钢栈桥结构设计与有限元分析

蒋赣猷　郑健　李莘哲

摘要：龙门大桥工程采用钢栈桥作为材料和设备的运输通道，钢栈桥线路长、荷载工况多、材料用钢量大。文章为合理优化结构尺寸设计，基于有限元软件Midas Civil进行结构分析，介绍了钢栈桥的结构建模和荷载工况，并对9种不同荷载工况下的结构位移、应力和结构稳定性进行分析。计算结果表明，钢栈桥的各力学参数均满足规范要求，且具有一定的安全富余。

关键词：龙门大桥;钢栈桥;Midas;有限元

中国分类号：U448.36文章标识码：A220823

0 引言

近些年，随着海上桥梁修建数量的不断增加，钢栈桥凭借造型美观、安拆快捷等优点，在工程中应用越来越多。但是由于钢栈桥钢材耗用量大、各构件连接复杂，导致工程中很难准确计算结构的安全性。传统人工计算方法将钢栈桥视为连续梁桥进行计算[1]，然而一方面贝雷片之间的连接采用销栓连接，不能完全等同于刚接，导致计算精度偏低;另一方面人工计算过程繁琐，计算效率低。因此，有必要对钢栈桥的设计进行更为合理的分析。基于此，文献[2]采用有限元软件Midas Civil对钢栈桥进行结构计算，较传统人工计算提高了计算效率和计算精度。但是未对结构的建模进行介绍，也未能充分考虑各荷载工况之间的组合。基于此，有必要对钢栈桥的结构建模、边界条件和荷载组合等进行研究和分析，建立一整套钢栈桥计算方法。

本文以广西钦州港龙门大桥为工程依托，采用有限元软件Midas Civil对钢栈桥的结构建模、边界条件、荷载工况的选取等进行分析，并根据计算结果优化各几何参数，为龙门大桥提供经济可行、安全可靠的钢栈桥结构。

1 工程概况

1.1 工程位置

龙门大桥是国道G228丹东至东兴广西滨海公路建设的控制性工程，是北钦防一体化基础设施互联互通的关键节点工程[JP]之一。桥线路全长7 637.28 m，由引桥+龙门大桥主桥构成，主桥为主跨1 098 m的悬索桥，建成时为广西最大跨径桥梁，引桥采用50 m、80 m桥跨组合预应力混凝土连续箱梁。工程施工时，为保证施工物资运输畅通及保护自然生态环境，在桥位有水区及滩涂地区，沿线路方向修建栈桥跨越。

1.2 钢栈桥结構设计

原设计方案采用10片贝雷片均匀布置，按9 m一跨、4跨一联的结构布置形式。荷载主要涉及8 m3混凝土罐车荷载、50 t运输车荷载、135 t履带吊等工况，经过计算分析表明，其贝雷片布置、单跨间距等结构形式仍有待进一步优化，优化后结构布置如下。

（1）结构形式

钢栈桥标准段采用贝雷片+型钢形式，设计采用5跨一联，单跨长度12 m，桥面宽8 m。钢栈桥上部结构为贝雷型钢结构，下部结构为钢管桩加型钢帽梁结构。两端部为板桩，其他采用单排的形式，板桩共6根组成，单排桩共3根组成，板桩桩距横向3.2 m。钢管桩顶设置2×Ⅰ40a工字钢横梁，横梁上设置贝雷梁，采用10排单层结构，贝雷梁上设Ⅰ25a工字钢分配横梁，间距30 cm，然后在横梁上铺设10 mm厚的钢板作为桥面板，其结构如图1所示。

2 结构计算

2.1 结构建模

通过Midas Civil对龙门大桥钢栈桥标准段进行建模分析计算，钢管桩、钢管桩撑杆、纵横向分配梁、贝雷片弦杆和竖杆等各杆件采用梁单元进行模拟，其余各杆件采用桁架连接;钢栈桥纵向贝雷片主梁采用Q345钢材，其余型钢及钢板采用Q235钢材。

2.2 边界条件

各钢管桩与地基采用基础固结，约束7个方向的自由度，板桩墩顶横梁（2×Ⅰ400a）与钢管桩采用主从约束刚性连接。由于贝雷片之间采用销栓连接，为准确模拟结构的受力状况，各贝雷片之间的连接先采用刚接，然后释放梁端约束进行有限元模拟。

2.3 荷载工况

恒载：结构自重即钢材基本容重取78.5 kN/m3，针对钢栈桥等构造中设置的加劲板、螺栓、焊缝等难以在有限元模型中体现的重量，通过容重换算方式予以反映，Midas Civil建模中钢材容重取83.22 kN/m3，确保符合实际。[JP]

活荷载：8 m3混凝土罐车荷载、135 t履带吊荷载、50 t汽车运输车、潮汐荷载、水流力荷载。

2.4 荷载组合（表1）

3 计算结果

3.1 位移

结构位移的所有荷载组合分析结果如表2所示。

由表2可知，对不同荷载组合进行计算，荷载组合1和荷载组合5为受力变形较大的两种荷载组合，即运输荷载和罐车荷载位于跨中和履带吊位于跨中时，分别为10.7 mm和10.9 mm，均小于规范限值L/400=30 mm，且具有一定的安全富余。

3.2 应力

对各荷载组合进行结构应力计算，计算结果如表3所示。由表3可知，在荷载组合4作用下（履带吊位于跨中位置时），结构最大应力为195.8 MPa，位于贝雷片竖杆处，结构安全系数为345/195.8=1.76，由于该栈桥用于海洋环境下，使用工期为3年，符合结构安全及经济性的要求。此外，由表3可以看出，除履带吊以外的各荷载工况，最大应力为134.4 MPa，与履带吊荷载差距较大，因此，结构设计应主要对履带吊行驶过程中两侧轮压范围内进行适当加强，以充分利用材料的价值。

3.3 结构稳定性

运用Midas Civil屈曲分析计算程序，分别开展各个荷载组合作用下的稳定验算，计算结果如表4所示。由表4可知，组合4最大屈曲特征值为12.9，为各荷载组合里面稳定性最差的荷载组合工况，较规范限值4有较大安全富余，能保证施工过程中的稳定性安全。[KH-*1]

3.4 钢管桩稳定性验算

在工况4下，最不利内力组合为：轴力N=597.1 kN，弯矩M=148.4 kN·m，钢管桩630 mm×10 mm：截面积A=19 468 mm2 ，惯性矩Ix=0.756×109 mm4，截面模量Wx=2.97×106 mm3，回转半径i=220 mm。基于保守考虑，两端按铰接分析，计算长度按L0=25 000 mm，长细比 λ= L0/ i=114.0，弹性模量E=206 GPa，等效弯矩系数βmx=βtx=1.0，截面塑性发展系数γx=1.15。

钢管桩截面属于b类截面，查表得φx=φy=0.489，根据《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）中第8.2.1条对钢管桩稳定性进行结构计算分析。

4 结语

9种荷载组合工况下，履带吊行至每跨支点时，弦杆应力最大，结构稳定性最差，履带吊位于跨中时结构变形最大。履带起重机为SCC1350A-1型号，在行驶过程中两条履带之间净间距达4.7 m，每条履带宽达0.95 m，因此，荷载主要集中在钢栈桥断面两侧的位置，若原设计图给出的贝雷片均匀布置，将造成材料浪费。

钢栈桥已投入使用半年有余，整体结构稳定可靠，满足现场材料和大型设备运输的需要。对现场进行施工监控，数据结果显示，经过结构优化后的钢栈桥无失稳和不均匀沉降现象。

参考文献：

[1]马 明，黄登侠. 钢栈桥的结构设计分析和计算[J]. 公路交通科技 （应用技术版），2013（8）：147-152.

[2] 沈 波，詹海刚，张富兵. MIDAS 软件在海上钢栈桥计算中的应用[J]. 公路，2012 （12）：33-35.

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