基于有限元分析的重载钢栈桥及钢平台施工技术研究.pdf

基于有限元分析的重载钢栈桥及钢平台施工技术研究卢振有曾云峰邓海常莫峰（广西路建工程集团有限公司，广西南宁5 3 0 0 0 1）【摘要】文章以钦州市灵山县武利江大桥为工程实例，通过对重载钢栈桥及钢平台进行初步设计，然后采用有限元软件MIDAS/civil2021建立该结构的三维模型，并对其在不同荷载组合作用下的受力情况进行了分析验算，最后通过现场施工验证了结构设计及受力分析的合理性。【关键词】有限元；重载；钢栈桥；钢平台；结构设计【中图分类号】U448【文献标识码】AResearch on the Construction Technique of Heavy Load Steel Trestle and SteelPlatform Based on Finite Element AnalysisAbstract:The article takes the Wulijiang bridge in Lingshan county,Qinzhou city as an engineering example,and conductspreliminary design on the heavy load steel trestle and steel platform.Then,a three-dimensional model of the structure is establishedusing finite element software MIDAS/civil 2021,and its stress situation under different load combinations is analyzed and verified.Finally,the rationality of the structural design and stress analysis is verified through on-site construction.Key words:finite element;heavy load;steel trestle;steel platform;structural design引言在桥梁施工过程中，为了便于水中桩基施工、运输材料设备及人员通行，一般需搭设钢栈桥及钢平台辅助施工 1,2 。近年来，随着我国基础设施建设的飞速发展，对于钢栈桥、钢平台此类临时结构的跨越和承载能力也提出了更高的要求。因此，如何设计一种结构安全、造价低廉的钢栈桥及钢平台对保障现场施工的安全及项目降本增效具有重大意义。钢栈桥及钢平台在使用阶段，主要承受自重、车辆荷载、动水荷载等作用，综合考虑施工作业需求、施工成本及现场地形等因素影响 3,4，本文对其结构进行初步设计，并据此利用桥梁设计软件MDIAS/civil2021建立有限元模型，通过分析验算其在主要荷载耦合作用下的受力情况，指导钢栈桥及钢平台的结构设计及材料型号优化，最后依据设计图纸指导现场施工。1工程概况武利江大桥位于灵山县文利镇与浦北白石水镇交汇处，桥址区属于河谷丘陵地貌，地形较起伏。桥梁走线方位角约112，中心桩号K107+621，桥宽2 11.5 m，桥梁全长7 5 8 m，【收稿日期】2 0 2 3-0 3-10【作者简介】卢振有（1993 一），男，广西桂平人，广西路建工程集团有限公司助理工程师，从事桥梁隧道施工管理工作。-20-【文章编号】10 0 8-115 1(2 0 2 3)0 6-0 0 2 0-0 4上部构造为5（5 3 0）m先简支后连续小箱梁，桥梁下部结构为柱式墩、柱式台及桩基础，计划预制3 0 m跨径箱梁共192片，桩基共112 根，其中水中4根，须搭设钢栈桥打通纵向便道并搭设钢平台进行水中冲孔灌注桩施工。2钢栈桥及钢平台设计及有限元分析2.1重载钢栈桥及钢平台设计2.1.1重载钢栈桥设计（1）钢栈桥整体设计。根据河床、河面宽度，结合实际施工需要，拟建栈桥总长111m，桥面宽为车行通道与人行通道的宽度总和（4.5 m+1.5m=6m），栈桥按9+9+（3+9）6+9+9+3=111m进行跨度布置，栈桥桥面两侧设置密目网进行防护。（2）栈桥下部结构设计。下构采用板凳桩形式，桩间采用12 0 a作为直斜联，钢管桩采用529mm10mm，最长有23.8m，其中自由长度为18.3 m，钢管桩顶部开深3 5 cm、宽30cm的槽口，槽口顶焊接1.0 cm厚钢板，钢管桩顶部两侧（横桥向）采用钢板焊接设置牛腿；桩顶横梁采用双拼I40a；桥面设置供水管道以及电缆管道。（3）栈桥上部结构设计。主梁为左中右设置3 组贝雷梁，每组2 片贝雷梁采用90 型竖向支撑架以及横向支撑架连接，每组贝雷梁间用I15型竖向支撑架连接，贝雷梁组中心间距为2.05m，贝雷梁最大跨径为12 m；分配梁采用116 间距3 0 cm，分配梁与贝雷片采用U型钢板扣进行限位；桥面钢板采用8mm厚花纹钢，与分配梁点焊连接。2.1.2重载钢平台设计钢平台为3 0 m（横桥向）12 m（顺桥向）的矩形，顺桥向布置4排钢管桩，间距为3.3 m+3.3m+3.8m，纵桥向布置5 排钢管桩，管与管间为7.5 m+7.5m+7.5m+7.5m。设计相对于钢栈桥，将贝雷梁组中心间距减少为1.5 2 m，贝雷梁跨径减少至6 m，其余结构形式不变，同钢栈桥。2.2重载钢栈桥及钢平台有限元建模及计算2.2.1钢栈桥及钢平台有限元建模基于专业桥梁设计软件MIDAS/civil2021对钢栈桥及钢平台进行有限元建模，贝雷片采用16 Mn，其他钢材均采用Q235；钢护筒底部嵌入岩层，约束底部节点所有自由度，即视为固结；钢管桩与横梁、横梁与贝雷片、贝雷片与分配梁之间采用点焊固定，从而实现上、下部结构荷载传递，通过设置弹性连接进行模拟 5.6 ，钢栈桥及钢平台三维模型如图1、图2 所示。2.2.2钢栈桥及钢平台有限元计算结果经过有限元软件多次计算分析，本文对钢栈桥及钢平台部分刚度及强度穴余度较高的构件进行了优化，具体设计如图3、图4所示。钢栈桥及钢平台在以上荷载组合作用下，各构件应力及位移结果汇总如表1、表2 所示。8m厚钢板116分配梁间距3 0 cm贝雷片组水平支撑架I40#a直斜撑槽钢 2 0#a30钢管桩529X10m60090115309011590400图1钢栈桥模型示意图48栏杆图3钢栈桥横断面图（单位：cm）12003590图2 钢平台模型示意图C20a槽钢钢栈桥及钢平台主要承受自重、车辆荷载及动水压力等荷载，最大车辆荷载载重8 0 t，考虑1.4倍的荷载组合系数，设计行车速度为5 km/h。强度验算荷载组合取：1.2自重+1.4自卸车(8 0 t)+1.4动水压力刚度验算荷载组合取：1.0自重+1.0 自卸车(8 0 t)+1.0动水压力29080380图4钢平台横断面图（单位：cm）90,130,90,130,90,130,90,35330C10槽钢33080I20a工字钢间距3 0 cm2136a工字钢52910mm钢管桩-21-表1钢栈桥各构件组合应力及变形验算结果组合应力剪应力结构构件(MPa)16Mn贝雷片8mm桥面板分配梁12 0 aQ235横梁2 13 6 a钢管桩529x10mm剪刀撑C20a表2 钢平台各构件组合应力及变形验算结果组合应力剪应力结构构件(MPa)16Mn贝雷片8mm桥面板分配梁12 0 aQ235横梁2 13 6 a钢管桩529x10mm剪刀撑C20a由表1、表2 可知，贝雷片最大组合应力2 8 9.12 MPa，最大剪应力为12 9.8 1MPa；其他Q235钢材构件组合应力最大值12 6.6 4MPa，剪应力最大值6 1.3 2 MPa；各构件位移也均小于其长度方向的L/400变形限值（L为单个构件长度）。因此，该钢栈桥及钢平台各构件强度及刚度均满足施工阶段使用需求。3重载钢栈桥及钢平台施工工艺3.1钢栈桥施工工艺钢栈桥两侧桥台采用C30混凝土扩大基础、轻型桥台。栈桥施工从河岸向河中方向推进，首先利用5 0 t履带吊或2 5 t汽车吊配合振动锤逐根下沉钢管桩，然后吊车行驶至已完成搭设栈桥桥面，对相邻跨贝雷梁、分配梁及桥面系进行架设，直至完成栈桥施工。3.1.1 桥台施工栈桥便桥两侧桥台采用C30混凝土扩大基础、轻型桥台，按照设计所需地基承载力为12 5 kPa。地基处理采用换填法，回填料应优先选用级配较好、颗粒强度高的碎石土、砾类、砂类士等透水性好的粗粒，粗粒最大粒径应小于15 0 mm，缺乏优质粗粒土填料时，可用质地坚硬的片石作为回填料（片石不宜采用泥岩），填石层之上应铺设3 0 cm厚碎石调平层。钢栈桥桥台完成场地压实平整后，地基承载力采用原位测试方法进行测定，经测试均满足承载力要求。在临时桥台指定位置按设计尺寸开挖至指定高程，对原地面进行压实。最后支模，在指定位置预埋钢板预埋件，采用C30混凝土浇筑桥台。3.1.2钢管桩施工（1）钢管桩的加工与运输。钢栈桥及钢平台均采用52910mm规格钢管桩。所有施工材料及设备均通过临时便道运入现场，材料入场必须严格遵守进场验收制，对达不到设计要求的材料坚决清除出场，不得使用。钢管桩构件运输的最大长度为12.0 m，利用挂车运至施工现场。每次运载钢管桩时根数要合适，并且用钢丝绳对钢管桩进行临时固定。位移(mm)（2）钢管桩下沉。对钢管桩桩位进行测量放样，测量人(MPa)员根据栈桥设计图纸，计算出每根钢管桩的坐标和标高，根289.12129.8187.1449.9294.8520.43126.6461.3277.02一68.1246.57(MPa)186.590.657.9232.2139.837.7356.8327.9524.68一46.2821.679.531.682.865.03一2.88位移(mm)5.165.152.861.69一2.16据计算结果在河岸边的控制点上设观测点。为确保每根钢管桩放样准确，现场施工要进行实时监控量测，并做好过程测量数据记录。栈桥所有钢管桩均利用5 0 t履带吊或2 5 t汽车吊配合DZ-90振动锤振，采用“钓鱼法”对钢栈桥进行施工。即采用汽车吊或履带吊悬吊型号为DZ-90的振动锤，按照设计桩位逐一振沉钢管桩，而后架设上部结构及桥面系的施工方法。首先对钢管桩桩位进行施工放样，测量人员根据设计图纸及专项施工方案对栈桥的坐标及高程进行计算，根据计算数据在栈桥岸上的控制点设立观测点，在下构施工过程进行实时监控，确保每根桩基平面位置及垂直度均满足要求，并做好施工过程测量数据记录。振动锤施振钢管桩时，振动锤及钢管桩拖运至吊车后方，吊车使用吊钩采用两点起吊，将钢管桩吊立并测量控制，然后通过调整桩架来修正桩身的垂直度。待桩位平面位置及垂直度满足规范要求后，依靠桩身及振动锤自重开始压锤。复测桩位及桩身垂直度，精度满足要求后，方可正式锤击沉桩，过程中要时刻监控桩身的垂直度及桩顶标高。振动锤施振钢管桩，若振压1min内下沉1cm，重复2 3 次仍未有变化，可认为已达到承载能力要求的地层深度。为防止钢管桩施振过程中发生变形，用厚1cm、高3 0 cm的环形钢板在桩顶抱焊加强。钢管桩下沉过程中，要边振边调整桩身垂直度。每个墩位钢管桩施工完成后，及时进行剪刀撑施工，保证其整体稳定性。相关示意图如图5 所示。振动锤栈桥钢管桩图5 钢管桩施工示意图3.1.3桩顶横梁架设完成钢管桩及剪刀撑施工后，即可对桩顶横梁进行调运及安装。在钢管桩顶部顶切割凹槽，切割后进行贴板牛腿补强，横梁由两根双拼I36a工字钢用2 0 cm20cm10mm钢板在双拼工字钢上下两面贴焊形成整体，每5 0 cm设置一道，同时双拼工字钢顶面钢板布置间距可依据相邻两贝雷片的间距适当调整。在钢筋加工场下料加工后，运输至栈桥桥头，用吊车吊装至桩顶凹槽与钢管桩槽帽钢板焊接固定，并加设圆弧板与钢管桩固定。桩顶横梁凹槽示意图如图6 所示。-22-钢栈桥及钢平台在桥梁施工阶段需兼做施工便道和桩基施工平台，因此该结构的承载力能否满足施工需求，直接关桥施工，最后在平台四周布置钢管护栏。303.3钢栈桥及钢平台拆除（1）便桥拆除采用吊车逐跨拆除，与架设顺序相反，先52.9拆桥面钢板，进而拆分配梁，再拆横梁、贝雷梁、下横梁，最后拆除螺旋管。钢平台搭设及拆除工艺一致，不再复述。（2）当水中分项工程施工完毕后，一般即可对钢栈桥及图6 桩顶横梁凹槽示意图（单位：cm）钢平台组织拆除。拆除应避开汛期，防止因水位上涨导致桥3.1.4上部结构及桥面系安装面以下分部工程因净空不够而无法拆除。上部结构主要包括标3 m长标准贝雷片、支撑架和分配（3）采用两台2 5 t吊车由河中心向岸侧逐跨拆除，拆除梁等，贝雷梁在岸上由两片贝雷片通过横向和竖向支撑架联顺序由上至下进行。结组成，贝雷梁拼接长度需根据栈桥设计跨径确定。完成好（4）面板及栏杆割除。栏杆及桥面面板人工破焊并割除一孔贝雷梁拼装后，采用单组贝雷梁整体吊装法进行安装。后，采用吊车吊送到平板车上，并及时转运至岸上指定材料每片贝雷梁与桩顶横梁均设置限位装置固定。贝雷梁通过销堆放点。材料堆放要严格执行“下垫上盖”原则，避免材料轴进行接长，插销应插紧并设防脱钩。现场施工过程要定期因保存不当泡水锈蚀。检查，验收要逐一排查是否存在插销遗漏或者松动，一旦发（5）上构拆除。首先解除工字钢分配梁U型扣，逐一将现要立即整改。分配梁拆除并转运，然后进行贝雷片主梁拆卸。拆卸前需先为防止贝雷梁在长期车辆振动的影响下从横梁脱落，需拆除贝雷片组间横向联系和墩顶限位装置，然后单孔整体拆按设计要求将栈桥桥台一侧设为固定端，桥尾一侧设为自由除，最后吊运至在栈桥后端分解并转运存放。端；平台上游一侧设为固定端，下游侧则设为自由端。相关（6）横梁割除及钢管桩拔除。单孔贝雷主梁拆卸完成后，施工示意图如图7 所示。将钢管桩桩顶的双拼工字钢横梁及桩间联系割除。然后用平板车将振动锤运送至桥面，并安装到桩头，用液压钳夹紧钢管桩桩壁后开启振动锤，桩底周边土壤随高频振动作用下逐渐出现液化现象，土体对钢管桩的摩擦力大幅减小，此时使用吊车将钢管桩缓慢向上拔动，直至整根拔出，最后利用转履带吊运至岸上材料堆放处。4结束语栈桥贝雷行架闲图7 贝雷梁施工示意图贝雷片纵梁安装完成后，逐块安装I20a的横向分配梁，再在上面铺设10 mm防滑花纹钢板做为行车面板，面板尺寸为1.5 m6m，沿着钢栈桥纵向铺设，与I20a工字钢点焊牢固。完成一跨后，在分配梁上焊接钢管，最后拉设防护网并通过钢丝绑扎固定。3.2钢平台施工工艺钢平台施工与钢栈桥施工顺序方法基本一致，设计时确保至少有一排平台钢管桩与钢栈桥钢管桩在同一断面上，便于栈桥及平台钢管桩之间的横向剪刀撑联接。剪刀撑采用C20a槽钢，钢栈桥与钢平台上部结构处在同一标高位置，钢栈桥和钢平台的分配梁采用手工电弧焊焊接。施工时先进行钢管桩打设，焊接剪刀撑增强整体稳定性，测量放线固定导向架，插打钢护筒，钢护筒与钢管桩连接增强整个工作平台的整体稳定性，钢管桩打设按先上游侧后下游，先岸侧后江侧的原则，依次插打52910mm钢管桩。其他工艺同钢栈系到现场施工的安全性和工作效率。本文结合工程实际对一座重载钢栈桥及钢平台进行设计，并通过MIDAS/civil2021对其进行全桥建模分析与结构优化，最后将成果用于指导现场施工，同时也验证了结构设计与建模的合理性。【参考文献】1姜枫，朱艳峰特大钢栈桥海上施工结构承载力研究与方案设计 .铁道科学与工程学报，2 0 18，15(6):1487-1493.2 伊凯.深水急流裸岩钢栈桥施工技术研究 J.桥涵工程，2016(2):17-21.3 康小龙，王敏哲.深水裸岩钢栈桥、钢平台施工技术 .水电施工技术，2 0 18(4):44-5 0.4 冯宇，牛延军，唐世强深水裸岩钢栈桥施工技术 .公路交通科技(技术应用版)，2 0 19(9)：117-118.5 葛俊颖.桥梁工程软件Midas civil使用指南 M.北京：人民交通出版社，2 0 13.6 邱顺冬.桥梁工程软件MidasCivil应用工程实例 M.北京：人民交通出版社，2 0 11.-23-