地震作用下钢栈桥结构稳定性数值模拟分析

2020-09-07聂佳佳解长渊

公路工程 2020年4期

杨硕，聂佳佳，解长渊

［1.苏州高新区（虎丘区）城市建设管理服务中心，江苏苏州 215000；2.中交一公局第二工程有限公司，江苏苏州 215000］

钢栈桥作为一种运输通道，在相关工程施工过程中起着非常重要的作用。对钢栈桥进行设计和布置对于保证施工质量和施工效率具有重要的意义。近年来，国内学者对于钢栈桥的设计和施工做了一些研究，取得了丰硕的成果［1-4］。例如：姚琳［5］针对铁路施工临时钢栈桥，基于有限元空间建模技术进行了静动力分析，结果表明该桥静力工作性能良好，动力刚度较大。胡帮义［6］和秦宇毅［7］等以某人行天桥为例，建立有限元实体分析模型，着重分析静载工况的设置，确定静力荷载试验方案。然而，由于地震作用具有较大的能量，往往会对桥梁、栈桥等带来不可预估的影响。基于此，使用MIDAS有限元软件，通过考虑2种荷载工况，并施加地震反应谱，分别对地震作用下横纵梁内力、贝雷梁弦杆、贝雷梁腹杆、横向分配梁内力、钢管桩内力及地震作用下支撑架位移进行分析，研究结果可为相似工程提供参考。

1 工程概况

本工程中河道横宽在80～160 m范围内，该河道河底高程约为500 m。根据相关水域统计，该河道常年水位高度为520 m，而该工程中钢栈桥的设计水位是538.6 m。图1为该工程的地理位置图，桥梁类型为B类，场地类型为Ⅱ类。

图1 钢栈桥地理位置图Figure 1 Steel trestle location map

为保证附近村民的正常出行和施工便利，在河道设置便桥。在大桥北岸设置便道（编号18＃）直至17＃主桥墩；在大桥南岸，设置便道（编号11＃）至18＃主桥墩。对于便道18＃和11＃，二者之间采用钢栈桥进行相连。该便桥的基础使用φ900的钢管，其上部横梁采用工字钢，型号为I38 b；其分配梁也采用工字钢，型号为I24 a，便桥全长约为160 m。对于纵梁，使用贝雷梁片，之后在桥面铺设钢板，桥面的设计宽度为6.5 m。

2 栈桥设计方案

2.1 栈桥布置形式

通过现场勘测，水面宽度约为150 m，全长共设置16跨。栈桥结构自下而上依次为：

a.φ900管桩基础：该工程主要使用单排和双排布置形式，单双排规格均为φ900×10 mm，任意两个钢管中心纵向间距为8 m，横向取5.0 m。钢管的长度在12～16 m范围内，钢管之间使用槽钢相连，槽钢型号为［32 b。

b.I38 b横梁：在钢管顶部上方设置两并排的工字钢，来作为垫梁以保证其稳定性。

c.贝雷梁主梁：对于纵向主梁，其在每侧均设置贝雷梁桁架结构2组，对于单组贝雷梁，由三排贝雷片一块连接拼装而成。贝雷片间中心的距离取1.0 m，两组贝雷梁之间的距离取1.3 m。

d.桥面系：贝雷梁上铺I20 a工字钢的横向分配梁，桥面采用［32a槽钢作为桥面，并点焊于横向分配梁上，槽钢顶面横向布置1 m长间距2 m的20圆钢，梅花型布置。

2.2 设计荷载

a.设计荷载为公路I级。

b.车辆荷载，是按照施工用混凝土罐车车辆组数量（单辆取值为40 t）。

c.50 t履带吊（履带吊接地面积2-4 660×760 mm2）吊重20 t。

人群荷载：3 kN／m2。

3 数值建模

3.1 建模及模型参数

根据弹性理论，采用有限元法对桥面系进行应力分析，根据壳体理论推导单元刚度矩阵，使用曲面单元进行模拟，板壳单元分析具有很高的分析精度，以此得到纵向应力在横向的分布规律［8-9］。图2为采用MIDAS计算软件的建模图，其中各种材料的弹性模量大小均取2.06×103，泊松比大小为0.3，容重大小为78.5 kN／m3。

3.2 边界条件设置

图3为栈桥边界条件。根据梁单元、桁架单元的部位之间应力传递，在不同部位采用不同的约束条件，对于单元之间要释放梁端的约束，并按照刚性和弹性两种方式连接。为了简化分析，暂不考虑桩土相互作用。建模时杆件采用二节点三维弹性梁单元，可以承受单向的拉伸、压缩、弯曲、扭转。每个节点有6个自由度，包括3个坐标方向位移自由度和3个转角自由度。板单元采用四节点二维弹性板单元，每个节点上也有6个自由度。

图2 整体计算模型Figure 2 Overall calculation model

图3 栈桥边界条件Figure 2 Trestle boundary conditions

3.3 栈桥设计荷载及工况

荷载主要包括恒荷载、活荷载以及车辆荷载等，具体如下：

a.恒荷载。

恒荷载即为考虑自重荷载。

b.活荷载。

活荷载按人群荷载进行考虑，大小为4 kN／m2。

c.车辆荷载。

车辆荷载主要包括以下2个工况，工况1和工况2分别是为了验算钢栈桥最不利位置的稳定性和在最不利结构受力状况下的稳定性。

工况1：考虑车辆荷载位置在钢栈桥跨中位置，吊量取25 t，荷载宽度为0.8 m，总荷载取80 t。通过计算得到每条工字钢承受均布荷载值为24.7 k N／m。该栈桥设计等级为公路I级单车道布置，荷载指标具体见表1。

工况2：考虑车辆荷载位置在钢栈桥钢管排架墩位置，吊量取25 t，车辆履带去50 t，荷载宽度为0.8 m，总荷载取80 t。最后，乘以大小为1.1的冲击系数。通过计算得到每条工字钢承受均布荷载值为24.7 kN／m。该栈桥设计等级为公路I级单车道布置，荷载指标具体见表1。

表1 车辆荷载主要技术指标Table 1 Main technical indicators of vehicle load

4 地震作用下钢栈桥响应分析

4.1 地震荷载施加

根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）对于水平地震作用效应，当相邻振型周期小于0.85时，按照SRSS振型组合方法。以工况1的荷载工况为基准，进行地震反应分析，施加XY方向地震作用，按照1∶1施加。公式（1）为反应谱表达式，图4为地震反应谱，其中特征周期为0.35 s，最大谱值为0.1g，设防烈度为0.7g，阻尼比为0.05。

图4 地震反应谱Figure 4 Seismic response spectrum

4.2 横、纵梁内力分析

横、纵向分配梁采用A3钢、最大拉应力出现在支座位置77 MPa，工况2纵向分配梁最组合应力18.8 MPa，均小于规范《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD 64-2015）和《钢结构设计规范》（GB50017-2003），下同）允许应力145 MPa。结果如图5所示。

图5 地震作用下分配横、纵梁内力组合图Figure 5 Combination of internal forces for distributing transverse and longitudinal beams under earthquake action

4.3 贝雷梁弦杆内力分析

弦杆采用16 Mn钢制作，最大组合应力279.7 MPa，大于规范规定允许应力210 MPa，工况一最大剪应力63.0 MPa小于规范规定允许应力120 MPa。因栈桥可不考虑偶然作用影响，故在地震作用下少数构建应力超限可以接受。结果如图6和图7所示。

图6 地震作用下贝雷梁弦杆组合应力图Figure 6 Stress diagram of the berley beam chord under earthquake

图7 地震作用下贝雷梁弦杆剪应力图Figure 7 Shear stress diagram of berley beam under earthquake

4.4 贝雷梁腹杆内力分析

图8和图9分别为贝雷梁腹杆组合应力图和剪力图，其中腹杆采用16 Mn钢制作。由图可知，地震荷载下，腹杆的最大组合应力值为185.8 MPa，而规范所允许应力值大小为210 MPa，故满足要求。工况1时最大剪应力值为12.8 MPa，而工况2时最大剪应力为13.4 MPa，二者均小于规范规定允许应力值120 MPa。