基于有限元模型的大流速区钢栈桥静力分析

■高兴赞 游德泉 尹栋佳

（1.湖北交投宜昌投资开发有限公司，宜昌 443000；2.福建省交通科研院有限公司，福州 350004；3.湖北省交通规划设计院股份有限公司，武汉 430051）

黄河水流分为枯水期和汛期， 水位随季节性雨水的变化比较明显。 从前一年的12 月到当年的4 月为枯水期，6 月开始进入汛期，7-9 月是黄河兰州段的洪水期，黄河水量最小值出现在每年的3、4 月。据实测资料统计， 该地区水流最大流速以3 m/s 考虑，平均流速按1.5 m/s 考虑。 临时栈桥一般处在恶劣的环境之中，其风、浪、流等环境荷载可能是控制栈桥设计的关键因素[1～2]，特别是在洪水期栈桥受力复杂， 而目前对于处于该条件下的栈桥研究较少。本研究在考虑水流动荷载的情况下，对大流速区栈桥展开有限元模型的静力分析，以期得到不同工况下的受力及位移情况，从而得出相应的结论，为以后黄河流域乃至全国其他流域类似工程的设计与施工提供一定的理论参考。

1 工程概述

由于某黄河大桥施工难度大，为了方便大桥施工而兴建了临时栈桥。设计最高水位1 543 m，河床标高1 537～1 539 m。勘察期间水位高程一般1 541.0 m，最高水位1 543.0 m 施工水位1 540 m， 水面宽度300 m，水深1.0～3.0 m。 该桥址处多卵石。

该栈桥既作为主桥施工的平台，也充当了施工车辆和普通车辆的运行通路，任务艰巨，栈桥规模较大，总长度约360 m，设计标准较高。 本栈桥采用了板凳桩形式，板凳结构即横桥向桩有3～6 排不等的桩， 桩与桩之间的距离大概4～5 m。 顺桥向桩与桩之间的距离大概6 m 左右，每根桩的长度、外径、壁厚等规格都相同。 钢管桩的外径为0.82 m，内径为0.804 m，钢管桩壁厚为0.008 m。 桩与桩之间由平联连接，平联也采用材料相同的钢管，平联钢管桩的外径为0.426 m，内径为0.414 m，平联钢管桩的壁厚为0.006 m。 贝雷梁的纵梁材料为工12.6，间距为0.3 m。 贝雷梁与桩基之间由横梁连接，横梁材料为2 工45a。 面层采用厚10 mm 的钢板，总横断面宽12 m。 Q235 钢材料特性如下：Q235 钢弹性模量：210 GPa；泊松比：0.3；密度：7850 kg/m3。 钢栈桥结构图见图1、图2。

图1 桥梁平面布置图（局部放大）

图2 桥梁立面图（局部放大）

2 钢栈桥荷载计算

2.1 恒载

针对本工程，恒载仅考虑结构自重。

2.2 活载

（1）人群荷载：3.0 kN/m2；（2）车辆荷载：①80 t履带吊，吊重20 t，共计100 t。履带吊正吊时荷载均分在两个履带， 侧吊时荷载考虑作用在单侧履带上。 单个履带着地面积：5 440 mm×800 mm；履带中心距：2.6～4.2 m。 ②挂-80，车轮布置见图3，满载情况下，每个车轮着地面积为0.3 m×0.2 m。

图3 挂-80 车车轮位置图

2.3 风荷载

风速：V10=16.0 m/s。 设计基准风压[3]：

式中：Wd为设计基准风压；Vd为高度Z 处的设计基准；Vd= K2K5V10；K0为换算参数， 取值0.75；K1为风载阻力系数；K2为风速随高度变化的修正系数，按A 类5 m 取值，即K2=1.08；K3为地形、地理条件系数，取值1.0；K5为阵风风速系数，取值1.38。

（3）贝雷风荷载标准值计算：

桁架的风载阻力系数1.7； 遮挡系数η 按实面积比0.213，间距比<1，取值0.6[3]，

通过计算可得：

通过计算可得：

2.4 水流荷载

最高水位1 543 m，河床面标高1 538 m，流速3.0 m/s。 根据《港口工程荷载规范》计算[4]：

式中：Fw为水流动荷载标准值(kN)；v 为设计流速(m/s)；v=3.0 m/s；Cw为水流阻力系数，规范规定圆形墩柱取值0.73；ρ 为水的密度(t/m3)，取值1.0；A为构件在竖直方向的投影面积(m2)。

后排桩遮流影响系数0.81，则求得钢管桩水流荷载：

随着居民消费结构的升级，中国消费市场对乳制品的需求明显增加。以2016年为例，中国乳制品进口总量约195.56万吨，同比增长21.4%。其中，鲜奶、酸奶进口量增长明显:鲜奶进口63.41万吨，同比增长 38%，酸奶进口 2.1万吨，同比增长104.3%。另外，乳清粉、奶油、乳酪、奶粉的进口涨幅均在10%以上。近十年，中国乳制品进口量变化趋势如图1所示①数据是根据2007—2016年商务部相关数据整理所得。。

规范规定下部构件顶面在水面以上时，水流力作用点位于水面以下1/3 高度处， 所以本研究水流力作用点标高为：1543-5/3＝1541 m。

以上计算荷载形式为等效集中静力荷载，即水流力以静载形式集中施加于计算作用点上。

3 钢栈桥结构MIDAS/Civil 模型建立

3.1 确定边界条件

钢管桩分析的重点之一就是钢管桩与土之间的关系[5]。 本研究中将选用假想嵌固点法来进行计算。

当桩的入土深度大于4 T 时，则该桩为弹性长桩[6]，其中T 为桩的相对刚度，计算公式如下：

式中：Ep为桩材料的弹性模量（kN/m2）；Ip为桩截面的惯性矩（m4）；m 为桩侧土的水平抗力系数随深度增加的比例系数（kN/m4）；b0为桩的换算宽度（m）；计算可得：

式中：t 为受嵌固点的深度（m）；η 为系数，取值1.8～2.2，本研究中取2.2，结合公式8、公式9 计算可得：

本研究中桩底入土深度取5 m， 河床面高程1 538 m，所以嵌固点高程为1 533 m。

边界条件：计算时桩底固接；横梁与桩基顶部固接；横梁与贝雷梁铰接。

3.2 模型建立

运用MIDAS/Civil 软件建立全桥结构模型，模型节点共74 381 个，单元共98 379 个，桥梁钢管柱沿顺桥向依次编号为0#～40#， 横桥向依次编号为A、B、C、D……，建立模型见图4。

图4 全桥模型标准视图

4 钢栈桥静力分析

本研究静力分析过程根据不同时期的荷载不同分为两种情况分析，分别为施工车辆运行、普通车辆运行两种情况。 两种情况的荷载组合见表1。

表1 不同时期荷载介绍

各情况下荷载组合如下：

施工车辆运行情况荷载组合：1.2×①+1.4×（④+⑥）+0.75×1.1×②+0.75×1.4×③；

普通车辆运行情况荷载组合：1.2×①+1.4×⑤+0.75×1.4×（③+④）+0.75×1.1×②。

荷载公式中：①为自重、②为风荷载、③为水流动荷载、④为人群荷载、⑤为车辆荷载、⑥为履带吊荷载。

4.1 运行施工车辆静力分析

该情况下，不同荷载的位置情况下，在运行施工车辆时的下部结构的应力、变形计算结果见表2。运行施工车辆时位移计算结果： 横桥向位移5.0 mm，纵桥向位移1.6 mm，竖向位移3.4 mm。

通过运行施工车辆时的静力分析可知，钢管桩的受力情况和位移情况满足规范要求。 该时期钢管桩最不利情况出现在履带吊侧吊行驶至钢管柱编号为7#～8# 桩位置处， 钢管桩应力以及横向位移最大。

4.2 运行普通车辆静力分析

在运行普通车辆时该栈桥的下部结构的应力、变形计算结果见表3。 运行普通车辆时位移计算结果：横桥向位移4.6 mm，纵桥向位移1.2 mm，竖向位移2.4 mm。

表3 运行普通车辆时受力计算结果

通过运行普通车辆时的静力分析可知，该栈桥钢管桩的受力情况和位移情况满足规范要求。 工作期钢管桩最不利情况出现在挂车-80 行驶至钢管柱编号为3#～4# 桩位置处，钢管桩应力以及横向位移最大。

5 结论

静力分析利用MIDAS/Civil 有限元软件建立全桥模型，重点分析大流速河水区域的桥梁基础的应力、内力和位移情况，并与规范控制值进行对比分析。 根据实际情况，本研究分两个工况进行了计算，通过计算结果总结如下：（1）栈桥基础的内力最不利情况出现在运行施工车辆时期， 剪力、 弯矩、应力、位移等均达到最大值；栈桥基础的静力分析合理，应力、内力、位移等各项指标均达到规范要求，能够确保安全；（2）通过有限元模型可以获得栈桥最不利的荷载工况以及最不利位置，作为计算分析的关键控制；（3）在大流速区域结构基础的验算，通过对水流参数的合理计算及引用有效的规范取值，获得有效的水流对基础的荷载作用，准确计算基础的受力；（4）建议在类似大流速工程实践中，对施工栈桥的设计特别注意施工期车辆和施工机械荷载分析， 尤其对于履带吊等大型施工机械集中位置，应特别加固车辆偏载严重受压区域的桩基础，以增强其抗弯与抗剪能力。