計算工況如表1所示。

表1 棧橋工作狀態下的計算工況

1.3 不同工況下簡化計算模型

不同重型車輛荷載輪距和行走方式具有差異，將工況Ⅰ～Ⅱ的輪式車輛荷載簡化為集中力形式，工況Ⅲ～Ⅴ的履帶車輛荷載簡化為均布力形式，分別作用于鋼棧橋最不利位置。

（1）工況Ⅰ：公路Ⅰ級車輛荷載考慮55 t重載汽車通行的不利位置，分別布置于棧橋的跨中和非制動墩頂，輪載分別為P1=15 kN，P2=30 kN，P3=70 kN。

（2）工況Ⅱ：掛車考慮不利位置，分別布置于邊跨跨中、制動墩墩頂和非制動墩墩頂，掛車每處輪載P=75 kN。

（3）工況Ⅲ：80 t履帶吊在墩頂進行吊裝，邊跨正吊時，均布荷載P1=35.4 kN/m；墩頂側吊時，兩側履帶均布荷載分別為P1=42.5 kN/m，P2=28.3 kN/m。

（4）工況Ⅳ：100 t履帶吊在棧橋上行走，均布荷載P1=30 kN/m。

（5）工況Ⅴ：100 t履帶吊在加密區段墩頂進行吊裝，墩頂正吊時，均布荷載P1=34 kN/m；墩頂側吊時，兩側履帶均布荷載分別為P1=40 kN/m，P2=28 kN/m。

不同汽車荷載簡化如圖2所示。

圖2 不同汽車荷載簡化（單位：m）

2 鋼棧橋的基本參數和有限元基準模型

本文采用MIDAS Civil建立鋼棧橋的空間計算模型。主梁為321型標準貝雷桁架，每節鋼桁架長3 m，高1.5 m，構件材料為16Mn鋼。其余構件材料均采用Q235鋼。弦桿、豎桿、斜桿、橫梁、分配梁、鋼管樁及連接系均采用梁單元，花窗采用桁架單元。

貝雷桁梁構件限值如表2所示。

表2 貝雷桁梁構件限值

建立計算模型時，波浪力和水流力作用于鋼管樁上，上部貝雷桁架橫向整體移動對其應力影響不大，在上部結構分析中，可以不考慮波浪力和水流力的作用。根據不同工況下車輛布載位置的不同，分別計算工況Ⅰ～Ⅴ在最不利位置的情況。

不同工況不同加載位置計算模型如圖3所示。

圖3 不同工況不同加載位置計算模型

3 結果與分析

3.1 貝雷梁

對5種工況進行數值模擬分析，得到不同工況下貝雷梁的最大內力和位移，比較同一工況不同荷載位置的內力和位移，得出不同工況的最不利位置。

工況Ⅰ的最不利位置出現在跨中；工況Ⅱ的最不利位置為制動墩頂；80 t履帶吊在邊跨正吊和墩頂側吊時，工況Ⅲ履帶吊邊跨非制動墩邊跨正吊時最不利；100 t履帶吊行走至邊跨、跨中及非制動墩頂時，履帶吊行走至跨中時最不利；100 t履帶吊起重物在制動墩邊跨正吊、制動墩邊跨側吊、非制動墩頂正吊及非制動墩頂側吊時，履帶吊在制動墩邊跨側吊時出現最大內力和位移。弦桿、豎桿、斜桿最大內力值分別為227、191、134 kN，滿足各桿件理論容許承載限值；100 t履帶吊行走至跨中和100 t履帶吊制動墩頂側吊時，貝雷梁最大位移為16.4 mm，滿足位移限值，滿足施工要求。弦桿最大利用率出現在工況Ⅳ，為40.54%，豎桿、斜桿最大利用率出現在工況Ⅴ，分別為90.95%、78.13%。

不同工況最大內力位移如圖4所示。

圖4 不同工況最大內力位移

貝雷梁各桿件分析結果如表3所示。

表3 貝雷梁各桿件分析結果

3.2 其他構件

（1）分配梁、承重梁及連接系。

橋面板分配梁各工況下的最大應力為124 MPa<145 MPa，承重梁及連接系各工況下最大應力75 MPa<145 MPa，滿足施工要求。

分配梁應力分布如圖5所示。承重梁及連接系應力分布如圖6所示。

圖5 分配梁應力分布（單位：MPa）

圖6 承重梁及連接系應力分布（單位：MPa）

（2）鋼管樁。

工況Ⅴ單排樁的最大荷載分別為579、377、404 kN。工作狀態下，履帶吊回轉和離心水平力取36 kN，6級風荷載為4.04 kN，共40.04 kN，鋼管樁計算長度為18.65 m，底部固結，6級風荷載作用在鋼管樁頂，水流力作用在距離樁頂4.1 m處。

鋼管樁工作狀態如圖7所示。

圖7 鋼管樁工作狀態（單位：kN）

經計算得λ=85，折減系數φ=0.75，單根鋼管樁軸力為N=674 kN，彎矩為M=131 kN·m，最大應力為σ=90.2 MPa<145 MPa，鋼管樁穩定性符合施工要求。

4 結語

本文以安海灣大橋某墩位鋼棧橋結構為研究對象，建立MIDAS/CIVIL模型，分析多種重型車輛荷載工況。履帶吊起吊或行走按最不利位置劃分，非制動墩邊跨側吊>制動墩邊跨側吊>跨中行走；邊跨正吊>墩頂側吊。履帶吊正吊或側吊位置應選擇墩頂對稱加載，避免邊跨位置起吊；起吊位置選擇制動墩優于非制動墩。工況Ⅳ鋼棧橋弦桿內力最大，弦桿利用率較低，仍有優化空間，100 t履帶吊行走至跨中時，豎桿及斜桿的利用率最大；100 t履帶吊制動墩邊跨側吊時，豎桿、斜桿的利用率最大，豎桿、斜桿內力值為設計控制要點。貝雷桁架和其他構件通過有限元分析驗算，均小于最大承載能力，驗證了鋼棧橋結構在多種重型車輛荷載作用的可靠性，為鋼棧橋設計施工提供參考。