水电工程直立岩壁钢栈桥基础优化设计

Optimization Design of Steel Trestle Foundation of Vertical Rock Wall in Hydropower Project

LIU Dong-dong

摘要：水电项目施工中，经常遇到边坡岩层不够稳定等不良地质情况，为防止因边坡不稳定造成的危害，工程中经常搭建大量排架，并架设钢栈桥作为钢管排架的基础，因此开展钢栈桥基础稳定性研究具有重要理论意义及工程价值。本文以某厂房边坡危岩体治理工程为背景，分析不同因素对钢栈桥基础力学性能的影响，通过理论分析和有限元数值模拟相结合的方法，对钢栈桥结构型式和截面尺寸进行优化设计，给出工程常用跨度和荷载下结构的截面选择。

Abstract： In the construction of hydropower projects， unfavorable geological conditions such as insufficient stability of the slope rock formation are often encountered. In order to prevent the damage caused by the unstable rock slope， a large number of trusses are often built in the project， and the steel trestle bridge is erected as the foundation of the steel pipe truss. Therefore， the research on the stability of the steel trestle foundation has important theoretical significance and engineering application value. This paper takes the dangerous rock mass control project of the right bank slope of a factory as the research background， analyzes the influence of different factors on the mechanical properties of the steel trestle foundation， through the combination of theoretical analysis and finite element numerical simulation， the structural design and section size of the steel trestle are optimized. According to the calculation results of the optimized design， the section selection of the structure under common span and load is given.

关键词：水电工程;直立岩壁;钢栈桥;有限元分析;优化设计

Key words： hydropower project;upright rock wall;steel trestle;finite element analysis;optimization design

中图分类号：U441;U448.18                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）32-0157-04

0  引言

钢栈桥作为一种临时修建的运输结构设施，对栈桥的合理使用，既可以提供便捷的通道又可以作为修建上部結构的结实基础，尤其是在野外和危险地区的水电项目施工中，为了防止危害人类生命、破坏生态环境及物质财富损失，自然边坡、坡度陡峻、高边坡岩体的稳定性治理是非常必要的。为了保证施工的安全和进度，因此开展钢栈桥的稳定性研究具有重要的理论与实际意义。

目前钢栈桥的计算理论主要包括结构的内力计算、稳定性验算、变形验算以及截面应力的计算等方面，国内很多学者[1-6]都对这方面展开了研究，并取得了一定的研究成果，其计算方法和计算理论相对比较成熟。但是在实际应用中，大多数的研究是关于河流和桥梁建设方面的研究[7-9]，对于直立岩壁上的钢栈桥，由于其支撑在岩壁上，受力性能和稳定性的计算方法、结构选型、安全性评价以及结构优化等方面目前还没有机构进行系统的研究。王冠平[10]针对陡立岩壁高层排架基础钢栈桥力学性能进行了理论分析，但并未对结构型式和截面尺寸优化设计方面进行系统的研究。本文以某厂房右岸边坡危岩体治理工程为研究背景，对钢栈桥基础的力学性能和稳定性进行系统的分析研究，分析结构的安全性能，通过Midas软件模拟，对结构型式和截面尺寸进行优化设计，为该类结构的设计施工提供依据，避免盲目扩大截面尺寸造成的材料浪费，从而提高材料的利用率，提高施工进度，降低工程造价。

1  钢栈桥理论研究

1.1 钢栈桥结构选型

1.1.1 钢栈桥结构的选型对结构体系有重要的影响，结构选项时应该考虑以下几个原则： ①结构应具有良好的力学性能。②结构应该具有良好的施工性能。③钢栈桥施工过程中可能遇到马道、缓坡、陡坡及陡峭岩壁等各种地质情况，因此结构型式应该具有很强的适应性和推广性，适应不同的地质情况。④结构型式应该具有良好的经济性能，具有较低的造价。

1.1.2 结构型式的选型：目前实际工程中常用的结构型式，跨度较小时采用的如图1所示的结构型式，跨度较大时采用的是图2所示的结构形式。在实际工程中钢栈桥基本用做脚手架基础或者勘察汽车通过，荷载基本集中在靠近支座的一半结构范围里面，通过理论分析和有限元分析可知，当结构跨度较小时也可采用图3所示的结构型式，当跨度较大时可采用图4所示的结构型式，图4所示的结构型式在力学性能上弯矩比图2所示明显减小，而且结构型式更加简单，施工更加方便。具体的分析优化过程详见后面的有限元分析过程。

1.2 钢栈桥内力及稳定性的分析和验算

该栈桥结构体系主要包括栈桥主体架、上部纵梁、钢板、防护栏杆以及支撑组成。脚手架及各种施工荷载首先传递给花纹钢板，花纹钢板传递给纵梁，最后传递给栈桥。栈桥结构的荷载作用沿长度方向比较均匀，竖向荷载主要由各榀栈桥梁承担，沿着栈桥长度方向各榀栈桥梁的受力相同，因此将该栈桥结构的受力分析由空间结构转化为平面结构进行计算[11-13]。此外，工程中布置的防护栏杆主要是对施工过程中的人员起防护作用，因此分析时不予考虑。由于各个栈桥间通过四根纵向梁连接，结构整体稳定性较好。栈桥通过锚筋与山体连接锚固，分析时假定锚筋具有足够的锚固强度，没有考虑锚筋的滑移的情况。

实际工程中沿着栈桥宽度方向等间距布置了四排纵梁，所以纵梁传递给栈桥的荷载简化为四个集中力。此外，钢栈桥结构还要承受自重，由于自重相对整个荷载所占的比重较小，为简化计算可以将自重产生的均布荷载简化为集中荷载与纵梁传递来的荷载合并计算。

钢栈桥的结构形式首先要考虑结构的安全性，但高空栈桥由于施工比较困难，因此又要考虑结构能够方便的进行施工。当跨度较小时综合考虑结构的安全性、施工性及经济性，采用横梁加斜撑的结构形式，为提高结构的安全储备，增加一个斜向拉杆。在结构的内力计算时斜向拉杆的内力较小并且内力为拉力，计算时如果采用手算偏于安全的可以不考虑斜向拉杆的影响。关于栈桥梁强度和稳定性的验算，在各个规范里都有详细规定，本文不做详细说明。

2  钢栈桥稳定性有限元分析

2.1 有限元模型建立

结合上述理论分析及工程实际，本次数值模拟初步选取6种模型进行计算分析，即基于上述钢栈桥结构的几何尺寸、材料参数、杆件类型等，通过改变钢栈桥的跨度、间距及各构件的截面尺寸等参数（如表1所示），分析梁的内力（弯矩、剪力和轴力），梁的应力、挠度的大小等力学性能的变化，综合分析优化结构的型式和截面尺寸。

建立有限元分析模型如图5所示，但是由于栈桥较长，因此建立的模型为细长型模型，不便于后期的数据分析和结果展示。通过前期的对比分析发现可以用5跨的结构代替整个实际结构，对整个结构的分析结果影响很小，因此本文主要对一个5跨的栈桥进行力学分析，如图6所示。建立有限元模型时没有考虑锚筋桩的粘结与滑移。

2.2 有限元分析结果比较

判断结构是否合理需要综合考虑结构的内力、应力、变形、材料用量和施工工作量等因素，一般情况下需要遵循受力合理、节省材料和便于施工的原则。模型1-6有限元分析结果对6个钢栈桥的有限元分析结果如表2所示。

通过表2可以看出对跨度2.5m的钢栈桥，通过分析发现模型3从受力、变形以及用钢量方面综合考虑，是最不经济的选择。钢栈桥间距为3m模型1和间距为2m的模型2，用钢量和变形比较接近，模型2比模型1应力、内力和锚筋桩处拉拔力均要小，从受力角度模型2要更合理，但模型1由于模型间距较大，钢栈桥的个数比模型2约少50%（60m内模型1有21个，模型2有31个），因此模型1施工工作量比模型2明显减少，因此综合以上分析，模型1是比较好的选择。

本文对模型1所能承受的最大荷载进行了分析，通过大量的试算，以梁的最大应力达到屈服应力为准则对其进行分析，通过分析可得模型1的极限荷载为10.38kN/m2。在极限荷载10.38kN/m2作用下，给出了钢栈桥结构的内力、应力及位移等值（如表3所示）。

另外，本文对跨度为3m的钢栈桥进行了分析，采用悬挑0.5m的结构型式，由模型4至模型6分析结果可知模型模型5和模型6優于模型4，其中模型6用钢量最小，但其横梁的应力较大，而且其间距较小，钢栈桥的个数较多，施工量较大，综合比较建议选择模型5。

3  工程验证

某水电站厂房右侧边坡治理工程，厂房右侧边坡基岩裸露，边坡上部危岩广泛分布，主要发育为顺坡向层理及垂直岸坡组裂隙，在外营力作用下有小面积塌方和掉块可能，如图7所示。由于上述地质情况，为保证厂房及尾水渠施工及后期运行安全，对该部位进行危石清理、锚固及柔性防护。工程边坡高陡，1450m高程以下为75°以上陡坡，局部为直坡，甚至倒坡;1450m高程以上综合坡比也在60°左右。为保证施工人员安全，需搭建大量钢管排架，架设钢栈道，修建临时施工道路及钢爬梯，所修建栈桥总长82.0m，栈桥宽2.0m，采用锚筋桩连接岩壁和栈桥面，如图8所示。该治理工程钢栈桥结构为：纵梁为1.5m长槽钢，斜支撑为2.3-2.5m槽钢，斜支撑下部支撑点为下排锚筋桩露头处满焊焊接，并支撑于岩石面上。横梁为6m长槽钢按3排平铺于纵梁上，纵向排距为0.5m，并与纵梁焊接牢固。

已经建成的总长82m的1号钢栈桥，栈桥宽2.0m，每组栈桥梁由横、斜梁组成，与锚桩焊接，各组梁由纵向拉筋？准25mm连接，每道斜梁腰部由？准25mm拉筋与上排锚桩拉接。钢栈桥结构横梁为2.2m长槽钢，斜支撑为2.3-2.5m槽钢，斜支撑下部支撑点为下排锚筋桩露头处满焊焊接，并支撑于岩石面上。纵梁为6m长槽钢按4排平铺于纵梁上，纵向排距为0.733m，并与纵梁焊接牢固。根据上述资料可知，该栈桥结构型式为模型1，本工程实施期间，钢栈桥使用过程中未发生安全事故，因此可知优化结构型式模型1安全可靠。

4  结论

根据工程实践和理论分析，结合结构的施工性能、力学性能和工程造价等因素，高层钢栈桥结构的结构型式宜采用梁桁结构型式，該结构型式具有受力合理、施工方便、经济效益和社会效益高等优点。给出了钢栈桥结构的有限元分析方法，分析了构件截面、钢栈桥跨度、钢栈桥间距等参数变化对钢结构的力学性能和变形性能的影响，为钢栈桥结构选型和理论计算公式的提出提供了依据。建立了一套从结构选型到分析验算全过程、理论分析与有限元模拟相结合的安全分析与评价体系，该体系科学合理、针对性强且便于应用，对该类结构的设计施工具有指导意义。

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作者简介：刘东东（1993-），男，陕西榆林人，西安科技大学在校研究生，研究方向为防灾减灾工程及防护工程。