某通航孔栈桥受力与变形验算

江浪， 陈得良

(长沙理工大学 土木工程学院， 湖南 长沙 410114)

钢栈桥具有运输人员、材料、设备及充当工作平台等功能，被广泛应用于大型桥梁、港口和大坝等基础设施工程中。为保障基础设施建设安全，降低施工成本，需开展临时栈桥施工、使用阶段受力分析。甄相国采用有限元法对某桥施工栈桥承载能力及稳定性进行了验算；孟岩对安慈(安乡—慈利)高速公路一通航栈桥结构进行设计，并对结构进行了验算分析；朱玥莉、霍旭东等对输煤栈桥设计及受力进行了研究；成凯对某桁架式钢栈桥在多种荷载工况下的力学性能进行了分析；陈峰等对某栈桥结构进行了受力计算及洪水作用下稳定性分析；谢辉、田福建等建立有限元仿真模型，对钢栈桥各构件在多种不利荷载组合下的强度、刚度进行了验算。上述研究表明强度和刚度是栈桥全生命周期中的关注重点。该文基于MIDAS/Civil软件，考虑设计荷载及使用车辆荷载情况，对某跨湖钢栈桥通航孔各构件强度、刚度进行验算，为相似工程设计和分析提供参考。

1 工程概况

某钢栈桥通航孔跨径27 m，通航净宽20 m，湖床标高14.46 m，栈桥顶标高22.01 m，桥面宽6 m。上部结构自上而下为10 mm厚花纹钢板、纵向I12工字钢分配梁(间距25 cm)、横向I25a工字钢分配梁(间距35 cm)、双层321型贝雷桁梁、双拼I36b横向工字钢。下部结构采用φ530×8 mm钢管桩基础，桩间采用[12槽钢平联及剪刀撑(见图1)。

图1 通航孔立面示意图(单位：cm)

2 计算参数取值

2.1 主要材料设计指标

321型贝雷梁采用Q345(16Mn)钢材，其余构件采用Q235(A3)钢材。材料设计指标见表1。

表1 主要材料设计指标 MPa

2.2 设计荷载

2.2.1 恒载

采用有限元软件MIDAS/Civil进行建模分析，自重恒载由程序根据模型设定的截面和尺寸自动进行计算。

2.2.2 车辆荷载

该栈桥主要工程车辆有12 m3砼罐车、80 t履带吊及120 t旋挖钻。

(1) 砼罐车荷载。12 m3砼罐车空车20 t，满载总重约50 t，其荷载布置见图2。根据实际情况，一跨内不会出现2辆满载砼罐车。

图2 砼罐车车辆荷载的立面、平面尺寸(单位：m)

(2) 80 t履带吊。履带吊自重80 t，吊重按20 t考虑。侧吊考虑70%重量作用在同一条履带。单个履带着地面积为5.44 m×0.8 m，履带中心距4.2 m。履带荷载按单侧分别为70%和30%加载计算，其两侧压力分别为：

(3) 旋挖钻荷载。420旋挖钻自重120 t，单个履带接地尺寸为6 m×0.8 m，履带中心距3.4 m。履带轮压为：

2.2.3 风荷载

该栈桥所在地区常年平均风速2.0 m/s，台风时期风速一般可达8～12级，最大可达12级以上。施工及使用期出现6级风(10.8～13.8 m/s)时应停止施工。栈桥正常工作期风速按13.8 m/s取值，计算得6级风荷载作用下，贝雷主桁梁单位长度上的顺风向等效静阵风荷载为0.583 kN/m，钢管桩为0.049 kN/m。

2.2.4 水流力

取水流速度0.8 m/s,计算得前排钢管桩水流力为1.51 kN，后排钢管桩水流力为0.99 kN,合力的作用点为设计水位线以下1/3水深处。

2.3 荷载组合

通航孔一跨内严格按单车工作，工况见表2。

表2 钢栈桥计算工况

根据JTG D60-2015《公路桥涵设计通用规范》，公路桥涵结构按承载能力极限状态设计时，应考虑荷载分项系数及有关规定所列荷载系数和调整系数，作用基本组合的效应设计值按下式计算：

Sud=

式中：Sud为承载能力极限状态下作用基本组合的效应设计值；γ0为结构重要性系数；S()为作用组合的效应函数；γGi为第i个永久作用的分项系数；Gik为第i个永久作用的标准值；γQ1为汽车荷载的分项系数；γL1为汽车荷载的结构设计使用年限荷载调整系数；Q1k为汽车荷载的标准值；ψc为作用组合中除汽车荷载外其他可变作用的组合值系数，取ψc=0.75；γLj为第j个可变作用的结构设计使用年限荷载调整系数；γQj为作用组合中除汽车荷载、风荷载外其他第j个可变作用的分项系数；Qjk为作用组合中除汽车荷载外其他第j个可变作用的标准值。

栈桥设计安全等级为二级，取γ0=1.0；当钢桥采用钢桥面板时，γG=1.1；γQ1=1.4；γLj=1.0；ψc=0.75；作用组合中除汽车载荷、风荷载外的其他可变作用的分项系数γQj=1.4，风荷载的分项系数γQj=1.1。该栈桥的工况荷载组合为1.1×恒载+1.4×车辆荷载+0.825×6级风荷载+1.05×水流力。

结构刚度验算采用荷载效应的标准组合：

Sd=SGk+∑SQik

式中：Sd为荷载的标准组合；SGk为自重荷载；SQik为第i个可变作用荷载值。

主梁等受弯构件容许挠度值为L/400,其中纵横向分配梁、贝雷梁竖向位移容许值为50 mm，承重梁为5.75 mm。

3 数值建模

施工现场贝雷梁与承重梁采用卡扣限位，上下层贝雷梁采用螺栓固定，横向分配梁与贝雷梁、纵向分配梁间采用点焊。因各构件接触方式复杂，分配梁与贝雷主梁数量较多，荷载横向分布系数很难准确计算，采用单梁计算分析存在很大限制。整体建模并直接施加荷载更能反映栈桥的实际工作状态。

3.1 边界条件

(1) 桥面系构件连接。花纹钢板与纵向分配梁采用共节点设置，纵向分配梁与横向分配梁、横向分配梁与贝雷梁、贝雷梁与贝雷梁之间采用一般连接，竖向刚度按照经验值取107kN/m，横向刚度取104kN/m。

(2) 其余构件连接。贝雷桁架梁之间为销接，对贝雷桁架连接处设置释放梁端绕y轴旋转的约束；双拼I36b工字梁与贝雷梁下弦杆采用简支边界连接，与桩顶横梁采用刚性连接；钢管桩基础底部按固结处理。

3.2 荷载布置

车辆荷载作用在跨中时，主梁受力最不利；作用在墩顶时，对贝雷梁腹杆、承重梁及钢管桩最不利。车辆荷载均采用静力荷载模拟，在跨中及墩顶加载，罐车与旋挖钻荷载横向布置中载和偏载(车轮外侧离桥面板边缘0.5 m)。图3～6为各车辆荷载不利横向布置示意图。

图3 罐车荷载横向偏载示意图

图4 履带吊荷载横向布置示意图

图5 旋挖钻荷载横向中载示意图

3.3 建立模型

采用MIDAS/Civil建立栈桥整体有限元模型，其中桥面花纹钢板采用板单元模拟，其余构件采用一般梁单元模拟。结构离散为9 934个节点、1 850个板单元、12 635个梁单元(见图7)。

图6 旋挖钻荷载横向偏载示意图

图7 栈桥有限元整体计算模型

4 计算结果分析

4.1 栈桥强度分析

计算结果显示，履带吊在墩顶侧吊时，对栈桥受力最不利，贝雷梁腹杆最大正应力σ=284.9 MPa>f=275 MPa，不满足安全要求。其余构件均满足安全要求，且强度尚有富余。图8为贝雷梁腹杆应力超标局部示意图。

图8 履带吊墩顶起吊时局部正应力(单位：MPa)

根据结构力学桁架结构受力特点，荷载通过分配梁传递到贝雷梁弦杆上，再通过节点传递给腹杆，最终通过贝雷梁弦杆-承重梁接触点传递给承重梁。因靠近跨中一侧承重梁上贝雷梁无竖腹杆，仅由斜腹杆传力，且栈桥跨度较大，变形也较大，导致此处斜腹杆受力过大，正应力超标。

综上，对栈桥进行补强优化，在承重梁上方下层贝雷梁腹杆处增加Q235材质2[10槽钢，与上下弦杆焊接，共同分担支点处内力(见图9、图10)。结构优化后栈桥各工况下计算结果见表3。

图9 增设2[10槽钢示意图

图10 增设2[10槽钢现场示意图

表3 栈桥各工况计算结果

由表3可知：贝雷梁弦杆强度富裕度较小，其他构件强度富裕量较大，贝雷梁腹杆受力在结构优化后得到很大改善，最大正应力从284.9 MPa降到159.4 MPa。

4.2 横向分配梁调整

表3显示，纵横向分配梁强度富余量较大。一方面，横向分配梁作为辅助受力构件，其主要作用是将上部荷载传递至贝雷梁处，贝雷桁梁为钢栈桥的骨架，承担绝大部分荷载作用；另一方面，该栈桥横向分配梁设置较密，纵向间距仅35 cm。因此，将横向分配梁的间距调整为70 cm，关注贝雷梁及分配梁的受力变化情况。表4为横向分配梁间距调整后栈桥主要构件受力情况。

表4 横向分配梁间距调整后栈桥主要构件计算结果

由表4可知：与调整前相比，贝雷梁和分配梁的受力变化不明显，强度、刚度仍在规范允许范围内。因此，可再次调整I25a横向分配梁工字钢型号，如调整为I20a工字钢，此处不再进行验算。

5 结论与建议

建立钢栈桥整体有限元模型，相比原有结构，在承重梁上方下层贝雷梁腹杆处增加Q235材质2[10槽钢进行补强，将横向分配梁间距调整为70 cm，以12 m3砼罐车、80 t履带吊、120 t旋挖钻为主组成3种分析工况，对钢栈桥进行计算分析。结果表明：3种工况下所有构件的强度和刚度均满足规范要求。

虽然钢栈桥各构件受力、变形满足规范要求，但因条件所限，计算不能完全反映实际操作过程中各种荷载(可能出现主观或客观的偏载情况)，模拟计算存在一定局限性，即理论计算和实际受力情况会产生一定偏差。因此，车辆在栈桥上应有序通行，严格限速限载，重车尽量沿中线行驶，避免过于偏载。