多种重型车辆荷载作用下钢栈桥安全性分析

梁 奇

（中国铁建大桥工程局集团有限公司，天津 300308）

大跨桥梁的建设不断向跨湾跨海区延伸，钢栈桥及钻孔平台的应用越来越广泛[1-2]。钢栈桥是在深水桥梁施工过程中，为运输材料、设备、人员而修建的施工临时便桥，承担结构基础建设的全部工作，不同大型机械设备控制因素较多，且海湾区水文气象条件差，淤泥层厚，施工工况复杂，需要保障栈桥结构的安全性[3-5]。

许多研究人员对钢栈桥的安全性进行研究，甄相国等[6]通过MIDAS有限元建模，分析重载作用下钢栈桥的受力及变形，验证了结构的安全性。姚琳[7]基于MIDAS对某铁路桥涵钢栈桥进行静动力分析，证明其能够满足重型挂车通行的需求。多种重型车辆荷载作用下钢栈桥安全性探索研究较少。

本文结合新建福厦铁路安海湾大桥某施工钢栈桥及平台，采用Midas/Civil软件建立精细化FEM，对不同工况下钢栈桥结构的承载能力进行分析，验证多种重型车辆复杂工况下钢栈桥的安全性，为钢栈桥施工提供参考。

1 荷载简化计算模型

1.1 工程概况

新建福州至厦门铁路FX-7标安海湾大桥某墩位施工栈桥，基本跨径为12 m，部分跨度为9 m，均按7～8孔一联布置，联与联之间设置双排制动墩，其余为单排非制动墩。横桥向布置8片贝雷片（加密区设置9片贝雷片）。

施工栈桥横向布置如图1所示。

图1 施工栈桥横向布置（单位：mm）

贝雷片之间通过竖向支撑架和水平支撑架连接。桥面板采用厚度10 mm的扁豆形花纹钢板和U肋组成钢桥面板。钢管桩墩顶分配梁采用2I45b。制动墩采用双排钢管桩，每排3根，纵横向间距为3.0 m×3.0 m；非制动墩采用单排桩，每排3根，间距为3.0 m。钢管桩采用φ630 mm×10 mm钢管。

1.2 荷载组合

本工程钢栈桥位于安海湾大桥某墩位，设计荷载为公路Ⅰ级55 t汽车荷载，使用荷载为80 t履带吊机、100 t履带吊机及120 t挂车，车辆限速20 km/h，一跨12 m贝雷梁上的6级横向风荷载为4.04 kN，水流力为3 kN，不计冲击作用。

本文主要研究施工钢栈桥在复杂荷载作用下结构受力情况。不同机械设备在钢栈桥上的工作状态分为5种工况，采用容许应力法设计。

栈桥工作状态下的计算工况如表1所示。

表1 栈桥工作状态下的计算工况

1.3 不同工况下简化计算模型

不同重型车辆荷载轮距和行走方式具有差异，将工况Ⅰ～Ⅱ的轮式车辆荷载简化为集中力形式，工况Ⅲ～Ⅴ的履带车辆荷载简化为均布力形式，分别作用于钢栈桥最不利位置。

（1）工况Ⅰ：公路Ⅰ级车辆荷载考虑55 t重载汽车通行的不利位置，分别布置于栈桥的跨中和非制动墩顶，轮载分别为P1=15 kN，P2=30 kN，P3=70 kN。

（2）工况Ⅱ：挂车考虑不利位置，分别布置于边跨跨中、制动墩墩顶和非制动墩墩顶，挂车每处轮载P=75 kN。

（3）工况Ⅲ：80 t履带吊在墩顶进行吊装，边跨正吊时，均布荷载P1=35.4 kN/m；墩顶侧吊时，两侧履带均布荷载分别为P1=42.5 kN/m，P2=28.3 kN/m。

（4）工况Ⅳ：100 t履带吊在栈桥上行走，均布荷载P1=30 kN/m。

（5）工况Ⅴ：100 t履带吊在加密区段墩顶进行吊装，墩顶正吊时，均布荷载P1=34 kN/m；墩顶侧吊时，两侧履带均布荷载分别为P1=40 kN/m，P2=28 kN/m。

不同汽车荷载简化如图2所示。

图2 不同汽车荷载简化（单位：m）

2 钢栈桥的基本参数和有限元基准模型

本文采用MIDAS Civil建立钢栈桥的空间计算模型。主梁为321型标准贝雷桁架，每节钢桁架长3 m，高1.5 m，构件材料为16Mn钢。其余构件材料均采用Q235钢。弦杆、竖杆、斜杆、横梁、分配梁、钢管桩及连接系均采用梁单元，花窗采用桁架单元。

贝雷桁梁构件限值如表2所示。

表2 贝雷桁梁构件限值

建立计算模型时，波浪力和水流力作用于钢管桩上，上部贝雷桁架横向整体移动对其应力影响不大，在上部结构分析中，可以不考虑波浪力和水流力的作用。根据不同工况下车辆布载位置的不同，分别计算工况Ⅰ～Ⅴ在最不利位置的情况。

不同工况不同加载位置计算模型如图3所示。

图3 不同工况不同加载位置计算模型

3 结果与分析

3.1 贝雷梁

对5种工况进行数值模拟分析，得到不同工况下贝雷梁的最大内力和位移，比较同一工况不同荷载位置的内力和位移，得出不同工况的最不利位置。

工况Ⅰ的最不利位置出现在跨中；工况Ⅱ的最不利位置为制动墩顶；80 t履带吊在边跨正吊和墩顶侧吊时，工况Ⅲ履带吊边跨非制动墩边跨正吊时最不利；100 t履带吊行走至边跨、跨中及非制动墩顶时，履带吊行走至跨中时最不利；100 t履带吊起重物在制动墩边跨正吊、制动墩边跨侧吊、非制动墩顶正吊及非制动墩顶侧吊时，履带吊在制动墩边跨侧吊时出现最大内力和位移。弦杆、竖杆、斜杆最大内力值分别为227、191、134 kN，满足各杆件理论容许承载限值；100 t履带吊行走至跨中和100 t履带吊制动墩顶侧吊时，贝雷梁最大位移为16.4 mm，满足位移限值，满足施工要求。弦杆最大利用率出现在工况Ⅳ，为40.54%，竖杆、斜杆最大利用率出现在工况Ⅴ，分别为90.95%、78.13%。

不同工况最大内力位移如图4所示。

图4 不同工况最大内力位移

贝雷梁各杆件分析结果如表3所示。

表3 贝雷梁各杆件分析结果

3.2 其他构件

（1）分配梁、承重梁及连接系。

桥面板分配梁各工况下的最大应力为124 MPa<145 MPa，承重梁及连接系各工况下最大应力75 MPa<145 MPa，满足施工要求。

分配梁应力分布如图5所示。承重梁及连接系应力分布如图6所示。

图5 分配梁应力分布（单位：MPa）

图6 承重梁及连接系应力分布（单位：MPa）

（2）钢管桩。

工况Ⅴ单排桩的最大荷载分别为579、377、404 kN。工作状态下，履带吊回转和离心水平力取36 kN，6级风荷载为4.04 kN，共40.04 kN，钢管桩计算长度为18.65 m，底部固结，6级风荷载作用在钢管桩顶，水流力作用在距离桩顶4.1 m处。

钢管桩工作状态如图7所示。

图7 钢管桩工作状态（单位：kN）

经计算得λ=85，折减系数φ=0.75，单根钢管桩轴力为N=674 kN，弯矩为M=131 kN·m，最大应力为σ=90.2 MPa<145 MPa，钢管桩稳定性符合施工要求。

4 结语

本文以安海湾大桥某墩位钢栈桥结构为研究对象，建立MIDAS/CIVIL模型，分析多种重型车辆荷载工况。履带吊起吊或行走按最不利位置划分，非制动墩边跨侧吊>制动墩边跨侧吊>跨中行走；边跨正吊>墩顶侧吊。履带吊正吊或侧吊位置应选择墩顶对称加载，避免边跨位置起吊；起吊位置选择制动墩优于非制动墩。工况Ⅳ钢栈桥弦杆内力最大，弦杆利用率较低，仍有优化空间，100 t履带吊行走至跨中时，竖杆及斜杆的利用率最大；100 t履带吊制动墩边跨侧吊时，竖杆、斜杆的利用率最大，竖杆、斜杆内力值为设计控制要点。贝雷桁架和其他构件通过有限元分析验算，均小于最大承载能力，验证了钢栈桥结构在多种重型车辆荷载作用的可靠性，为钢栈桥设计施工提供参考。