基于Midas的钢平台有限元分析与安全评价*

胡帮义，吴泽力，胡丽珍

(湖州职业技术学院 建筑工程学院， 浙江 湖州 313000)

随着我国交通基础设施建设的快速发展，公路桥梁跨越大江大河的情况十分普遍。在大江大河上进行桩基施工是一项非常复杂的工程，由此发展出水上钻孔灌注桩施工技术[1]55-57。搭设钻孔施工平台是保证水上桩基施工最重要的一环[2]31-36。

目前，水上桩基施工平台的搭设主要有两种形式[3]299-300：一种是以船只或浮箱为基础，利用GPS来实现钢护筒定位，搭设浮动式水上施工平台[4]33-35；另一种是采用贝雷梁+钢管桩的搭设方式，或采用木结构平台支架形式[5]72-75。王安和张凯对水上桩基施工钢护筒平台结构进行了设计，其设计计算采用独立杆件简化计算模式[6]63-67。黄文武研究了重型贝雷梁钢栈桥和钢平台结构方案，并利用Midas软件对其进行有限元分析，但并未明确建模细节[7]106-108。也有学者利用Midas软件，对桩基钻孔施工平台进行有限元建模研究，但在具体的建模方法和技术细节方面均没有详细阐述[8]299 [9]163-166。

本研究以上饶至蒲城高速沙溪信江特大桥桩基施工为背景，选用贝雷梁+钢管桩的钢平台结构搭设方案，进行基于Midas软件的有限元建模分析计算，并对钢平台结构进行安全性评价，可为类似工程的钢平台建模提供参考。

一、钢平台设计概况

图1 水上桩基施工钢平台平面图示(单位：cm)

图2 水上桩基施工钢平台I-I剖面图示(单位：cm)

图3 水上桩基施工钢平台II-II剖面图示(单位：cm)

施工钢平台各杆件材料选用和容许应力取值如表所示(参见表1)。

表1 施工钢平台各杆件材料选用和容许应力表 (单位：MPa)

二、钢平台荷载分析与计算

根据《公路工程结构可靠性设计统一标准》(JTG 2120-2020)的相关规定，公路桥涵所受的荷载有永久作用、可变作用和偶然作用，施工用的临时结构可不考虑偶然作用。对本研究的钢平台而言，永久作用主要为结构自重；可变作用主要有旋挖钻机荷载、混凝土罐车荷载、施工人员及小型机具荷载、风荷载等。本研究采用基于概率理论的极限状态设计法进行设计，永久作用分项系数取1.2，可变作用分项系数取1.4，组合值系数取0.6。永久作用主要为钢平台结构自重，在Midas软件中可自动计算；在可变作用中的旋挖钻机采用420型履带式旋挖钻机，考虑冲击系数后，工作状态重量按70 t考虑，履带长4.95 m，履带宽0.8 m，钻机宽4.5 m。旋挖钻机荷载加载示意图如图所示(参见图4)。

在可变荷载中的混凝土罐车荷载考虑9 m3的罐车，满载时考虑冲击系数，重按50 t计，轴距3.8 m和1.35 m，共10个轮子，车轮着地，前轮0.3×0.2 m(宽度×长度)，后轮0.6×0.2 m(宽度×长度)。罐车荷载加载示意图如图所示(参见图5)。相比旋挖钻机和罐车荷载，施工人员及小型机具荷载较小，可忽略不计。在可变荷载中的风荷载，参照当地10年一遇的基本风压取值：0.2 kN/m2。

由于旋挖钻机和罐车荷载是移动的，故在Midas中可按移动荷载进行加载，并分两种加载工况分别计算：

工况1：旋挖钻机荷载+风荷载

基本组合：1.2×自重+1.4×(旋挖钻机荷载+0.6×风荷载)。

标准组合：1.0×自重+1.0×(旋挖钻机荷载+0.6×风荷载)。

工况2：罐车荷载+风荷载

基本组合：1.2×自重+1.4×(罐车荷载+0.6×风荷载)。

标准组合：1.0×自重+1.0×(罐车荷载+0.6×风荷载)。

应力的承载能力极限状态计算采用基本组合，挠度的正常使用极限状态计算采用标准组合。

图4 旋挖钻机荷载加载图示(单位：cm) 图5 罐车荷载加载图示(单位：cm)

三、钢平台有限元分析

(一)有限元模型的建立

在Midas软件中，定义各杆件的材料和截面，并建立节点和单元。根据钢平台的实际情况，本研究共建立7 713个节点、8 932个梁单元和2 864个板单元。其中，除钢平台面板采用板单元模拟外，其他杆件均采用梁单元模拟。在Midas中，贝雷梁与贝雷梁之间的销铰连接采用释放梁端约束模拟，支撑架与贝雷梁的连接采用释放梁端约束模拟，横梁、横向分配梁与贝雷梁之间的连接采用弹性连接模拟。纵梁与横梁之间的连接采用弹性连接模拟，其他杆件的连接采用共用节点。钢管桩桩底按固定端约束模拟。本研究建立的Midas有限元计算模型如图所示(参见图6)。

图6 钢平台有限元计算模型图示

(二)Midas中移动荷载的施加

由于施工车辆需要在钢平台上移动，故应按移动荷载模拟。Midas软件提供了方便的功能，可以得出车辆在各个位置上的最大效应值。因此，先在钢平台上建立车道，再自定义车辆荷载模拟旋挖钻机和罐车荷载，最后定义移动荷载工况，并将车辆作用到车道上。

(三)有限元模拟的计算结果

通过Midas对移动荷载进行分析，可以得到各工况钢平台各杆件的内力、应力和变形等数据。工况1的最大竖向变形为3.6 mm，工况2的最大竖向变形为5.2 mm。各杆件所受的最大组合应力、剪应力和安全评价如表所示(参见表2)。

表2 钢平台支架各杆件受力与安全评价表 (单位：MPa)

四、钢平台结构安全评价

由表2可知：钢平台各杆件的最大组合应力和最大剪应力均小于规范容许值，故钢平台结构强度满足要求。结构最大竖向变形为5.2 mm<[L/400]=5 900/400=14.75 mm，故钢平台整体刚度也满足要求。

为评价钢平台结构的屈曲稳定性，采用Midas软件，对结构进行屈曲分析，得到的前5阶屈曲模态特征值如表所示(参见表3)。

表3 钢平台结构前5阶屈曲模态特征值表

由表3可知：两种工况下的1阶屈曲模态特征值均大于4(经验值)，故钢平台稳定性也满足要求。

综上可知，整个钢平台各杆件的强度、刚度和稳定性均满足要求，初步评价该钢平台结构是安全的。

总之，本研究对桥梁水上桩基施工钢平台进行有限元建模分析，得出以下结论：(1)该钢平台各杆件的强度、刚度和稳定性均满足要求，初步评价该结构是安全的；(2)在Midas中，施工车辆荷载采用“用户自定义车辆荷载”的方法实现，并运用移动荷载分析方法进行分析；(3)本研究的荷载计算、车辆荷载自定义和边界条件处理等，可为类似的工程建模提供参考。