基于有限元理論的數(shù)值模擬技術(shù)在施工棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

艾建杰

摘要：棧橋是橋梁施工中運(yùn)輸材料、設(shè)備、人員并連接正式橋位與陸地的重要臨時(shí)施工通道。鑒于其在施工中的重要性以及特殊的臨時(shí)性，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮結(jié)構(gòu)的承載力以保證結(jié)構(gòu)在重載作用下的安全性和適用性，同時(shí)還要要兼顧經(jīng)濟(jì)性。本文結(jié)合工程實(shí)例，利用基于有限元理論的結(jié)構(gòu)分析軟件Midas Civil進(jìn)行棧橋的強(qiáng)度和穩(wěn)定性分析檢算，以達(dá)到驗(yàn)證和優(yōu)化大臨設(shè)計(jì)方案的目的。

關(guān)鍵詞：棧橋;移動(dòng)荷載;有限元;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);穩(wěn)定性;貝雷梁

一、工程概況

某公路橋梁施工階段，為滿足材料運(yùn)輸要求，同時(shí)滿足150t履帶吊走行進(jìn)行構(gòu)件裝吊作業(yè)，在引橋?yàn)┩课恢迷O(shè)置鋼棧橋，棧橋?qū)?0.5m，長192m，橫橋向共布置11片貝雷梁，最大跨徑12m，具體為三聯(lián)5×12 m +6×12m+5×12 m布置形式。

二、技術(shù)參數(shù)

1.基本可變荷載：150t履帶吊車荷載（最大吊重50t），履帶著地面積7182×1100mm，換算等效均布荷載0.093N/mm?;

2.風(fēng)載：考慮最大8級(jí)風(fēng)速20.7m/s。8級(jí)風(fēng)載按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算，風(fēng)載，其中：

單片貝雷片及橋面板迎風(fēng)面積：

;

所受風(fēng)載為：

三、數(shù)值模擬計(jì)算方案

利用Midas Civil對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行有限元?jiǎng)澐?，為加快建模和分析過程，在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，合理的減少單元數(shù)量，建立3×12m空間計(jì)算模型.風(fēng)荷載等效于集中荷載施加在每片貝雷片桁架節(jié)點(diǎn)上。利用移動(dòng)荷載加載功能對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行車道荷載加載，示意圖如圖3.1所示。結(jié)合實(shí)際計(jì)算工況如下：

工況Ⅰ：自重荷載+履帶吊走行至邊跨墩頂+風(fēng)荷載

工況Ⅱ：自重荷載+履帶吊走行至跨中+風(fēng)荷載

工況Ⅲ：自重荷載+履帶吊走行至中跨墩頂+風(fēng)荷載

工況Ⅳ：自重荷載+履帶吊在墩頂旁起吊+風(fēng)荷載

工況Ⅴ：自重荷載+履帶吊在跨中起吊+風(fēng)荷載

工況Ⅵ：自重荷載+履帶吊在墩頂起吊+風(fēng)荷載

四、結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果分析

4.1主梁計(jì)算及分析

貝雷片受力計(jì)算結(jié)果如下圖所示：

4.2橋面系計(jì)算及分析

橋面系由面板、橫梁和縱梁組成，其中，面板為8mm厚花紋鋼板，橫梁為I20a型鋼，縱梁為I12.6型鋼。

在工況Ⅳ，面板最大應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

在工況Ⅱ，橋面板橫梁材質(zhì)為Q235B鋼材，最大應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

在工況Ⅵ，橋面板橫梁最大應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

在工況Ⅵ，橋面板縱梁材質(zhì)為Q235B鋼材，最大應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

在工況Ⅱ，橋面板縱梁最大應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

4.3柱頂分配梁計(jì)算

分配梁A截面為2工40a，其應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如4.3.1、圖4.3.2所示。分配梁C截面為2工56a，其應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖4.3.3、圖4.3.4所示。

在工況Ⅵ，分配梁A材質(zhì)為Q235B鋼材，最大應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

在工況Ⅵ，分配梁A最大應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

在工況Ⅰ，時(shí)分配梁C材質(zhì)為Q235B鋼材，最大應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

在工況Ⅰ，分配梁C最大應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

4.4鋼管樁計(jì)算及分析

原鋼管樁設(shè)計(jì)采用800×10mm鋼管樁，材質(zhì)為Q235B鋼，入土深度20m。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》5.2.2條規(guī)定，單樁豎向承載力，其中K=2，且根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》5.3.7條規(guī)定，，結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)情況選取相應(yīng)參數(shù)，則樁基豎向承載力計(jì)算如下：Ra=1237.8KN，由數(shù)值計(jì)算結(jié)果如下圖4.4.1所示，可知，各種工況下鋼管樁最大軸力為918KN，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全系數(shù)為1.35，設(shè)計(jì)合理。

計(jì)算長度按5m考慮，，b類截面，查表

得，最大應(yīng)力

，滿足規(guī)范要求。

五.結(jié)論

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知，棧橋各主要構(gòu)件受力均能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，且經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐監(jiān)測，整體結(jié)構(gòu)無失穩(wěn)及不均勻沉降的趨勢，符合適用、安全、經(jīng)濟(jì)、美觀的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。因此，通過對(duì)鋼棧橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)分析，可準(zhǔn)確評(píng)價(jià)棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性，為工程實(shí)踐和學(xué)術(shù)研究人員進(jìn)行棧橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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