基于Midas的施工便梁钢栈桥静动力分析及设计评价

姚　琳

(湖南路桥建设集团有限责任公司， 湖南 长沙　410004)



基于Midas的施工便梁钢栈桥静动力分析及设计评价

姚琳

(湖南路桥建设集团有限责任公司， 湖南 长沙410004)

摘要：D型施工便梁由于具有较多优点，在我国铁路桥涵的施工中应用广泛，然而应用于铁路施工临时钢栈桥则不多，且针对其的设计计算和建模受力分析普遍过于简单。针对这一问题，利用D24型施工便梁设计了某施工临时钢栈桥，基于有限元空间建模技术对该桥进行了静动力分析。结果表明：该桥静力工作性能良好，动力刚度较大，能够满足挂车-100荷载等级的要求；文中所述建模计算方法简单方便，实用可行。

关键词：D型施工便梁； 钢栈桥； Midas； 有限元分析

0引言

D型施工便梁原设计主要是用于铁路既有线路和站场的桥涵施工，其最大优点是可以在不中断铁路行车的情况下，利用它进行桥涵的开挖和施工，同时具有运输和拆装方便的优点[1]，曾一度在我国铁路桥涵施工中得到广泛应用。

国内学者对D型施工便梁的受力性能和应用领域已进行了大量研究。王心顺[2]采用有限元分析方法对D型施工便梁进行了受力分析并进行了改造，扩大了其应用领域；刘波[3]将D型施工便梁应用于多跨框架桥涵顶进施工中，与吊横梁法工艺相比，D型施工便梁具有操作实用可行，经济效益好的优点，同时刘香杰[4]对D型施工便梁进行箱涵顶进施工作业的要点进行了总结；钱冲[5]将D型施工便梁作为托架用于混凝土箱梁的现浇施工；刘吉元等[6]对D16型施工便梁进行改造应用于铁路岔区线路加固施工，并从强度、刚度及连接三方面对便梁进行了验算；郭相武[7]采用有限元软件ANSYS计算了D型施工便梁在动荷载作用下的动挠度和自振频率，对其动态特性进行了分析研究。总体而言，D型施工便梁主要应用铁路桥涵的施工，未见用于铁路施工临时栈桥的报道，对其进行受力分析目前趋向于应用商业有限元软件进行空间分析，但是普遍对空间建模的关键技术一笔带过，难以让人学习参考其建模方法。为此，本文将D24型施工便梁用于临时钢栈桥的设计，并采用有限元软件Midas Civil对其进行了空间静动力分析，最后对该临时钢栈桥进行了设计评价，可为类似工程的设计建模提供一定的参考。

1工程概况

某铁路工程位于云南省广南县山区地带，线路多设计为桥隧相连，(68+128+68)m预应力混凝土连续梁桥为其重点控制性工程。为了桥梁悬臂现浇施工的需要，需修建施工便道至桥位处以运送桥梁施工相关物资，施工便道宽约8 m，施工便道在某山区小河处中断，故需修建临时性桥梁以跨越障碍，小河宽约22 m，为了加快施工进度，设计拟采用单跨简支临时钢栈桥方案，主梁采用D24型施工便梁，通过购买成品组装以便快速实现临时桥梁的建设。

临时钢栈桥跨度24 m，横向分左右两幅布置，单幅宽约4 m，每幅桥采用2片D24型施工便梁作为主梁，采用配套横梁，间距67 cm一道，横梁上铺设I10工字钢作为纵梁，间距25 cm，纵梁上铺设12 mm厚钢板作为桥面板。横梁与主梁根据产品配套采用螺栓连接，纵横梁采用U型卡固定，纵梁与钢板之间采用焊缝连接固定。桥梁两端采用C30砼扩大基础，预埋地脚螺栓与主梁固定。单幅桥梁平面和断面分别如图1和图2所示，D24型施工便梁主、横梁如图3所示。

图1　单幅钢栈桥半桥平面图(单位： mm)

图2　单幅钢栈桥断面图(单位： mm)

图3　D24型施工便梁各部件尺寸(单位： mm)

2钢栈桥空间有限元建模

2.1设计方法及采用软件

本设计采用容许应力法设计，采用商业有限元软件Mdias Civil 2013进行建模计算。

2.2荷载分析

钢栈桥承受荷载主要有恒载和活载两大类，恒载主要包括结构自重，活载主要包括汽车荷载和人群荷载，由于当地环境的原因，不考虑风雪荷载等。

根据现场施工的需要，综合考虑多种车辆荷载，最终汽车荷载以挂车-100级作为设计荷载。汽车荷载不与人群荷载同时组合。

2.3有限元建模

2.3.1节点单元的建立

主梁、横梁、纵梁等采用梁单元模拟，桥面板采用板单元模拟，根据结构的尺寸进行几何建模，共建立了1 184个节点，1 204个梁单元，504个板单元。

2.3.2材料截面特性导入

材料截面特性是进行有限元计算的关键参数。主梁钢材材质为Q345B，为钢箱截面；横梁钢材材质为Q345B，截面为工字型；纵梁和钢板材质为Q235，纵梁采用I10工字钢。在Midas软件中可以通过添加材料截面特性的办法输入。

主梁截面特性添加如图4所示。

图4　Midas中添加截面特性

2.3.3边界条件的处理

主梁和横梁由于采用螺栓连接，故采用共用节点的办法自动实现刚性连接，纵梁和横梁之间的连接采用Midas 中的“弹性连接”命令中的刚性连接模拟，两端支座一侧采用固定支座(约束Dx，Dy，Dz)，一侧采用活动支座(约束Dz)，模拟简支梁约束情况。

2.3.4移动荷载的施加

移动荷载的加载采用在桥面板上建立车道面，车道面的位置距离主梁中心1 m，然后定义挂车-100标准车辆，建立移动荷载工况后即可实现了移动荷载的影响线加载。添加车道面如图5所示。

图5　Midas中添加车道面

2.3.5空间有限元模型

建立的有限元计算模型如图6所示。

图6　钢栈桥空间有限元计算模型

3静力分析

静力分析主要分析结构在静荷载作用下的反应，以便对结构静力工作性能进行评价。主要分析自重和汽车活载等效静荷载组合作用下，桥梁的变形和应力情况。

3.1车辆荷载冲击作用等效

由于汽车活载是移动荷载，分析时应考虑动力冲击作用，利用冲击系数与汽车静荷载的乘积进行等效。根据《公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2004)》[8]第4.3.2条规定，汽车荷载的冲击力标准值为汽车荷载标准值乘以冲击系数μ，第5款规定冲击系数可按下式计算：

当f<1.5 Hz时：

μ=0.05；

当1.5 Hz≤f≤14 Hz时：

μ=0.176 7lnf-0.015 7；

当f>14 Hz时：

μ=0.45。

式中：f为结构基频，Hz。

在Midas Civil中首先通过特征值分析得到结构基频，然后在移动荷载分析时直接输入结构基频数值，程序根据该值自动考虑冲击系数。

3.2车辆荷载影响线加载

由于车辆在桥上行进是移动的，在不同的地方引起结构的反应是不同的，为了确保结构的安全，需要得出车辆在行进过程中的结构最大反应。Midas Civil软件为用户提供了一个“移动荷载追踪器”功能，该功能可以方便地依据反力、位移、梁板单元内力、梁单元应力为追踪目标进行移动荷载追踪。下面以获取跨中最大位移为目的追踪车辆加载位置为例进行说明。

Midas中操作方法为：结果→移动荷载追踪器→位移，其中主梁跨中节点号为39，由于位移向下为负，故应选择MVmin：挂车100工况，从而追踪跨中节点获得最大位移的车辆加载位置，如图7所示。

图7　跨中最大位移时移动荷载追踪

3.3静力分析结果

根据上面移动荷载追踪的办法得到车辆静荷载加载位置，有限元分析得到全桥各杆件的最大应力如表1所示，其中材料容许应力的取值参照《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》[9](JTJ025-86)的要求选取，一并列于表1中。

表1 全桥杆件最大应力及强度评价杆件名称钢材材质最大应力/MPa容许应力/MPa正应力剪应力正应力剪应力强度评价主梁Q345B100.818.9210120满足横梁Q345B83.967.3210120满足纵梁Q23582.624.414585满足桥面板Q23534.318.414585满足

全桥最大变形图如图8所示。

图8　全桥最大变形图

由图8可知钢栈桥最大竖向位移为：

46 mm

综上可知：全桥杆件均满足受力要求。

4动力分析

动力分析主要是获得结构的自振特性，包括结构的前几阶振型和频率。Midas提供了特征值分析功能，采用子空间迭代法计算得到前3阶频率分别为5.63、 8.44、 20.79 Hz，前3阶振型如图9所示。

a) 一阶振型

b) 二阶振型

c) 三阶振型

由图9可知，一阶振型为竖弯，符合桥梁主要承受竖向荷载抗弯的特点。根据文献[10]，参考类似工程其一阶频率为3.723 6 Hz，本桥一阶频率大于该值，说明该桥具有较大的整体刚度。

5设计评价

通过对全桥进行了有限元空间建模静动力分析，可以作出如下设计评价：

1) 由静力分析可知：在保证各杆件连接完好的情况下，全桥各杆件均满足强度和刚度要求，静力计算反应较小，静力工作性能良好，能够满足挂车-100荷载等级的要求。

2) 由动力分析可知：一阶振型为竖弯，符合桥梁主要承受竖向荷载抗弯的特点；一阶频率较大，全桥整体刚度较大。

3) 全桥设计符合规范要求，全桥设计较保守，各杆件均有较大的安全系数。

6结语

D型施工便梁具有众多优点在铁路桥涵施工中得到了广泛应用，本文成功地将其应用到铁路施工临时钢栈桥中，扩大了其应用领域。施工安全是当今工程施工的热点问题，施工临时结构的安全是其重要内容，要保证临时结构的安全，结构设计的合理与安全系数的保证是关键。本文采用有限元软件Midas Civil对钢栈桥进行了静动力分析，并较详细地列出了其建模过程和注意要点，本文所述空间有限元建模方法可供类似工程设计提供一定的参考。

参考文献：

[1] 中铁宝桥天元实业发展有限公司.D型施工便梁使用说明书[Z].2010.

[2] 王心顺.基于有限元分析的D型施工便梁改造与应用研究[J].国防交通工程与技术，2015(2)：36-39.

[3] 刘波.D型施工便梁在多跨框架桥涵顶进中的应用[J].铁道标准设计，2008(3)：85-87.

[4] 刘香杰.D型施工便梁在“平改立”箱涵顶进施工中的应用[J].铁道建筑，2003(6)：10.

[5] 钱冲.D型施工便梁作为托架现浇梁施工工法研究[J].山西建筑，2015(6)：165-166.

[6] 刘吉元，王丽.横向加宽D16型施工便梁在岔区线路加固中的应用[J].钢结构，2015(4)：40-43，47.

[7] 郭相武.D型施工便梁动态安全特性的试验研究[D].长沙：中南大学，2004.

[8] JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[9] JTJ 025-86，公路桥涵钢结构及木结构设计规范[S].

[10] 郭相武.D型施工便梁动态特性的有限元分析[J].铁道标准设计，2005(7)：57-59.

中图分类号：U 445.4

文献标识码：A

文章编号：1008-844X(2016)01-0090-03