基于有限元法的临时施工栈桥优化设计研究

李永亮 张文亮

(中交一公局厦门工程有限公司，福建 厦门 361000)

1 概述

临时施工栈桥是一种为运输材料、设备、人员而修建的临时桥梁设施。为了保证栈桥安全，较好地控制材料使用量，对临时栈桥的设计进行详尽的计算分析是极其重要的，且具有较大的社会和经济意义。文章参考近年来诸多施工栈桥设计的研究成果[1-4]，以某工程施工栈桥为研究对象，采用有限元分析软件MIDAS CIVIL建立三维有限元数值模型，选取最不利荷载组合进行计算，对该栈桥受力最不利位置进行判别，确定合理的设计方案，通过与工程实际测试结果进行验证，确定了方案的可行性，以期为今后类似工程提供参考。

2 栈桥技术指标

栈桥桥长18 m，分成2个桥面，每个桥面宽6 m，支撑条件为简支，采用最不利情况，验算荷载：挂—120，按照公路—Ⅰ级进行移动荷载验算，下部结构为贝雷片结构。贝雷片参数：材料16Mn钢，弦杆为10号双槽钢(C100×48×5.3/8.5，间距8 cm)，腹杆Ⅰ8(h=80 mm，b=50 mm，tf=4.5 mm，tw=6.5 mm)。贝雷片的连接为销接；支撑架参数：材料Q235钢，截面L63×4；分配横梁参数：材料Q235钢，截面25号工字钢；分配纵梁参数：材料Q235钢，截面12号工字钢；钢板参数：材料Q235钢，厚度1 cm(见图1)。

3 初始方案计算分析

设计单位按照施工经验给出初始方案设计，栈桥由贝雷片、支撑架、横向分配梁、纵向分配梁及铺设钢板组成。贝雷片的横向布置为3×0.45 m+3×0.45 m，横向分配梁采用25号工字钢，间距0.705 m，位置作用于贝雷片上弦杆的节点上，纵向分配梁采用12号工字钢，间距0.25 m，上铺设厚度为0.01 m的钢板。

3.1 几何模型

基于有限元分析软件MIDAS CIVIL建立初始设计方案的施工栈桥模型，采用梁单元模拟贝雷片、分配横梁和分配横梁纵梁，桁架单元模拟支撑架，路面铺装钢板采用板单元模拟，贝雷片销接位置按照节点约束释放形式模拟。模型按照简支结构计算，考虑最不利荷载组合，验算荷载为挂—120和结构自重，按照公路—Ⅰ级进行移动荷载验算。建立有限元模型如图2所示。

3.2 数值模拟分析

为了准确判断最不利荷载作用下，栈桥各部位的受力情况，进而确定各结构的最不利位置及应力值，判断栈桥整体结构是否符合《钢结构设计规范》[5]的标准要求。若符合，则说明初始设计方案合理可行，若不符合，则根据最不利位置及数值对栈桥进行加强处理，达到修正设计的目的，确定出合理的栈桥优化方案。考虑文章篇幅，仅对栈桥主要构件及最不利状态进行详细阐述。

3.2.1栈桥结构位移计算

通过最不利荷载组合作用下栈桥结构位移等值线图得出，该栈桥结构所能发生的最大挠度值为17.86 mm，方向垂直向下，小于控制标准值±L/600=±30 mm，桥梁整体刚度情况良好，最不利荷载组合作用下，桥梁挠度满足标准要求。

3.2.2栈桥各结构应力计算

通过模型最不利荷载组合作用下栈桥各主要结构单元组合应力等值线得出，栈桥贝雷片弦杆单元组合应力值和栈桥贝雷片腹杆单元组合应力值分别为-314.30 MPa,-296.99 MPa，呈压应力，大于控制标准值±232.5 MPa，发生位置均为支座约束附近；栈桥支撑架桁架单元组合应力值、栈桥分配横梁单元组合应力值和分配纵梁单元组合应力值分别为-151.62 MPa,-158.48 MPa,-190.07 MPa，呈压应力，小于控制标准值±215 MPa，符合承载能力要求。

综上所述，栈桥贝雷片弦杆单元组合应力和栈桥贝雷片腹杆单元组合应力，在最不利荷载作用下不满足控制标准要求，发生位置均为支座约束附近。为了施工中栈桥安全考虑，使其满足设计评定要求，参照数值模拟计算结果，应对栈桥下部支座附近贝雷片弦杆和腹杆予以加强，同时，栈桥刚度较好，可调整分配横梁间距，使结构受力更为充分合理。

3.3 初始加固计算结果

在设计与施工经验相对缺乏的情况下，采用数值模拟分析是指导设计和施工的重要手段。通过数值模拟，不仅可以初步判断设计方案的可行性，还能够通过数值计算结果给出合理的优化建议。文章对数值模拟计算结果进行分析，判断初始设计方案尚不可取，需对受力不符合要求位置采取加强措施，使其通过承载能力验证。

采用《钢结构设计规范》[5]中钢结构设计强度要求评定。贝雷片考虑折减系数0.75，确定评定标准，方案设计时还应考虑贝雷片新旧程度，若采用旧贝雷片，还应予以折减考虑。结果见表1。

表1 初始设计方案数值计算结果

4 设计方案优化

4.1 优化方案与模型

经有限元计算分析，上述初始设计方案无法满足承载能力要求，为保证施工过程中栈桥结构安全可靠，需对不符合要求位置进行加强，使其满足承载能力要求，同时，对栈桥结构进行加载测试，根据测试数据进行可行性研究，通过后方可投入使用。

方案加强措施：贝雷片的横向布置为3×0.45 m+3×0.45 m，横向分配梁采用25号工字钢，间距0.705 m与0.795 m结合，位置作用于贝雷片上弦杆的节点上，纵向分配梁采用12号工字钢，间距0.25 m，上铺设0.01 m钢板。在贝雷片两端处弦杆节点处增加支撑梁，材料16Mn钢，为10号双槽钢(C100×48×5.3/8.5，间距8 cm)，进行加强，端部贝雷片下弦杆槽钢内部焊接钢条进行加固。模拟计算与初始设计方案相同，考虑最不利情况进行承载能力验算，建立有限元模型如图3所示。

4.2 优化计算结果

结合栈桥初始设计方案数值模拟计算结果，对该栈桥不符合评定标准位置进行加强处理。经过结构优化后，在最不利荷载组合工况下，施工栈桥挠度和结构应力计算结果见表2。

表2 优化设计方案数值计算结果

数值模拟结果表明，优化后，在加载工况D+F时，栈桥挠度和结构应力值均满足规范[5]评定标准值，说明优化后的栈桥设计方案理论上是合理可行的。

4.3 测试结果验证

考虑施工安全，临时栈桥投入使用前采用最不利加载方式验证优化后方案的可行性。在栈桥跨中布置挠度观测点，在栈桥应力计算相应位置布置应力观测元件，应力在栈桥拼装时采取初始值，挠度在预压卸载后采取初始值，待加载数值稳定后读取测值。测试结果与数值计算结果比较情况详见表3，图4。

表3 监测验证结果与数值模拟比较

上述结果表明，测试值与计算值高度统一，该数值模型能够较好的模拟实际工程情况。该栈桥优化方案是可行的，可为类似工程设计提供借鉴。

5 结论与建议

采用数值模拟方式进行栈桥计算，节省了计算时间，提高了计算精确度，为设计提供了可靠的工程数据。通过数值计算及测试结果验证，该栈桥优化后的方案，结构挠度与结构应力各项数据符合标准评定要求，理论与实际均可行。优化后的施工栈桥建成至今，未发生任何问题，不仅结构稳定，安全可靠，还提高了施工效率，具有较大的工程意义，可为类似工程提供参考经验。