手算與有限元分析結合在鋼便橋驗算中的運用

藍偉鋒

（中鐵港航東南海洋工程有限公司，福建 福州 350026）

1 工程概況

1.1 平面布置

鋼便橋長252m、寬6m。

1.2 結構形式

鋼便橋跨徑12m，每排設2 根φ630×10mm 鋼管樁作基礎，間距4.4m；樁頂開槽，安裝雙拼I40b 工字鋼橫梁，橫梁上設3 組雙排單層321 型貝雷片縱梁，貝雷片間距0.9m，組距1.35m。縱梁上設I25b 工字鋼橫向分配梁，間距0.795m、0.705m。橫向分配梁上設I12.6 工字鋼縱向分配梁，間距0.3m。I12.6 縱向分配梁上設δ10mm 防滑鋼板做為橋面板。鋼管樁橫向支撐采用[25 槽鋼。如圖1、圖2所示。

圖2 橫斷面示意圖

1.3 材料參數

本工程鋼便橋除貝雷片縱梁采用16Mn 鋼材外，其余均采用Q235B。

2 上部結構有限元分析

2.1 建模

取鋼便橋中間3×12m 建模，模型如圖3所示。

圖3 鋼便橋分析模型

2.2 邊界條件

（1）鋼管樁在嵌固點處固接(采用假想嵌固點)；

（2）鋼管樁與橫梁彈性連接；

（3）橫梁與貝雷梁彈性連接；

（4）貝雷梁與橫向分配梁彈性連接；

（5）橫向分配梁與縱向分配梁彈性連接；

（6）縱向分配梁與面板彈性連接；

（7）兩相鄰貝雷梁之間共節點，同時釋放梁端約束。

2.3 荷載

（1）結構自重荷載：由軟件自動計入。

（2）12m混凝土攪拌車滿載45t，軸重分布如圖4所示。

圖4 混凝土攪拌車軸重分布示意圖

（3）70t 履帶吊：自重61t，吊重10t，履帶尺寸為5.15m×0.76m，履帶中心間距4.0m。

（3）水流力、風荷載根據《港口工程荷載規范》（JTS 144-1-2010）計算。

（4）臨時材料堆放、人群荷載、管線荷載：5kN/m2。

表1 荷載系數

結構重要性系數：取1.0

調整系數：取1.0

沖擊系數：取1.1

2.4 工況

工況一：履帶吊作業；

工況二：混凝土攪拌車通行；

工況三：車輛停止通行，抵抗臺風。

2.5 分析結果

經驗算，橫梁、橫向分配梁、縱向分配梁、面板在最不利工況下組合應力均小于Q235B 鋼材強度設計值215Mpa，其中，最大值出現在縱向分配梁，值為132.9Mpa。貝雷片縱梁最大組合應力為253.7Mpa，小于16Mn 鋼材強度設計值310Mpa，貝雷縱梁最大豎向變形為12.6mm，小于L/400=30mm。

鋼管樁基礎最大支反力為798.8kN（詳見圖5），鋼管樁最不利工況下的最大彎矩為87.51kN·m（詳見圖6），鋼管樁穩定性、入土深度計算中采用此數據進行手算。

圖5 鋼管樁最大支反力

圖6 鋼管樁最大彎矩

3 鋼管樁基礎手算

3.1 鋼管樁穩定性分析

鋼管穩定性分析考慮車輛正常行駛荷載、車輛制動荷載、安裝誤差、水流力及風荷載。

3．1．1 樁基嵌固點

3．1．2 鋼管樁軸心受壓穩定系數計算

3．1．3 鋼管樁偏心彎矩計算

3．1．4 最不利工況鋼管樁彎矩

根據上部結構有限元分析結果，鋼管樁最不利工況下的最大彎矩為87.51kN·m。

3．1．5 鋼管穩定性計算

根據《水運鋼結構設計規范》（JTS 152-2017），壓彎鋼管的整體穩定按下列公式進行計算：

將鋼管樁彎矩、軸力代入上述公式，經計算，鋼管樁壓彎穩定相當折算應力為110MPa ≤215Mpa，滿足承載力要求，穩定性滿足要求。

3.2 鋼管樁入土深度計算

3．2．1 工程地質情況

自上而下，場地巖土層主要有淤泥①厚22.52m、淤泥質土②厚10.70m、粉質粘土③厚7.10m、砂土狀強風化凝灰熔巖④厚12.90m。

3．2．2 樁基設計參數

表2 樁基設計參數

3．2．3 單樁承載力驗算

鋼管樁按樁尖進入粉質粘土③層0.5m 考慮，總入土深度33.72m。

綜上所述，整體結構承載力、剛度、穩定性滿足要求。

4 結語

該鋼便橋采用手算與Midas Civil 軟件分析相結合的方法進行驗算，在三種不同工況下承載力、剛度和穩定性滿足要求。實踐證明，該高樁碼頭施工鋼便橋設計是合理可行、安全可靠的。Midas Civil 軟件建模的便捷性，為結構優化節省了大量時間，其計算結果的精確度也確保了后續樁基手算的可靠性。常規手算與Midas Civil 軟件結合在類似施工臨時結構驗算方面具有參考價值。