變跨變幅鋼棧橋結構設計及受力性能分析

摘要：【目的】為了研究變跨變幅鋼棧橋在多荷載工況下的承載性能。【方法】以向莆聯絡線向莆左線特大橋施工中的一座鋼棧橋為研究對象，通過橋梁有限元軟件Midas civil建立數值模型，分析其在5種不同工況下各個構件的受力狀態。【結果】研究結果表明：鋼棧橋貝雷梁在各種工況作用下，結構強度及剛度均有較大安全富余；樁頂分配梁在工況1及工況2作用下，其折算應力的安全富余系數較小，僅為1.23和1.20，工況5作用下其剛度的安全富余系數為1.20，施工過程中需要避免過重的臨時荷載堆放；鋼管立柱在工況5作用下的正應力安全富余系數僅為1.50，施工過程中應采取措施確保施工的安全性；轉角處三角區設計符合結構性能要求。【結論】研究成果可為同類棧橋設計提供借鑒。

關鍵詞：鋼棧橋；結構設計；受力性能；變跨；變幅

中圖分類號：U448 文獻標志碼：A

本文引用格式：代紅偉，鄭尚敏，程海根. 變跨變幅鋼棧橋結構設計及受力性能分析[J]. 華東交通大學學報，2024，41（4）：45-53.

Analysis of Structural Design and Mechanical Performance in

Steel Trestle with Variable Amplitude and Span

Dai Hongwei1， Zheng Shangmin2， Cheng Haigen2

（1. China Railway 2nd Bureau Group Co.， Ltd.， Chengdu 610031， China; 2. School of Civil Engineering

and Architecture， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， China）

Abstract： 【Objective】 To study the load-bearing capacity of variable span and amplitude steel trestle bridges under multiple loading conditions. 【Method】 A steel trestle bridge in the construction of the Xiangtang-Putian left line special bridge on the Xiangtang-Putian connection railway line is taken as the research object. A numerical model was established by using the bridge limited element software Midas civil to carefully study the stress state of each component under five different conditions. 【Result】 The results show that the bailey beam has a large safety margin under different conditions; the safety margin factor of the pile top distribution beam is small under condition 1 and 2， reaching only 1.23 and 1.20， and the safety margin factor of its stiffness is 1.20 under condition 5. It is necessary to avoid excessive temporary loads during construction; the positive stress safety margin factor of the steel tube column under condition 5 is only 1.50， and measures should be taken to ensure safety during construction; the design of the triangular area at the corner meets the structural performance requirements. 【Conclusion】 The results may provide some reference for the design of similar trestle bridges.

Key words： steel trestle; structural design; mechanical performance; variable-span; amplitude

Citation format： DAI H W， ZHENG S M， CHENG H G. Analysis of structural design and mechanical performance in steel trestle with variable amplitude and span[J]. Journal of East China Jiaotong University， 2024， 41（4）： 45-53.

【研究意義】棧橋是橋梁施工過程中的一種重要臨時結構，通常用于跨越水域或地面障礙，為施工人員和設備提供通道。鋼棧橋因其承載能力強，可重復利用，適應性強，耐久性好等特點而在橋梁建設中得到廣泛應用[1]。

【研究進展】由于鋼棧橋在橋梁施工中的重要地位，要求其結構設計具有足夠的安全性，為了保證鋼棧橋在使用過程中的安全性，已有很多學者對其力學性能及結構設計開展相關研究。丁玉春等[2]對小浪底庫區黃河特大橋高鋼棧橋的施工方法進行研究，提出了一種新型鋼棧橋施工方法以適應當地特殊地形的要求；王琳琳[3]開展水上鋼棧橋的設計與施工關鍵技術研究，并通過有限元軟件對結構的設計進行了模擬分析；王燎原[4]對裸巖地層條件鋼棧橋的施工技術進行研究，研制出一套行之有效的施工方法，保證了工程的順利完成。張樂[5]研究了實際工程中的鋼棧橋施工順序以及構件之間的限位裝置適用性，為其設計提供了一定的參考依據；王東輝等[6]針對平潭海峽公鐵兩用大橋的鋼棧橋受力進行了研究，分析其在4種狀態下不同荷載組合下結構的安全可靠度；盛朝亮[7]對一全長216 m 的鋼棧橋進行設計研究，對其強度、變形以及穩定性進行分析；郭曉松[8]通過有限元軟件Midas civil分析鋼棧橋在不同工況下的力學性能，研究成果為鋼棧橋的節點設計提供了一定的參考；姜楓等[9]通過對鋼棧橋不同工作狀態及施工狀態下力學性能進行分析，并提煉出重要的力學性能指標；鄭晶達[10]對鋼棧橋施工過程中的穩定性進行分析，提出了提高其穩定性的措施；史雙濤等[11]通過試驗研究了鋼棧橋在走車情況下的動力響應狀態，以確定車輛在鋼棧橋上的最佳行駛速度；甄志超[12]對一高速公路高架橋施工中的鋼棧橋開展了設計與施工研究，提出的設計思路及施工要點為相關工程提供了借鑒。陳峰[13]，馮燕平等[14]以一連續梁橋施工用的鋼棧橋為研究對象，通過數值模擬的方式研究其在洪水作用下的穩定性，并提出了提高其穩定性的措施；鄧文豪[15]開展了在季節性強落差下的水文及地質條件下，鋼棧橋的穩定性及抗洪能力的設計研究。

【創新特色】以上研究工作針對鋼棧橋的設計、施工以及力學性能等方面開展，所得研究成果對實際工程的施工具有重要意義，然而，上述研究均是針對常規鋼棧橋結構，針對非常規鋼棧橋的設計及力學性能研究目前尚鮮見報道。

【關鍵問題】隨著我國鐵路的高速發展，由于線路設計及保護耕地等原因，鄰近線路越來越多，線路中橋梁施工所需要的鋼棧橋線路就需要依據實際情況而做創新設計，出現了變跨變幅鋼棧橋。為了保證橋梁施工的安全性，有必要對這種非常規鋼棧橋的設計方法及受力性能開展研究。

1 工程概況

1.1 鋼棧橋概況

本文所研究的鋼棧橋位于向莆聯絡線向莆左線特大橋127#～133#北側，崗上梁場西南側。鋼棧橋共6聯，全長（24+33+45+27+18+27）m，最大跨度 9.0 m，第1～4聯橋寬11.0 m，第5，6聯共用向莆聯絡線131#～133#墩橋位并加寬，最大寬度為23.9 m，最小寬度為12.2 m。鋼棧橋第5，6聯與滬昆客專贛江特大橋橋梁邊緣凈距 12.5 m，向莆聯絡線與滬昆客專線間距25.0 m，架橋機與滬昆高鐵橋梁邊緣水平距離約9.0 m，與滬昆高鐵接觸網立柱距離9.0 m，向莆聯絡線梁面高于杭長線梁面約0.4 m，鋼棧橋三維設計圖如圖1所示。

1.2 鋼棧橋結構形式

鋼棧橋共6聯，全長（27+18+27+45+33+24）m，設置有P1～P22，共計22個主墩，其中第1、3、6聯為“三跨一聯體系”，第2聯為“兩跨一聯體系”，第4聯為“六跨一聯體系”，第5聯為“四跨一聯體系”。第1～4聯11.0 m寬標準棧橋上部結構縱梁由44片貝雷架組成，2～3片作為一組，同一組貝雷架之間采用45支撐架或22.5型支撐架連接，第5，6聯棧橋加寬位置根據寬度適當增設貝雷架。鋼管立柱之間連接系采用Φ426×6 mm鋼管連接，樁頂設置雙拼HN700×300×13×24橫梁，橫梁上為貝雷架縱梁，縱梁上設20a工字鋼橋面分配梁，布置間距0.3 m，橋面采用14 mm鋼板加防滑短鋼筋滿鋪，橋頭及三角區位置在橋面鋼板上鋪16 mm鋼板搭接過渡。

1.3 鋼棧橋設計

1.3.1 上部結構設計

鋼棧橋上部結構采用貝雷架，橋面系為20a工字鋼（含14工字鋼縱向加勁梁）+14 mm 花紋鋼板，鋼板與Ⅰ20a 型型鋼之間采用間斷焊100@100 mm，焊腳高度不小于6 mm，20a工字鋼與貝雷架之間采用卡槽固定連接。第1～4聯11.0 m寬標準棧橋上部結構縱梁由44片貝雷架組成，2～3片作為一組，同一組貝雷架之間采用22.5支撐架或45型支撐架連接，第5，6聯棧橋加寬位置根據寬度適當增設貝雷架。鋼管立柱頂設置雙拼HN700×300×13×24型鋼橫梁，梁上為貝雷架縱梁，縱梁上設20a工字鋼橋面分配梁，布置間距0.3 m，14工字鋼縱向加勁梁橫橋向間隔1.25 m設置，橋面采用14 mm鋼板滿鋪，橋頭及三角區位置在橋面鋼板上鋪16 mm的鋼板搭接過渡。棧橋橋面兩側設欄桿進行保護，欄桿布置間距0.9 m，高1.2 m，棧橋端部設置混凝土車檔，以防止車輛沖出棧橋。

1.3.2 下部結構設計

下部結構采用鋼管立柱+樁頂系梁+樁基，鋼管立柱均采用Φ820×12 mm鋼管樁，柱間通過Φ426×6 mm鋼管連接系連接。11 m寬標準棧橋采用單排鋼管樁支撐，每排由 4根鋼管樁組成，每聯兩段設置一組雙排制動鋼管樁，基礎采用混凝土灌注樁，樁徑1 m，鉆孔灌注樁樁長為21～23 m，樁基上方為C30鋼筋混凝土樁頂系梁，樁頂系梁高1.2 m，寬1.5 m，長度根據鋼管立柱的數量變化不等。鋼棧橋中選用的鋼管、型鋼及鋼板等材料為Q235B，材料參數根據相關規范[20]取值。

2 荷載類型及取值

依據鋼棧橋實際施工及運營過程的情況，本文考慮的荷載形式有恒載（自重、不均勻沉降），活載（YL900運梁車和YL450運梁車）以及其他可變荷載（行人荷載、風載及溫度和荷載），各種取值如表1所示。

3 結構分析模型建立

通過建立的鋼棧橋整體數值模型對棧橋的下部結構及上部結構承載能力進行研究，主要研究的部位包括：橫梁→貝雷梁→橫向分配梁鋼→鋼管立柱及連接系→轉角處。鋼棧橋細部構造的驗算主要采用車輛荷載，車輛荷載根據實際情況取實際運營車輛。

選取的分析對象為（4×9 m）連續梁及（5.6+9+9）m第6聯平臺，采用橋梁通用有限元軟件Midas civil建立數值分析模型，其中貝雷梁、鋼管立柱及連接件采用梁單元模擬，而貝雷梁之間的橫向連接采用桁架單元模擬，邊界條件按施工現場模擬，模型如圖2所示。

4 結構受力分析

通過本文建立的有限元模型對變跨、變幅鋼棧橋進行研究，分析其在不同不利施工工況下，結構的整體及局部力學性能。根據棧橋在施工過程中所受的各種施工荷載，根據相關規范[20]，給出施工過程中最不利的5種施工工況，具體組合如表2所示。

4.1 貝雷梁分析

作為鋼棧橋的上部結構，貝雷梁的受力性能狀態對結構整體性能的影響非常大，通過本文建立的有限元模型分析施工過程中不同工況下貝雷梁各構件的受力狀態以及變形情況。得到如下結果：圖3（a），圖3（b）為工況3弦桿的應力云圖，圖3（c），圖3（d）為工況5腹桿的應力云圖。表3為各工況下貝雷梁弦桿、腹桿的應力最大值及撓度最大值。

由圖3及表3可知，不同荷載工況作用下，貝雷梁中弦桿與腹桿的應力最大值分布狀態各不相同。弦桿的正應力最大值171.4 MPa發生在工況5，即900 t運梁車載梁行走在11 m寬棧橋時，而腹桿則在工況4中達到了最大正應力191.3 MPa。而在剪應力最大值分布中，二者最大值均出現在工況3，其中弦桿剪應力最大值為87.0 MPa，腹桿剪應力最大值60.6 MPa。由此可知，貝雷梁的各構件應力最大值在各個工況中均小于允許應力273.0 MPa，然而施工中需特別注意應力最大的工況，避免現場出現較大施工臨時荷載。在貝雷梁剛度分析的各工況中，弦桿的變形最大值發生在工況5，為9.2 mm，小于允許撓度 22.5 mm，說明貝雷梁具有較強的剛度。

4.2 樁頂分配梁分析

依據鋼棧橋的結構特點，施工過程中，橋上的施工荷載均通過樁頂的分配梁進行荷載分配，再施加于樁上。從受力的角度分析，該構件的應力狀態也非常關鍵，在設計過程中需要開展不同受力工況下的結構分析，明確應力分布狀態。分析結果如圖4所示，其中圖4（a）為工況3作用下分配梁正應力云圖，圖4（b）為工況2作用下分配梁剪應力云圖，各工況分析結果最大值如表4所示。

由圖4及表4的數據可知，不同荷載工況作用下，樁頂分配梁的正應力、剪應力及撓度最大值分布狀態均不同，其中正應力最大值出現在工況3中，為71.9 MPa，小于允許應力190 MPa，而剪應力最大值出現在工況2，為79.6 MPa，小于允許應力110 MPa。由于樁頂分配梁同時承受正應力與剪應力的共同作用，根據相關規范[20]開展折算應力分析，表4結果顯示折算應力均小于1，滿足要求，然而有些工況中的安全富余系數較小（如工況1、2）僅為1.23及 1.20，施工過程中需要避免過重的臨時荷載堆放。由表4中各工況下分配梁的撓度最大值可知，最大撓度為5.2 mm，出現在工況5，小于允許撓度6.25 mm。由于安全富余系數僅為1.20，施工中需要注意該工況的施工安全性。

4.3 鋼管立柱及連接系分析

對鋼棧橋的鋼管立柱及連接系進行分析，鋼棧橋在施工運營過程中，荷載最終是通過貝雷梁傳遞到鋼管立柱，然后傳遞到地基，所以鋼管立柱是直接承擔了鋼棧橋上部結構的全部荷載，其受力狀態直接影響到結構的安全性，通過數值模擬分析了不同工況下鋼管立柱及連接系的應力狀態，計算結果如圖5、圖6以及表5所示。

由圖5、圖6及表5的數據可知，不同荷載工況作用下，鋼管立柱主要承受軸向力作用，其最大正應力出現在工況5，為126.8 MPa，小于允許應力190 MPa。由表5的數據得，鋼管連接系組成的桁架單元雖然由于剛性節點的存在，主要還是受到軸向力的作用，正應力最大值為81.8 MPa，小于允許應力190 MPa，出現在工況3。結果表明，鋼管立柱在工況5的安全富余系數僅為1.50，而鋼管連接系在各工況作用下均有較大的安全富余。

4.4 轉角處受力分析

由于本文所研究的鋼棧橋是變寬的，通過受力分析可知，結構在轉角處的應力狀態比較復雜，為了保證鋼棧橋在施工過程中的安全性，需對該處進行多工況下的受力分析。取結構最大轉角處為研究對象進行分析，模型如圖7所示，圖中三角處最不利位置有橫向相鄰2個輪壓，單個輪壓取16.8 t，1個輪壓的荷載由3根20工字鋼共同承受，以節點荷載方式作用，單點荷載為5.6 t，荷載組合采用1.1×（1.1×自重+1.4×900 t輪壓×1.05 沖擊），分析結果如圖8所示。

由圖8中數據可知，轉角處結構在最不利荷載組合作用下最大正應力為66.7 MPa，小于允許應力190 MPa，最大剪應力為38.3 MPa，小于允許應力110 MPa，表明轉角處的結構設計完全能滿足鋼棧橋施工過程中的安全性要求。

5 結論

通過橋梁通用有限元軟件Midas civil建立了變跨變幅鋼棧橋的數值分析模型，并進行了多種工況下的受力分析，研究表明：

1） 在不同荷載組合工況下，鋼棧橋整體及各個構件的受力均小于允許應力。

2） 貝雷梁在各種工況作用下，結構強度及剛度均有較大安全富余；樁頂分配梁在工況1及工況2作用下，其折算應力的安全富余系數僅在1.20～1.23之間，工況5作用下其剛度的安全富余系數僅為1.20，施工過程中為了保證結構安全性，需要避免過重的臨時荷載放置；鋼管立柱在工況5作用下的正應力安全富余較小，其安全富余系數僅為1.50，施工過程中應保證其安全性。

3） 轉角處的三角區結構設計可完全滿足施工安全性要求。

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通信作者：代紅偉（1987—），男，工程師，研究方向為橋梁施工工藝。E-mail： 308191140@qq.com。