蔣贛猷 鄭健 李莘哲
摘要:龍門大橋工程采用鋼棧橋作為材料和設(shè)備的運(yùn)輸通道,鋼棧橋線路長、荷載工況多、材料用鋼量大。文章為合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì),基于有限元軟件Midas Civil進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,介紹了鋼棧橋的結(jié)構(gòu)建模和荷載工況,并對9種不同荷載工況下的結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果表明,鋼棧橋的各力學(xué)參數(shù)均滿足規(guī)范要求,且具有一定的安全富余。
關(guān)鍵詞:龍門大橋;鋼棧橋;Midas;有限元
中國分類號:U448.36文章標(biāo)識碼:A220823
0 引言
近些年,隨著海上橋梁修建數(shù)量的不斷增加,鋼棧橋憑借造型美觀、安拆快捷等優(yōu)點(diǎn),在工程中應(yīng)用越來越多。但是由于鋼棧橋鋼材耗用量大、各構(gòu)件連接復(fù)雜,導(dǎo)致工程中很難準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)構(gòu)的安全性。傳統(tǒng)人工計(jì)算方法將鋼棧橋視為連續(xù)梁橋進(jìn)行計(jì)算[1],然而一方面貝雷片之間的連接采用銷栓連接,不能完全等同于剛接,導(dǎo)致計(jì)算精度偏低;另一方面人工計(jì)算過程繁瑣,計(jì)算效率低。因此,有必要對鋼棧橋的設(shè)計(jì)進(jìn)行更為合理的分析?;诖?,文獻(xiàn)[2]采用有限元軟件Midas Civil對鋼棧橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算,較傳統(tǒng)人工計(jì)算提高了計(jì)算效率和計(jì)算精度。但是未對結(jié)構(gòu)的建模進(jìn)行介紹,也未能充分考慮各荷載工況之間的組合?;诖耍斜匾獙︿摋虻慕Y(jié)構(gòu)建模、邊界條件和荷載組合等進(jìn)行研究和分析,建立一整套鋼棧橋計(jì)算方法。
本文以廣西欽州港龍門大橋?yàn)楣こ桃劳校捎糜邢拊浖﨧idas Civil對鋼棧橋的結(jié)構(gòu)建模、邊界條件、荷載工況的選取等進(jìn)行分析,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果優(yōu)化各幾何參數(shù),為龍門大橋提供經(jīng)濟(jì)可行、安全可靠的鋼棧橋結(jié)構(gòu)。
1 工程概況
1.1 工程位置
龍門大橋是國道G228丹東至東興廣西濱海公路建設(shè)的控制性工程,是北欽防一體化基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工程[JP]之一。橋線路全長7 637.28 m,由引橋+龍門大橋主橋構(gòu)成,主橋?yàn)橹骺? 098 m的懸索橋,建成時(shí)為廣西最大跨徑橋梁,引橋采用50 m、80 m橋跨組合預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。工程施工時(shí),為保證施工物資運(yùn)輸暢通及保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境,在橋位有水區(qū)及灘涂地區(qū),沿線路方向修建棧橋跨越。
1.2 鋼棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
原設(shè)計(jì)方案采用10片貝雷片均勻布置,按9 m一跨、4跨一聯(lián)的結(jié)構(gòu)布置形式。荷載主要涉及8 m3混凝土罐車荷載、50 t運(yùn)輸車荷載、135 t履帶吊等工況,經(jīng)過計(jì)算分析表明,其貝雷片布置、單跨間距等結(jié)構(gòu)形式仍有待進(jìn)一步優(yōu)化,優(yōu)化后結(jié)構(gòu)布置如下。
(1)結(jié)構(gòu)形式
鋼棧橋標(biāo)準(zhǔn)段采用貝雷片+型鋼形式,設(shè)計(jì)采用5跨一聯(lián),單跨長度12 m,橋面寬8 m。鋼棧橋上部結(jié)構(gòu)為貝雷型鋼結(jié)構(gòu),下部結(jié)構(gòu)為鋼管樁加型鋼帽梁結(jié)構(gòu)。兩端部為板樁,其他采用單排的形式,板樁共6根組成,單排樁共3根組成,板樁樁距橫向3.2 m。鋼管樁頂設(shè)置2×Ⅰ40a工字鋼橫梁,橫梁上設(shè)置貝雷梁,采用10排單層結(jié)構(gòu),貝雷梁上設(shè)Ⅰ25a工字鋼分配橫梁,間距30 cm,然后在橫梁上鋪設(shè)10 mm厚的鋼板作為橋面板,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2 結(jié)構(gòu)計(jì)算
2.1 結(jié)構(gòu)建模
通過Midas Civil對龍門大橋鋼棧橋標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行建模分析計(jì)算,鋼管樁、鋼管樁撐桿、縱橫向分配梁、貝雷片弦桿和豎桿等各桿件采用梁單元進(jìn)行模擬,其余各桿件采用桁架連接;鋼棧橋縱向貝雷片主梁采用Q345鋼材,其余型鋼及鋼板采用Q235鋼材。
2.2 邊界條件
各鋼管樁與地基采用基礎(chǔ)固結(jié),約束7個(gè)方向的自由度,板樁墩頂橫梁(2×Ⅰ400a)與鋼管樁采用主從約束剛性連接。由于貝雷片之間采用銷栓連接,為準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)的受力狀況,各貝雷片之間的連接先采用剛接,然后釋放梁端約束進(jìn)行有限元模擬。
2.3 荷載工況
恒載:結(jié)構(gòu)自重即鋼材基本容重取78.5 kN/m3,針對鋼棧橋等構(gòu)造中設(shè)置的加勁板、螺栓、焊縫等難以在有限元模型中體現(xiàn)的重量,通過容重?fù)Q算方式予以反映,Midas Civil建模中鋼材容重取83.22 kN/m3,確保符合實(shí)際。[JP]
活荷載:8 m3混凝土罐車荷載、135 t履帶吊荷載、50 t汽車運(yùn)輸車、潮汐荷載、水流力荷載。
2.4 荷載組合(表1)
3 計(jì)算結(jié)果
3.1 位移
結(jié)構(gòu)位移的所有荷載組合分析結(jié)果如表2所示。
由表2可知,對不同荷載組合進(jìn)行計(jì)算,荷載組合1和荷載組合5為受力變形較大的兩種荷載組合,即運(yùn)輸荷載和罐車荷載位于跨中和履帶吊位于跨中時(shí),分別為10.7 mm和10.9 mm,均小于規(guī)范限值L/400=30 mm,且具有一定的安全富余。
3.2 應(yīng)力
對各荷載組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如表3所示。由表3可知,在荷載組合4作用下(履帶吊位于跨中位置時(shí)),結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為195.8 MPa,位于貝雷片豎桿處,結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為345/195.8=1.76,由于該棧橋用于海洋環(huán)境下,使用工期為3年,符合結(jié)構(gòu)安全及經(jīng)濟(jì)性的要求。此外,由表3可以看出,除履帶吊以外的各荷載工況,最大應(yīng)力為134.4 MPa,與履帶吊荷載差距較大,因此,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)主要對履帶吊行駛過程中兩側(cè)輪壓范圍內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng),以充分利用材料的價(jià)值。
3.3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性
運(yùn)用Midas Civil屈曲分析計(jì)算程序,分別開展各個(gè)荷載組合作用下的穩(wěn)定驗(yàn)算,計(jì)算結(jié)果如表4所示。由表4可知,組合4最大屈曲特征值為12.9,為各荷載組合里面穩(wěn)定性最差的荷載組合工況,較規(guī)范限值4有較大安全富余,能保證施工過程中的穩(wěn)定性安全。[KH-*1]
3.4 鋼管樁穩(wěn)定性驗(yàn)算
在工況4下,最不利內(nèi)力組合為:軸力N=597.1 kN,彎矩M=148.4 kN·m,鋼管樁630 mm×10 mm:截面積A=19 468 mm2 ,慣性矩Ix=0.756×109 mm4,截面模量Wx=2.97×106 mm3,回轉(zhuǎn)半徑i=220 mm。基于保守考慮,兩端按鉸接分析,計(jì)算長度按L0=25 000 mm,長細(xì)比 λ= L0/ i=114.0,彈性模量E=206 GPa,等效彎矩系數(shù)βmx=βtx=1.0,截面塑性發(fā)展系數(shù)γx=1.15。
鋼管樁截面屬于b類截面,查表得φx=φy=0.489,根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017-2017)中第8.2.1條對鋼管樁穩(wěn)定性進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。
4 結(jié)語
9種荷載組合工況下,履帶吊行至每跨支點(diǎn)時(shí),弦桿應(yīng)力最大,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最差,履帶吊位于跨中時(shí)結(jié)構(gòu)變形最大。履帶起重機(jī)為SCC1350A-1型號,在行駛過程中兩條履帶之間凈間距達(dá)4.7 m,每條履帶寬達(dá)0.95 m,因此,荷載主要集中在鋼棧橋斷面兩側(cè)的位置,若原設(shè)計(jì)圖給出的貝雷片均勻布置,將造成材料浪費(fèi)。
鋼棧橋已投入使用半年有余,整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠,滿足現(xiàn)場材料和大型設(shè)備運(yùn)輸?shù)男枰?。對現(xiàn)場進(jìn)行施工監(jiān)控,數(shù)據(jù)結(jié)果顯示,經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的鋼棧橋無失穩(wěn)和不均勻沉降現(xiàn)象。
參考文獻(xiàn):
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