基于有限元理论的数值模拟技术在施工栈桥结构设计中的应用

艾建杰

摘要：栈桥是桥梁施工中运输材料、设备、人员并连接正式桥位与陆地的重要临时施工通道。鉴于其在施工中的重要性以及特殊的临时性，设计时需要考虑结构的承载力以保证结构在重载作用下的安全性和适用性，同时还要要兼顾经济性。本文结合工程实例，利用基于有限元理论的结构分析软件Midas Civil进行栈桥的强度和稳定性分析检算，以达到验证和优化大临设计方案的目的。

关键词：栈桥;移动荷载;有限元;结构设计;稳定性;贝雷梁

一、工程概况

某公路桥梁施工阶段，为满足材料运输要求，同时满足150t履带吊走行进行构件装吊作业，在引桥滩涂位置设置钢栈桥，栈桥宽10.5m，长192m，横桥向共布置11片贝雷梁，最大跨径12m，具体为三联5×12 m +6×12m+5×12 m布置形式。

二、技术参数

1.基本可变荷载：150t履带吊车荷载（最大吊重50t），履带着地面积7182×1100mm，换算等效均布荷载0.093N/mm?;

2.风载：考虑最大8级风速20.7m/s。8级风载按《公路桥涵设计通用规范》进行计算，风载，其中：

单片贝雷片及桥面板迎风面积：

;

所受风载为：

三、数值模拟计算方案

利用Midas Civil对整个模型进行有限元划分，为加快建模和分析过程，在不影响计算结果的前提下，合理的减少单元数量，建立3×12m空间计算模型.风荷载等效于集中荷载施加在每片贝雷片桁架节点上。利用移动荷载加载功能对数值模型进行车道荷载加载，示意图如图3.1所示。结合实际计算工况如下：

工况Ⅰ：自重荷载+履带吊走行至边跨墩顶+风荷载

工况Ⅱ：自重荷载+履带吊走行至跨中+风荷载

工况Ⅲ：自重荷载+履带吊走行至中跨墩顶+风荷载

工况Ⅳ：自重荷载+履带吊在墩顶旁起吊+风荷载

工况Ⅴ：自重荷载+履带吊在跨中起吊+风荷载

工况Ⅵ：自重荷载+履带吊在墩顶起吊+风荷载

四、结构计算结果分析

4.1主梁计算及分析

贝雷片受力计算结果如下图所示：

4.2桥面系计算及分析

桥面系由面板、横梁和纵梁组成，其中，面板为8mm厚花纹钢板，横梁为I20a型钢，纵梁为I12.6型钢。

在工况Ⅳ，面板最大应力，满足规范要求。

在工况Ⅱ，桥面板横梁材质为Q235B钢材，最大应力，满足规范要求。

在工况Ⅵ，桥面板横梁最大应力，满足规范要求。

在工况Ⅵ，桥面板纵梁材质为Q235B钢材，最大应力，满足规范要求。

在工况Ⅱ，桥面板纵梁最大应力，满足规范要求。

4.3柱顶分配梁计算

分配梁A截面为2工40a，其应力计算结果如4.3.1、图4.3.2所示。分配梁C截面为2工56a，其应力计算结果如图4.3.3、图4.3.4所示。

在工况Ⅵ，分配梁A材質为Q235B钢材，最大应力，满足规范要求。

在工况Ⅵ，分配梁A最大应力，满足规范要求。

在工况Ⅰ，时分配梁C材质为Q235B钢材，最大应力，满足规范要求。

在工况Ⅰ，分配梁C最大应力，满足规范要求。

4.4钢管桩计算及分析

原钢管桩设计采用800×10mm钢管桩，材质为Q235B钢，入土深度20m。根据《建筑桩基技术规范》5.2.2条规定，单桩竖向承载力，其中K=2，且根据《建筑桩基技术规范》5.3.7条规定，，结合当地地质情况选取相应参数，则桩基竖向承载力计算如下：Ra=1237.8KN，由数值计算结果如下图4.4.1所示，可知，各种工况下钢管桩最大轴力为918KN，结构设计安全系数为1.35，设计合理。

计算长度按5m考虑，，b类截面，查表

得，最大应力

，满足规范要求。

五.结论

根据以上计算结果可知，栈桥各主要构件受力均能满足现行规范要求，且经过生产实践监测，整体结构无失稳及不均匀沉降的趋势，符合适用、安全、经济、美观的设计准则。因此，通过对钢栈桥结构进行数值模拟结构分析，可准确评价栈桥结构设计合理性，为工程实践和学术研究人员进行栈桥结构优化设计提供依据。

参考文献

[1]公路钢结构桥梁设计规范[M]. 人民交通出版社股份有限公司，中交公路规划设计院有限公司，2015

[2]材料力学[M]. 高等教育出版社，孙训方，2009

[3]有限元分析及应用[M]. 清华大学出版社，胡于进，2008

[4]GB 50009-2012. 建筑结构荷载规范[S]. 2012