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手算与有限元分析结合在钢便桥验算中的运用

来源:用户上传      作者:蓝伟锋

  摘要:某高桩码头工程施工临时通行需要,拟在海上架设一座钢便桥。为提升验算效率及可靠性,钢便桥的上部结构采用MidasCivil软件进行分析,桩基则利用软件分析所得数据进行手算。常规手算与具备更大自由度和强大的分析能力的MidasCivil有限元数值分析软件结合,可提升施工企业生产效率、经济效益和竞争力。文章可为类似临时结构验算提供借鉴。
  关键词:MidasCivil;有限元分析;钢便桥;桩基手算
  中图分类号:U446文献标识码:A文章编号:1006―7973(2022)08-0052-04
  1工程概况
  1.1平面布置
  钢便桥长252m、宽6m。
  1.2结构形式
  钢便桥跨径12m,每排设2根φ630×10mm钢管桩作基础,间距4.4m;桩顶开槽,安装双拼I40b工字钢横梁,横梁上设3组双排单层321型贝雷片纵梁,贝雷片间距0.9m,组距1.35m。纵梁上设I25b工字钢横向分配梁,间距0.795m、0.705m。横向分配梁上设I12.6工字钢纵向分配梁,间距0.3m。I12.6纵向分配梁上设δ10mm防滑钢板做为桥面板。钢管桩横向支撑采用[25槽钢。如图1、图2所示。
  1.3材料参数
  本工程钢便桥除贝雷片纵梁采用16Mn钢材外,其余均采用Q235B。
  2上部Y构有限元分析
  2.1建模
  取钢便桥中间3×12m建模,模型如图3所示。
  2.2边界条件
  (1)钢管桩在嵌固点处固接(采用假想嵌固点);
  (2)钢管桩与横梁弹性连接;
  (3)横梁与贝雷梁弹性连接;
  (4)贝雷梁与横向分配梁弹性连接;
  (5)横向分配梁与纵向分配梁弹性连接;
  (6)纵向分配梁与面板弹性连接;
  (7)两相邻贝雷梁之间共节点,同时释放梁端约束。
  2.3荷载
  (1)结构自重荷载:由软件自动计入。
  (2)12m3混凝土搅拌车满载45t,轴重分布如图4所示。
  (3)70t履带吊:自重61t,吊重10t,履带尺寸为5.15m×0.76m,履带中心间距4.0m。
  (3)水流力、风荷载根据《港口工程荷载规范》(JTS144-1-2010)计算。
  (4)临时材料堆放、人群荷载、管线荷载:5kN/m2。
  结构重要性系数:取1.0
  调整系数:取1.0
  冲击系数:取1.1
  2.4工况
  工况一:履带吊作业;
  工况二:混凝土搅拌车通行;
  工况三:车辆停止通行,抵抗台风。
  2.5分析结果
  经验算,横梁、横向分配梁、纵向分配梁、面板在最不利工况下组合应力均小于Q235B钢材强度设计值215Mpa,其中,最大值出现在纵向分配梁,值为132.9Mpa。贝雷片纵梁最大组合应力为253.7Mpa,小于16Mn钢材强度设计值310Mpa,贝雷纵梁最大竖向变形为12.6mm,小于L/400=30mm。
  钢管桩基础最大支反力为798.8kN(详见图5),钢管桩最不利工况下的最大弯矩为87.51kN・m(详见图6),钢管桩稳定性、入土深度计算中采用此数据进行手算。
  3钢管桩基础手算
  3.1钢管桩稳定性分析
  钢管稳定性分析考虑车辆正常行驶荷载、车辆制动荷载、安装误差、水流力及风荷载。
  3.1.1桩基嵌固点
  根据《码头结构设计规范》(JTS167-2018)钢管桩的相对刚度系数:,其中,表层土为淤泥,,受弯嵌固点距离泥面的深度为。受水平力或力矩的桩,入土深度宜满足弹性长桩的条件,即入土深度不小于4T=10m。
  3.1.2钢管桩轴心受压稳定系数计算
  根据《码头结构设计规范》(JTS167-2018)桩身压屈计算长度m。长细比
  。
  根据《水运工程钢结构设计规范》(JTS152-2012)按b类截面,查表得。
  3.1.3钢管桩偏心弯矩计算
  按《码头结构施工规范》(JTS215-2018)的规定,钢管桩的垂直度偏差不宜超过1%,偏心距取计算长度的1%。偏心距,根据上部结构有限元分析结果,钢管桩轴力为798.8kN,偏心弯矩。
  3.1.4最不利工况钢管桩弯矩
  根据上部结构有限元分析结果,钢管桩最不利工况下的最大弯矩为87.51kN・m。
  3.1.5钢管稳定性计算
  根据《水运钢结构设计规范》(JTS152-2017),压弯钢管的整体稳定按下列公式进行计算:
  将钢管桩弯矩、轴力代入上述公式,经计算,钢管桩压弯稳定相当折算应力为110MPa≤215Mpa,满足承载力要求,稳定性满足要求。
  3.2钢管桩入土深度计算
  3.2.1工程地质情况
  自上而下,场地岩土层主要有淤泥①厚22.52m、淤泥质土②厚10.70m、粉质粘土③厚7.10m、砂土状强风化凝灰熔岩④厚12.90m。
  3.2.2桩基设计参数
  3.2.3单桩承载力验算
  钢管桩按桩尖进入粉质粘土③层0.5m考虑,总入土深度33.72m。
  单桩最大轴力798.8kN,故单桩承载力满足要求。
  综上所述,整体结构承载力、刚度、稳定性满足要求。
  4结语
  该钢便桥采用手算与MidasCivil软件分析相结合的方法进行验算,在三种不同工况下承载力、刚度和稳定性满足要求。实践证明,该高桩码头施工钢便桥设计是合理可行、安全可靠的。MidasCivil软件建模的便捷性,为结构优化节省了大量时间,其计算结果的精确度也确保了后续桩基手算的可靠性。常规手算与MidasCivil软件结合在类似施工临时结构验算方面具有参考价值。
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