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提升式钢栈桥设计及有限元分析

来源:用户上传      作者:林子鑫 阳维华 李世文 李增源 张玉龙

  摘要:为满足桥梁基础施工期的通航需求,装配式钢栈桥可将其中一跨设置为可提升的形式。文章以某大跨径桥梁水上施工提升式钢栈桥为例,介绍了提升式钢栈桥结构设计方案,并对钢栈桥在施工过程中各项工况的最不利状态进行了有限元计算分析。结果表明:该提升式钢栈桥在各计算工况下的受力均满足要求,对现场施工具有指导意义。
  关键词:提升式钢栈桥;结构设计;有限元分析
  中图分类号:U442.5+4-A-39-123-3
  0 引言
  S着我国国民经济的飞速发展,桥梁跨径不断加大,桥址处水文地质情况愈加复杂,桥梁深水基础施工成为桥梁建设的重中之重。为方便水上基础施工,保障桩基、承台的施工质量,具备构件快速拼装、材料可周转、安全可靠等优点的装配式钢栈桥及钢平台在深水大跨桥梁基础施工作业中广泛应用。与传统钢栈桥不同的是,在综合考虑施工作业需要、建造成本的前提下,还要满足跨越航道的通航需求,因而将其中一跨设置为可提升的形式。本文对提升式钢栈桥开展结构设计,并对不同荷载组合作用进行验算,确保结构的整体安全性。
  1 工程概况
  某特大桥位于广州市南沙区,全长1 126 m,主桥及部分引桥跨越北江干流出海水道,为Ⅳ级航道,规划通行500吨级船舶。为便于主桥及引桥下构施工,提高资源调配效率,实现统一管理,该水道采用钢栈桥贯通,并设置可提升跨以满足通航需要。经与海事部门协商,并结合其他工程项目的类似应用案例,本项目提升式钢栈桥顺桥向跨径为33 m、通航净空为8 m、净宽为30 m,通航状态下由4台15 t卷扬机将整跨提升至预设高度,供船舶通行。
  2 提升式钢栈桥结构设计
  提升式钢栈桥主体结构和提升系统,其横截面及立面详见图1、图2。
  2.1 主体结构设计
  提升式钢栈桥基础设置单侧共6排管桩,为630 mm×10 mm钢管桩,主要承受钢栈桥主体结构的荷载,兼做提升系统支撑柱。主要承重钢管桩顶依次设置顺桥向分配梁F5(2HM588×300型钢)、横桥向分配梁F6(2HM488×300型钢)。上方采用贝雷梁,贝雷纵梁梁端安装有贝雷钢桥专用端柱,桥梁荷载通过端柱传递至安装在型钢横梁上的贝雷钢桥专用桥座上,再通过横梁将荷载传递至钢管立柱。桥面宽9 m,桥面板采用Ⅰ14与10 mm花纹钢板整体焊接结构,两侧设置型钢防护栏杆[1]。
  2.2 提升系统设计
  提升系统由提升横梁、提升卷扬机、滑车、起吊索及附属设施耳板、销轴组成。起吊索为34.5 mm普通钢丝绳,每台卷扬机设起吊索150 m。卷扬机为15 t,共设置4台,每侧两台。
  3 结构计算分析
  3.1 设计标准及参数
  (1)结构主要尺寸:跨径33 m、桥面宽9 m。
  (2)车辆荷载:公路-Ⅰ级荷载、135 t履带吊机作业及走行。
  (3)水流力:考虑流速0.78 m/s的水流力作用。
  (4)风载:工作状态风力为8级,相应风速为20.7 m/s;提升状态风力为14级,相应风速为43.98 m/s。
  (5)材料型号:钢构件除贝雷梁材质为16 Mn外,其余构件材质均为Q235B。
  3.2 计算工况说明
  桥梁水上施工钢栈桥主要承受恒载、基本可变荷载、其他可变荷载等作用。在桥梁施工过程中,该提升式钢栈桥具体计算工况如表1所示[2]。
  3.3 荷载计算
  3.3.1 135 t履带吊荷载
  履带吊自吊侧起吊时,考虑75%的偏载,偏载侧面荷载大小为135 t,履带吊正吊时,最大工作荷载为23.5 t/m2;履带17.9 t/m2;另一侧面荷载大小为6.0 t/m2。
  3.3.2 风荷载
  根据《公路桥梁抗风设计规范》,在横桥向风作用下主梁单位长度上的横向静阵风荷载计算为:
  FH=ρVg2CHH2Vg=GVVZ(1)
  式中:FH――作用在主梁单位长度上的静阵风荷载(N/m);
  ρ――空气密度(kg/m3),取1.25;
  CH――主梁的阻力系数,桁架面积比0.26,阻力系数取1.75,遮挡系数取0.85;
  H――主梁投影高度(m),取1.5;
  Vg――静阵风风速(m/s);
  GV――静阵风系数,取1.29;
  VZ――基准高度Z处的风速(m/s)。
  桥面高度处的风速八级风VZ取20.7 m/s,可得风荷载为304.1 N/m。
  3.3.3 水流力
  正常施工情况:根据《港口工程荷载规范》(JTS144-1-2010)13.0.1条规定,水流压力标准值计算为:
  Fw=Cwρ2V2A(2)
  式中:Cw――桥墩形状系数,根据规范中表13.0.1-1选取,圆形取0.73;
  ρ――水的重度(t/m3),取1.0;
  V――设计流速(m/s),取0.78;
  A――桥墩阻水面积(m2),计算至一般冲刷线处。
  对于钢管桩转化成流水压力线荷载为qmax=CwρV2D的三角形线荷载计算栈桥钢管桩结构的承载力,其中D为钢管桩直径。
  按照式(2)可以计算作用在钢管桩上的水流力标准值:630 mm×10 mm钢管桩为0.280 kN/m。
  3.3.4 自重及自重分力、制动力
  结构自重按1.2倍考虑,倾斜段结构自重分力按照坡度3.4%计算;履带吊走行时考虑制动力荷载,大小为自重的10%,加载在桩顶位置。
  3.4 有限元模型

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  根据钢栈桥结构特点,利用Midas Civil软件进行计算分析,采用空间桁架单元模拟贝雷梁的支撑架,采用空间梁单元模拟其他钢构件,钢桥面板对结构受力无太大影响故不建立,钢管桩底部设置固接。具体模型如图3所示。
  3.5 计算成果分析
  3.5.1 钢管桩计算成果
  考虑到钢管锈蚀的影响,以630 mm×8 mm钢管桩建立模型进行计算。计算结果如下。
  3.5.1.1 强度计算
  由图4可知,在工况2的工作状态下,630 mm×8钢管桩最大正应力为104 MPa,<[σ]=170 MPa,满足要求。
  3.5.1.2 刚度计算
  在工况1的工作状态下,630 mm×8 mm钢管桩顶水平最大位移为15.79 mm<L/200=50 mm,满足要求。
  3.5.1.3 稳定性计算
  由于杆件较多,为简化计算取自由长度最长的钢管桩进行计算,受力杆件为630 mm×8 mm钢管立柱,计算长度均取10.0 m,由模型计算结果分别取轴力N1=1 012.1 kN,弯矩My=103.0 kN・m,Mz=103.0 kN・m。根据两者截面参数分别得到630 mm×8 mm钢管绕X轴稳定应力为115.9 MPa、绕Y轴稳定应力为107.1 MPa,计算成果均<[σ]=170 MPa,满足要求。
  3.5.1.4 单桩承载力计算
  该提升式钢栈桥钢管桩按打入摩擦型桩设计,结合有限元计算成果可知,630 mm×8最大反力为132.7 t,按150 t设计,地质资料如表2所示。
  单桩轴向受压容许承载力计算根据《港口工程桩基规范》,钢管桩轴向抗压承载力设计值计算如下:
  Qd=1γR(u∑qfili+nqRA)(3)
  式中:Qd――单桩轴向承载力设计值(kN);
  γR――单桩轴向承载力分项系数,取1.5;
  u――桩身截面外周长(m);
  qfi――巫第i层土的极限侧摩阻力标准值(kPa);
  li――桩身穿过第i层土的长度(m);
  η――承载力折减系数,取0.5;
  qR――单桩极限端阻力标准值(kPa);
  A――桩端外周面积(m2)。
  则630 mm×8 mm入土深度为50 m,考虑2.0 m冲刷,实际入土深度为52 m,单桩轴向受压承载力为163 t,>132.7 t,由此可知,单桩承载力均满足要求。
  3.5.2 贝雷梁计算成果
  3.5.2.1 内力计算
  根据各工况计算成果,贝雷梁各杆件内力情况整理如表3所示。
  由计算成果可知,贝雷梁各杆件最大内力均小于容许内力值,满足要求。
  3.5.2.2 应力计算
  根据各工况计算成果,贝雷梁各杆件应力情况整理如表4所示。
  由计算成果可知,贝雷梁各杆件最大应力均小于容许内力值,满足要求。
  3.5.2.3 变形计算
  根据各工况计算成果,公路Ⅰ级荷载车辆走行至跨中时,最大竖向变形为77.69 mm,<33 000/400=82.5 mm,满足要求。
  3.5.3 分配梁计算成果
  由有限元计算成果分析,结合设置的位置及受力的特点,工况2时F5、F6存在最大应力,其受力情况整理如表5所示。
  由计算成果可知,各分配梁最大正应力均小于容许值160 MPa;最大剪力均小于容许值90 MPa;组合应力均<1.1[σ]=176 MPa;最大变形均<L/400,满足要求。
  4 结语
  通过对提升式钢栈桥进行有限元分析,得知该结构在各计算工况下的受力均满足要求;同时也发现,135 t履带吊走行至跨中时竖向变形较大,需要现场密切监测。本文通过对可提升式钢栈桥设计及有限元分析,确保整体结构在满足通航要求的情况下,面对不同荷载组合作用是安全可靠的,对同类型有通航需求的钢栈桥设计建造具有一定的参考意义。
  参考文献
  [1]黄绍金,刘陌生.装配式公路钢桥多用途使用手册[M].北京:人民交通出版社,2004.
  [2]江正荣.建筑施工计算手册(第四版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2018.
  作者简介:
  林子鑫(1995―),助理工程师,主要从事公路工程建设及技术管理工作。

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