周彩貴,高丙麗

(1.西北水利水電工程有限責(zé)任公司,西安 710065；2.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,西安 710054)

文章編號：1006—2610(2015)01—0049—04

某廠房邊坡治理工程鋼棧橋設(shè)計及穩(wěn)定性分析

周彩貴1,高丙麗2

(1.西北水利水電工程有限責(zé)任公司,西安 710065；2.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,西安 710054)

在邊坡治理工程中，需在搭設(shè)腳手架時以鋼棧橋作為輔助支撐體。針對某水電工程地質(zhì)條件復(fù)雜的實際情況，采用有限元法，分析了邊坡治理工程鋼棧橋的穩(wěn)定性，得到了鋼棧橋橫梁和縱梁的應(yīng)力和應(yīng)變分布特性，確定結(jié)構(gòu)受力和變形較大的位置，分析結(jié)構(gòu)中比較危險的桿件，為設(shè)計與施工提供參考依據(jù)。工程實踐表明，鋼棧橋穩(wěn)定性分析結(jié)果正確。

水電站；邊坡；穩(wěn)定性；有限元；鋼棧橋

0 前 言

鋼棧橋作為一種常見的工業(yè)建筑形式已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于公路、港口、礦山以及水電等工程中，目前國內(nèi)外在鋼棧橋設(shè)計中常采用桁架結(jié)構(gòu)。桁架是指由直桿在端部相互連接而組成的格子式結(jié)構(gòu)，桁架中的桿件大部分情況下只受軸線拉力或壓力，由于桿件的應(yīng)力在截面上均勻分布，因而容易發(fā)揮材料的作用，所以在棧橋設(shè)計時才經(jīng)常采用桁架結(jié)構(gòu)。在實際工程中荷載并不一定全部作用于結(jié)點上，鋼棧橋上部弦桿也承受彎矩作用，屬于壓彎構(gòu)件。目前國內(nèi)外對鋼棧橋的計算研究相對較多，并積累了較好的理論基礎(chǔ)。本文利用有限元對鋼棧橋進(jìn)行安全分析，其計算原理與方法可以借鑒到其他工程腳手架與鋼棧橋的設(shè)計與計算中。

1 工程概況

某廠房右側(cè)邊坡基巖裸露，以F④-2斷層為界，上游側(cè)為薄層、中厚層結(jié)晶灰?guī)r夾大理巖，下游側(cè)為厚層、巨厚層英安質(zhì)凝灰?guī)r夾安山質(zhì)凝灰?guī)r。邊坡上主要發(fā)育順坡向?qū)永砑按怪卑镀陆M裂隙。其中灰?guī)r、大理巖段邊坡由于巖層陡傾岸外且陡于邊坡坡腳，故邊坡整體穩(wěn)定性較好，且經(jīng)裂隙切割后無較大不穩(wěn)定塊體，但局部有小規(guī)模松動巖體及危石零星分布；凝灰?guī)r段邊坡由于巖層傾角小于或等于邊坡坡腳，故邊坡下部有部分巖層在垂直岸坡組裂隙的切割下順層滑落形成現(xiàn)在邊坡大光面，本段邊坡在天然狀態(tài)下整體穩(wěn)定性較好，但邊坡上部危巖廣泛分布，在外應(yīng)力作用下有小面積塌方和掉塊可能。由于上述地質(zhì)情況，為保證廠房及尾水渠施工及后期運行安全，要求對該部位進(jìn)行危石清理、錨固及柔性防護(hù)。整個邊坡高程約為1 400.00～1 680.00 m, 其中1 450.00 m高程以下為75°以上陡坡，局部為直坡，甚至倒坡；1 450.00 m高程以上綜合坡比也在60°左右。

鑒于本工程施工要求，需從廠房右岸邊坡底部開始搭設(shè)腳手架向山頂做輔助施工。因腳手架搭設(shè)高度有限，中部需要做2層鋼棧橋為輔助支撐體。本工程于2012年完成第1層鋼棧橋的施工工作，主要施工方案通過借鑒其他水電站鋼棧橋結(jié)構(gòu)制作。而第1層鋼棧橋至第2層鋼棧橋位置中間為倒坡，且靠近倒坡位置下方形成凹面。因此，需要搭設(shè)第2層滿堂架才能越過倒坡位置進(jìn)行第2層鋼棧橋施工。在第2層腳手架搭設(shè)過程中，腳手架掃地桿與支撐桿盡量借助山體坡面做為支撐點，避免棧橋因承受較大重量而變形。鋼棧橋需承擔(dān)其上部腳手架的重量及施工荷載。本工程由于腳手架搭設(shè)量較大(達(dá)到80 t)，棧橋承擔(dān)的荷載也很大，因此需要對鋼棧橋的承載力、變形及其整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析驗算，以確保結(jié)構(gòu)的安全性。鋼棧橋結(jié)構(gòu)如圖1。

2 鋼棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

2號棧橋計劃總長98 m，共計70組梁，橋面寬1.5 m，為1.5 m長槽鋼，斜支撐為2.3～2.5 m槽鋼，斜支撐下部支撐點為下排錨筋樁露頭處滿焊焊接，并支撐于巖石面上。縱梁為6 m長槽鋼按4排平鋪于縱梁上，排距為0.5 m，并與橫梁焊接牢固。錨樁孔間距1.3～1.5 m，排距1.4～1.6 m(受巖面控制，位置稍異)。2道棧橋焊接型式相同，如圖2所示。

圖1 鋼棧橋結(jié)構(gòu)圖

圖2 2號棧橋側(cè)視圖和俯視圖 單位：mm

鋼棧橋主要使用材料為5 mm花紋鋼板、12號槽鋼及Φ28聯(lián)系筋。 鋼結(jié)構(gòu)用鋼材為Q235鋼，焊接材料的選用應(yīng)符合設(shè)計圖的要求，并應(yīng)具有鋼廠和焊接材料廠出具的質(zhì)量證明書或檢驗報告。由于篇幅所限，本文僅對2號鋼棧橋進(jìn)行有限元分析。

3 有限元分析

3.1 結(jié)構(gòu)有限元模型建立

棧橋結(jié)構(gòu)是空間整體結(jié)構(gòu)，將其簡化為平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，基本符合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，但是不能全面反映結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力分布和變形特征。為了全面了解結(jié)構(gòu)的受力特性和變形特性，了解結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，確定結(jié)構(gòu)最不利的位置，利用大型有限元分析軟件Midas對棧橋的整個結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

根據(jù)棧橋結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、材料參數(shù)、桿件類型等建立有限元分析模型。由于該棧橋長98 m，寬僅僅1.5 m，因此建立的模型為細(xì)長型模型，不便于后期的數(shù)據(jù)分析和結(jié)果展示。通過前期的對比分析發(fā)現(xiàn)可以用5跨計7.5 m長的結(jié)構(gòu)代替整個實際結(jié)構(gòu)，對整個結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果影響很小，因此，主要對一個5跨的棧橋進(jìn)行力學(xué)分析，如圖3所示。建立有限元模型沒有考慮錨筋樁的粘結(jié)與滑移。

圖3 結(jié)構(gòu)有限元分析模型圖

3.2 有限元分析結(jié)果

3.2.1 梁截面的應(yīng)力

通過有限元分析，計算出梁的應(yīng)力和梁截面應(yīng)力分布如圖4～6所示。

圖4 梁單元應(yīng)力圖

由圖4～6可以看出，鋼棧橋橫梁最大彎曲應(yīng)力為102.69 N/mm2

圖5 中間棧橋梁橫梁跨中截面應(yīng)力圖

圖6 端部縱梁截面應(yīng)力分布圖

3.2.2 結(jié)構(gòu)的變形分析

通過有限元分析，結(jié)構(gòu)的變形如圖7所示。

圖7 結(jié)構(gòu)的變形示意圖

由圖7可以看出，棧橋梁最大位移為0.89 mm，小于規(guī)范要求的3.75 mm；縱梁的最大位移為0.27 mm，4小于規(guī)范要求的2.75 mm，結(jié)構(gòu)的剛度均滿足要求。

3.2.3 計算結(jié)果分析

通過理論分析與有限元分析相結(jié)合的方法，對棧橋梁、縱向梁進(jìn)行了分析，具體如下：

(2) 棧橋梁有限元分析所得的位移為0.89mm，小于規(guī)范要求的3.75mm，結(jié)構(gòu)的剛度滿足要求。

(3) 縱向梁的最大應(yīng)力為106.69N/mm2，小于鋼材的抗彎強(qiáng)度210N/mm2，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及穩(wěn)定性滿足要求?？v梁的最大位移為0.27mm，小于規(guī)范要求的2.75mm，滿足結(jié)構(gòu)剛度要求。

(4) 通過有限元分析結(jié)果表明，2號鋼棧橋結(jié)構(gòu)體系在強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定系方面均滿足要求，且具有一定的安全儲備。

4 結(jié) 語

(1) 利用有限元分析軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模，綜合分析結(jié)構(gòu)在各種荷載工況下應(yīng)力應(yīng)變情況，研究結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形分布情況，確定結(jié)構(gòu)受力或變形較大的位置，分析結(jié)構(gòu)中比較危險的桿件，為設(shè)計與施工提供參考依據(jù)。

(2) 目前，第1層和第2層腳手架已拆，第1層和第2層鋼棧橋留在原處；第3層腳手架已施工完成，腳手架及鋼棧橋未監(jiān)測到異常變形，同時也沒有發(fā)生垮塌現(xiàn)象，說明計算結(jié)果是正確的。

[1] 陳祖煜.土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析[M].北京:中國水利水電出版社,2003.

[2] 蔡美峰,何滿潮,劉東燕.巖石力學(xué)與工程[M].北京：科學(xué)出版社,2002.

[3] 黃國超.鋼棧橋設(shè)計淺析[J].城市建設(shè)理論研究,2013,(7).

[4] 陳曦,丁梅,李書明,吳靜雯.淺議棧橋內(nèi)力計算方法[J].四川建筑,2012,32(1)：124-126.

[5] 王進(jìn)波.三溪口水電站鋼棧橋設(shè)計[J].小水電,2012,(1):45-47.

[6] 吉杰宇. 那邦水電站大壩右岸高邊坡加固中的預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計[J].西北水電，2012，(4)：54-57.

[7] 王怡婷,蔡占順,張峰.淺議鋼棧橋、鋼爬梯在拉西瓦水電站高邊坡施工中的應(yīng)用[J].水電施工技術(shù),2012,(1):40-43.

[8] 石小剛,蘇海.錦屏二級水電站主廠房人行鋼棧橋設(shè)計與施工[J].葛洲壩集團(tuán)科技，2012,(2):72-74.

[9] 曹 龍,楊仲洪,穆國鋒.石門坎水電站大壩下游鋼棧橋施工[J].中州水電,2013,(7).

Design and Stability Analysis on Steel Trestle for Treatment of One Powerhouse Slope

ZHOU Cai-gui1, GAO Bing-li2

(1. Northwest Water Resources and Hydropower Engineering Co., Ltd., Xi'an 710065,China;2. Architectural and Civil Engineering School, Xi' an University of Science and Technology, Xi'an 710054,China)

In slope treatment, the steel trestle is required to work as an auxiliary support while scaffolding is installed. Aiming at the complicated geological conditions of one hydropower station, the finite element method is applied to analyze the stability of the steel trestle for the slope treatment. The characteristics of the stress and strain distribution of the transversal and longitudinal girders of the steel trestle are derived, positions where the structural action and deformation are greater are determined. These provide design and construction with basis. The engineering practice proves that the results of the analysis on the stability of the steel trestle are correct.

hydropower station; slope; stability; finite element; steel trestle

2014-11-05

周彩貴(1974- )，男，甘肅省永登縣人，高級工程師，主要從事水利水電工程勘探、施工與管理.

TV52

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.013