基于有限元模型的钢栈桥上部结构设计

■尹栋佳　陈　梦　李琳琳　高兴赞

（1.上海城建市政工程（集团）有限公司，上海　200065；2.湖北省高速公路实业开发有限公司，武汉　430051；

3.湖北省交通规划设计院，武汉　430050）

基于有限元模型的钢栈桥上部结构设计

■尹栋佳1陈梦2李琳琳3高兴赞2

（1.上海城建市政工程（集团）有限公司，上海200065；2.湖北省高速公路实业开发有限公司，武汉430051；

3.湖北省交通规划设计院，武汉430050）

通过某大桥临时工程钢栈桥的施工方案，详细介绍了临时钢栈桥上部结构的设计分析过程。利用空间计算软件ANSYS和MIDAS/Civil建立栈桥有限元分析模型，结合某大桥施工中拟投入的施工机械和车辆荷载，对栈桥上部结构进行承载力验算和稳定性分析。在栈桥分析验算过程中，总结一些具有实际工程意义的结论，提出一些关于钢栈桥设计技术的措施。

钢栈桥有限元模型施工车辆荷载承载力验算

1　概述

栈桥布置于某大桥下游，总长约360m，行车道宽10.5m，其中3.5m宽为施工车道及7.0m宽公共车道（双向2车道），两个车道间设置分隔带，10.5m标准段采用护轮坎及标准栏杆分隔。栈桥北接岸处以3.77%放坡过渡到南接岸处。栈桥所用钢构件材料均为Q235B。上横梁采用2工45c，主纵梁采用组合贝雷桁梁。其上分配梁工25b间距0.75m/1.5m，纵梁工12.6间距 0.3m，面层采用厚10mm的钢板。总横断面宽12m，其中10.5m作为车行道，车道两侧设置护轮坎，栈桥上游侧0.45m作为管线通道，下游侧1.05m作为人行道。每隔36m设置500W高杆灯。钢护栏布置在行车道外侧。栈桥剖面布置如图1所示。

临时钢栈桥作为连接南北两岸的临时通道，连接4#至5#主墩，负责南北两岸材料运输及其他标段车辆运行，必须提前进行搭设，同时该栈桥通行重车，且预留施工人员通道及车道设置护轮坎，设计标准较高。

2　设计条件和技术标准

2.1设计条件

栈桥设计时，必须考虑到以下几个原则：

（1）符合建设条件，如地质、气象、水文、通航等条件。

（2）栈桥为施工期间的人员、机械和材料通道，必须结合施工过程、按照施工需要确定荷载标准、平纵横断面设计参数等。

（3）栈桥为使用大桥建设期间长使用2～3年的临时结构，要适当考虑结构的耐久性［1］。

图1　栈桥剖面布置图（单位：cm）

2.2技术标准［2］

（1）栈桥桥宽：0.5m（管线通道）+3.5m（施工车道）+ 7.0m（双向公共2车道）+1.0m（人行道）=12.0m。

（2）设计行车速度：货车或工具车≤15km/h，载人小汽车≤30km/h。

（3）设计人群活载：人群荷载：3.0kN/m2。

（4）设计车辆活载：1）8方混凝土罐车：载重时重量30t，总重：300kN（其中：前轴重力标准值：60kN，后轴重力标准值：2×120kN），轮距：1.8 m，轴距：3.45m+1.35m；2）80t履带吊，吊重20t，共计100t，履带吊正吊时荷载均分在两个履带，侧吊时荷载考虑作用在单侧履带上，履带中心距：2.6～4.2m；3）挂-80，车轮及荷载布置示意如图2所示。

图2　挂-80车轮及荷载布置示意（单位：m）

（5）栈桥正常使用风荷载：1）工作状态：V10=16.0m/s

管型构件风荷载标准值：fwh=k0k1k3Wdd=0.75×1.2× 1.0×0.348×d=0.313d

非管型构件风荷载标准值：fwh=k0k1k3Wdd=0.75×1.3× 1.0×0.348×h=0.339h

式中：Wd为设计基准风压；Vd为高度Z处的设计基准，Vd=K2K5V10；K0为设计风速重现期换算系数，对施工期架设桥梁取0.75；K1为风载阻力系数；K2为风速高度变化修正系数；此处按A类地表5m高度取值，所以K2取1.08；K3为地形、地理条件系数，取1.0；K5为阵风风速系数，按A类地表取1.38。

根据《公路桥涵设计通用规范》表4.3.7-4～4.3.7-6，贝雷风荷载标准值计算：

桁架的风载阻力系数1.7；遮挡系数 按实面积比0.213，间距比＜1取0.6，则k1=0.6×1.7=1.02。

一榀贝雷架（3m）风荷载标准值：

Fwh=k0k1k3WdAwh=0.75×1.02×1.0×0.348×（0.213×3×1.5）= 0.25kN，换算为均布荷载：q=255/3=85N/m。

2）非工作状态：V10=23.9m/s

设计基准风压：Wd=γV2d

管型构件风荷载标准值：fwh=k0k1k3Wdd=0.75×1.2× 1.0×0.776×d=0.698d

非管型构件风荷载标准值：fwh=k0k1k3Wdd=0.75× 1.3×1.0×0.776×h=0.757h

一榀贝雷架（3m）风荷载标准值：

Fwh=k0k1k3WdAwh=0.75×1.02×1.0×0.776×（0.213×3×1.5）= 0.569kN

换算为均布荷载：q=569/3=190N/m。

（6）设计水流流速1.4m/s。

六是走进网民宣传，线上线下同步推进。充分利用微信公众号等新媒体平台，组织开展“扫黑除恶我点赞”、有奖答题等方式开展宣传活动，并通过微信朋友圈、微信群等平台广泛推送，扩大活动覆盖面，很好地起到了惩治黑恶、震慑犯罪、扩大影响、鼓舞群众的积极作用。活动持续10天，共吸引42728人参与。举办线下发布会，来自各行业系统及街道辖区的企事业单位及居民代表300余人参加，对组织活动有力的单位给予表彰奖励，邀请获奖单位做经验交流，市民代表谈看法感受。

3　上部整体结构设计

3.1工况分析

考虑公路-I级荷载（最大55t车辆荷载）小于施工车辆荷载（挂-80荷载），本项目栈桥设计以施工荷载作为控制工况，各工况下荷载组合见表1。

表1　各控制工况下荷载组合表

各工况荷载组合如下：

工况一：空载渡洪

荷载组合：1.2×①+1.4×（②+③）

工况二：履带吊钓鱼法施工栈桥

荷载组合：1.2×①+1.4×⑥+0.6×1.4×（②+③）

工况三：公共车道以公路-I级荷载控制，施工通道以挂-80控制

荷载组合：1.2×①+1.4×⑤+0.6×1.4×（②+③+④）

（1）约束条件：1）钢管桩在桩底固结；2）主横梁与桩顶固接；3）主横梁与贝雷铰接。

（2）计算模型：根据约束条件，建立有限元模型，采用ANSYS有限元软件进行建模。结构有限元模型如图3所示，计算结果见表2，最终采用容许应力法验算贝雷架和主梁结构的应力。

图3　工况一结构有限元模型

表2　工况一荷载组合作用下结构计算结果表

贝雷桁架和上主横梁采用Q235B钢材，其抗剪容许值 ［Q］=245kN，抗弯容许值 ［M］=788kN·m，横桥向位移23mm＜L/400=30mm，纵桥向位移 0.6mm，竖向位移1.0mm。各构件强度满足要求。

3.3工况二模型计算分析

（1）约束条件：1）钢管桩在桩底固接；2）主横梁与桩顶固接；3）主横梁与贝雷铰接。

（2）计算模型：根据约束条件，建立有限元模型，采用ANSYS有限元软件进行建模。结构有限元模型如图4所示，计算结果见表3，最终采用容许应力法验算贝雷架和主梁结构的应力。

图4工况二结构有限元模型

表3　工况二荷载组合作用下结构计算结果表

贝雷桁架和上主横梁采用Q235B钢材，其抗剪容许值 ［Q］=245kN，抗弯容许值 ［M］=788kN·m，横桥向位移25.0mm＜L/400=30mm，纵桥向位移 0.4mm，竖向位移10mm。各构件强度满足要求。

3.4工况三模型计算分析

（1）约束条件：①钢管桩在桩底固接；②主横梁与桩顶固接；③主横梁与贝雷铰接。

（2）计算模型：根据约束条件，建立有限元模型，采用ANSYS有限元软件进行建模。结构有限元模型如图5～9所示，计算结果见表4，最终采用容许应力法验算贝雷架和主梁结构的应力。在公共车道施加汽车-I级移动荷载，施工专用车道施加挂-80移动荷载。

图5移动荷载分析模型

图6 12m跨中贝雷弯矩影响线-公共车道

图7 12m跨中贝雷弯矩影响线-专用车道

图8　桩顶贝雷剪力影响线-公共车道

图9　桩顶贝雷剪力影响线-专用车道

表4　工况二荷载组合作用下结构计算结果表

贝雷桁架和上主横梁采用Q235B钢材，其抗剪容许值 ［Q］=245kN，抗弯容许值 ［M］=788kN·m，横桥向位移27.5mm＜L/400=30mm，纵桥向位移 6.8mm，竖向位移16mm。各构件强度满足要求。

4　结语

该项目临时钢栈桥工程采用45c工字型钢作为上横梁，采用组合贝雷桁梁作为主纵梁，形成上部三孔一联的连续梁结构。在设计时充分考虑了通行的车辆荷载以及施工车辆荷载，对施工过程中可能出现的极端荷载情况运用有限元软件进行了假设模拟，并进行结构验算，验算结果均能够满足要求。对施工极端荷载情况进行模拟能够有效避免施工过程中出现安全事故，对项目造成不必要的损失，某种程度上节约了项目成本，提高安全稳定性。

［1］孟洁平，易云焜.金门大桥深水区施工栈桥设计［D］.北京：公路，2015.

［2］中华人民共和国交通部.JTGD60-2004，公路桥涵设计通用规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.