多種重型車(chē)輛荷載作用下鋼棧橋安全性分析

梁 奇

（中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司，天津 300308）

大跨橋梁的建設(shè)不斷向跨灣跨海區(qū)延伸，鋼棧橋及鉆孔平臺(tái)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-2]。鋼棧橋是在深水橋梁施工過(guò)程中，為運(yùn)輸材料、設(shè)備、人員而修建的施工臨時(shí)便橋，承擔(dān)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)建設(shè)的全部工作，不同大型機(jī)械設(shè)備控制因素較多，且海灣區(qū)水文氣象條件差，淤泥層厚，施工工況復(fù)雜，需要保障棧橋結(jié)構(gòu)的安全性[3-5]。

許多研究人員對(duì)鋼棧橋的安全性進(jìn)行研究，甄相國(guó)等[6]通過(guò)MIDAS有限元建模，分析重載作用下鋼棧橋的受力及變形，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的安全性。姚琳[7]基于MIDAS對(duì)某鐵路橋涵鋼棧橋進(jìn)行靜動(dòng)力分析，證明其能夠滿(mǎn)足重型掛車(chē)通行的需求。多種重型車(chē)輛荷載作用下鋼棧橋安全性探索研究較少。

本文結(jié)合新建福廈鐵路安海灣大橋某施工鋼棧橋及平臺(tái)，采用Midas/Civil軟件建立精細(xì)化FEM，對(duì)不同工況下鋼棧橋結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行分析，驗(yàn)證多種重型車(chē)輛復(fù)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(jiǎn)化計(jì)算模型

1.1 工程概況

新建福州至廈門(mén)鐵路FX-7標(biāo)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(lián)布置，聯(lián)與聯(lián)之間設(shè)置雙排制動(dòng)墩，其余為單排非制動(dòng)墩。橫橋向布置8片貝雷片（加密區(qū)設(shè)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(guò)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(dòng)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(dòng)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(shè)計(jì)荷載為公路Ⅰ級(jí)55 t汽車(chē)荷載，使用荷載為80 t履帶吊機(jī)、100 t履帶吊機(jī)及120 t掛車(chē)，車(chē)輛限速20 km/h，一跨12 m貝雷梁上的6級(jí)橫向風(fēng)荷載為4.04 kN，水流力為3 kN，不計(jì)沖擊作用。

本文主要研究施工鋼棧橋在復(fù)雜荷載作用下結(jié)構(gòu)受力情況。不同機(jī)械設(shè)備在鋼棧橋上的工作狀態(tài)分為5種工況，采用容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)。

棧橋工作狀態(tài)下的計(jì)算工況如表1所示。

表1 棧橋工作狀態(tài)下的計(jì)算工況

1.3 不同工況下簡(jiǎn)化計(jì)算模型

不同重型車(chē)輛荷載輪距和行走方式具有差異，將工況Ⅰ～Ⅱ的輪式車(chē)輛荷載簡(jiǎn)化為集中力形式，工況Ⅲ～Ⅴ的履帶車(chē)輛荷載簡(jiǎn)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(jí)車(chē)輛荷載考慮55 t重載汽車(chē)通行的不利位置，分別布置于棧橋的跨中和非制動(dòng)墩頂，輪載分別為P1=15 kN，P2=30 kN，P3=70 kN。

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

（3）工況Ⅲ：80 t履帶吊在墩頂進(jìn)行吊裝，邊跨正吊時(shí)，均布荷載P1=35.4 kN/m；墩頂側(cè)吊時(shí)，兩側(cè)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(qū)段墩頂進(jìn)行吊裝，墩頂正吊時(shí)，均布荷載P1=34 kN/m；墩頂側(cè)吊時(shí)，兩側(cè)履帶均布荷載分別為P1=40 kN/m，P2=28 kN/m。

不同汽車(chē)荷載簡(jiǎn)化如圖2所示。

圖2 不同汽車(chē)荷載簡(jiǎn)化（單位：m）

2 鋼棧橋的基本參數(shù)和有限元基準(zhǔn)模型

本文采用MIDAS Civil建立鋼棧橋的空間計(jì)算模型。主梁為321型標(biāo)準(zhǔn)貝雷桁架，每節(jié)鋼桁架長(zhǎng)3 m，高1.5 m，構(gòu)件材料為16Mn鋼。其余構(gòu)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?jiǎn)卧?，花窗采用桁架單元?/p>

貝雷桁梁構(gòu)件限值如表2所示。

表2 貝雷桁梁構(gòu)件限值

建立計(jì)算模型時(shí)，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(dòng)對(duì)其應(yīng)力影響不大，在上部結(jié)構(gòu)分析中，可以不考慮波浪力和水流力的作用。根據(jù)不同工況下車(chē)輛布載位置的不同，分別計(jì)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(jì)算模型如圖3所示。

圖3 不同工況不同加載位置計(jì)算模型

3 結(jié)果與分析

3.1 貝雷梁

對(duì)5種工況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到不同工況下貝雷梁的最大內(nèi)力和位移，比較同一工況不同荷載位置的內(nèi)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(xiàn)在跨中；工況Ⅱ的最不利位置為制動(dòng)墩頂；80 t履帶吊在邊跨正吊和墩頂側(cè)吊時(shí)，工況Ⅲ履帶吊邊跨非制動(dòng)墩邊跨正吊時(shí)最不利；100 t履帶吊行走至邊跨、跨中及非制動(dòng)墩頂時(shí)，履帶吊行走至跨中時(shí)最不利；100 t履帶吊起重物在制動(dòng)墩邊跨正吊、制動(dòng)墩邊跨側(cè)吊、非制動(dòng)墩頂正吊及非制動(dòng)墩頂側(cè)吊時(shí)，履帶吊在制動(dòng)墩邊跨側(cè)吊時(shí)出現(xiàn)最大內(nèi)力和位移。弦桿、豎桿、斜桿最大內(nèi)力值分別為227、191、134 kN，滿(mǎn)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(dòng)墩頂側(cè)吊時(shí)，貝雷梁最大位移為16.4 mm，滿(mǎn)足位移限值，滿(mǎn)足施工要求。弦桿最大利用率出現(xiàn)在工況Ⅳ，為40.54%，豎桿、斜桿最大利用率出現(xiàn)在工況Ⅴ，分別為90.95%、78.13%。

不同工況最大內(nèi)力位移如圖4所示。

圖4 不同工況最大內(nèi)力位移

貝雷梁各桿件分析結(jié)果如表3所示。

表3 貝雷梁各桿件分析結(jié)果

3.2 其他構(gòu)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(yīng)力為124 MPa<145 MPa，承重梁及連接系各工況下最大應(yīng)力75 MPa<145 MPa，滿(mǎn)足施工要求。

分配梁應(yīng)力分布如圖5所示。承重梁及連接系應(yīng)力分布如圖6所示。

圖5 分配梁應(yīng)力分布（單位：MPa）

圖6 承重梁及連接系應(yīng)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(tài)下，履帶吊回轉(zhuǎn)和離心水平力取36 kN，6級(jí)風(fēng)荷載為4.04 kN，共40.04 kN，鋼管樁計(jì)算長(zhǎng)度為18.65 m，底部固結(jié)，6級(jí)風(fēng)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(tài)如圖7所示。

圖7 鋼管樁工作狀態(tài)（單位：kN）

經(jīng)計(jì)算得λ=85，折減系數(shù)φ=0.75，單根鋼管樁軸力為N=674 kN，彎矩為M=131 kN·m，最大應(yīng)力為σ=90.2 MPa<145 MPa，鋼管樁穩(wěn)定性符合施工要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以安海灣大橋某墩位鋼棧橋結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，建立MIDAS/CIVIL模型，分析多種重型車(chē)輛荷載工況。履帶吊起吊或行走按最不利位置劃分，非制動(dòng)墩邊跨側(cè)吊>制動(dòng)墩邊跨側(cè)吊>跨中行走；邊跨正吊>墩頂側(cè)吊。履帶吊正吊或側(cè)吊位置應(yīng)選擇墩頂對(duì)稱(chēng)加載，避免邊跨位置起吊；起吊位置選擇制動(dòng)墩優(yōu)于非制動(dòng)墩。工況Ⅳ鋼棧橋弦桿內(nèi)力最大，弦桿利用率較低，仍有優(yōu)化空間，100 t履帶吊行走至跨中時(shí)，豎桿及斜桿的利用率最大；100 t履帶吊制動(dòng)墩邊跨側(cè)吊時(shí)，豎桿、斜桿的利用率最大，豎桿、斜桿內(nèi)力值為設(shè)計(jì)控制要點(diǎn)。貝雷桁架和其他構(gòu)件通過(guò)有限元分析驗(yàn)算，均小于最大承載能力，驗(yàn)證了鋼棧橋結(jié)構(gòu)在多種重型車(chē)輛荷載作用的可靠性，為鋼棧橋設(shè)計(jì)施工提供參考。