姚　琳

(湖南路橋建設(shè)集團有限責任公司， 湖南 長沙　410004)

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基于Midas的施工便梁鋼棧橋靜動力分析及設(shè)計評價

姚琳

(湖南路橋建設(shè)集團有限責任公司， 湖南 長沙410004)

摘要：D型施工便梁由于具有較多優(yōu)點，在我國鐵路橋涵的施工中應(yīng)用廣泛，然而應(yīng)用于鐵路施工臨時鋼棧橋則不多，且針對其的設(shè)計計算和建模受力分析普遍過于簡單。針對這一問題，利用D24型施工便梁設(shè)計了某施工臨時鋼棧橋，基于有限元空間建模技術(shù)對該橋進行了靜動力分析。結(jié)果表明：該橋靜力工作性能良好，動力剛度較大，能夠滿足掛車-100荷載等級的要求；文中所述建模計算方法簡單方便，實用可行。

關(guān)鍵詞：D型施工便梁； 鋼棧橋； Midas； 有限元分析

0引言

D型施工便梁原設(shè)計主要是用于鐵路既有線路和站場的橋涵施工，其最大優(yōu)點是可以在不中斷鐵路行車的情況下，利用它進行橋涵的開挖和施工，同時具有運輸和拆裝方便的優(yōu)點[1]，曾一度在我國鐵路橋涵施工中得到廣泛應(yīng)用。

國內(nèi)學(xué)者對D型施工便梁的受力性能和應(yīng)用領(lǐng)域已進行了大量研究。王心順[2]采用有限元分析方法對D型施工便梁進行了受力分析并進行了改造，擴大了其應(yīng)用領(lǐng)域；劉波[3]將D型施工便梁應(yīng)用于多跨框架橋涵頂進施工中，與吊橫梁法工藝相比，D型施工便梁具有操作實用可行，經(jīng)濟效益好的優(yōu)點，同時劉香杰[4]對D型施工便梁進行箱涵頂進施工作業(yè)的要點進行了總結(jié)；錢沖[5]將D型施工便梁作為托架用于混凝土箱梁的現(xiàn)澆施工；劉吉元等[6]對D16型施工便梁進行改造應(yīng)用于鐵路岔區(qū)線路加固施工，并從強度、剛度及連接三方面對便梁進行了驗算；郭相武[7]采用有限元軟件ANSYS計算了D型施工便梁在動荷載作用下的動撓度和自振頻率，對其動態(tài)特性進行了分析研究?？傮w而言，D型施工便梁主要應(yīng)用鐵路橋涵的施工，未見用于鐵路施工臨時棧橋的報道，對其進行受力分析目前趨向于應(yīng)用商業(yè)有限元軟件進行空間分析，但是普遍對空間建模的關(guān)鍵技術(shù)一筆帶過，難以讓人學(xué)習(xí)參考其建模方法。為此，本文將D24型施工便梁用于臨時鋼棧橋的設(shè)計，并采用有限元軟件Midas Civil對其進行了空間靜動力分析，最后對該臨時鋼棧橋進行了設(shè)計評價，可為類似工程的設(shè)計建模提供一定的參考。

1工程概況

某鐵路工程位于云南省廣南縣山區(qū)地帶，線路多設(shè)計為橋隧相連，(68+128+68)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋為其重點控制性工程。為了橋梁懸臂現(xiàn)澆施工的需要，需修建施工便道至橋位處以運送橋梁施工相關(guān)物資，施工便道寬約8 m，施工便道在某山區(qū)小河處中斷，故需修建臨時性橋梁以跨越障礙，小河寬約22 m，為了加快施工進度，設(shè)計擬采用單跨簡支臨時鋼棧橋方案，主梁采用D24型施工便梁，通過購買成品組裝以便快速實現(xiàn)臨時橋梁的建設(shè)。

臨時鋼棧橋跨度24 m，橫向分左右兩幅布置，單幅寬約4 m，每幅橋采用2片D24型施工便梁作為主梁，采用配套橫梁，間距67 cm一道，橫梁上鋪設(shè)I10工字鋼作為縱梁，間距25 cm，縱梁上鋪設(shè)12 mm厚鋼板作為橋面板。橫梁與主梁根據(jù)產(chǎn)品配套采用螺栓連接，縱橫梁采用U型卡固定，縱梁與鋼板之間采用焊縫連接固定。橋梁兩端采用C30砼擴大基礎(chǔ)，預(yù)埋地腳螺栓與主梁固定。單幅橋梁平面和斷面分別如圖1和圖2所示，D24型施工便梁主、橫梁如圖3所示。

圖1　單幅鋼棧橋半橋平面圖(單位： mm)

圖2　單幅鋼棧橋斷面圖(單位： mm)

圖3　D24型施工便梁各部件尺寸(單位： mm)

2鋼棧橋空間有限元建模

2.1設(shè)計方法及采用軟件

本設(shè)計采用容許應(yīng)力法設(shè)計，采用商業(yè)有限元軟件Mdias Civil 2013進行建模計算。

2.2荷載分析

鋼棧橋承受荷載主要有恒載和活載兩大類，恒載主要包括結(jié)構(gòu)自重，活載主要包括汽車荷載和人群荷載，由于當?shù)丨h(huán)境的原因，不考慮風雪荷載等。

根據(jù)現(xiàn)場施工的需要，綜合考慮多種車輛荷載，最終汽車荷載以掛車-100級作為設(shè)計荷載。汽車荷載不與人群荷載同時組合。

2.3有限元建模

2.3.1節(jié)點單元的建立

主梁、橫梁、縱梁等采用梁單元模擬，橋面板采用板單元模擬，根據(jù)結(jié)構(gòu)的尺寸進行幾何建模，共建立了1 184個節(jié)點，1 204個梁單元，504個板單元。

2.3.2材料截面特性導(dǎo)入

材料截面特性是進行有限元計算的關(guān)鍵參數(shù)。主梁鋼材材質(zhì)為Q345B，為鋼箱截面；橫梁鋼材材質(zhì)為Q345B，截面為工字型；縱梁和鋼板材質(zhì)為Q235，縱梁采用I10工字鋼。在Midas軟件中可以通過添加材料截面特性的辦法輸入。

主梁截面特性添加如圖4所示。

圖4　Midas中添加截面特性

2.3.3邊界條件的處理

主梁和橫梁由于采用螺栓連接，故采用共用節(jié)點的辦法自動實現(xiàn)剛性連接，縱梁和橫梁之間的連接采用Midas 中的“彈性連接”命令中的剛性連接模擬，兩端支座一側(cè)采用固定支座(約束Dx，Dy，Dz)，一側(cè)采用活動支座(約束Dz)，模擬簡支梁約束情況。

2.3.4移動荷載的施加

移動荷載的加載采用在橋面板上建立車道面，車道面的位置距離主梁中心1 m，然后定義掛車-100標準車輛，建立移動荷載工況后即可實現(xiàn)了移動荷載的影響線加載。添加車道面如圖5所示。

圖5　Midas中添加車道面

2.3.5空間有限元模型

建立的有限元計算模型如圖6所示。

圖6　鋼棧橋空間有限元計算模型

3靜力分析

靜力分析主要分析結(jié)構(gòu)在靜荷載作用下的反應(yīng)，以便對結(jié)構(gòu)靜力工作性能進行評價。主要分析自重和汽車活載等效靜荷載組合作用下，橋梁的變形和應(yīng)力情況。

3.1車輛荷載沖擊作用等效

由于汽車活載是移動荷載，分析時應(yīng)考慮動力沖擊作用，利用沖擊系數(shù)與汽車靜荷載的乘積進行等效。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范(JTG D60-2004)》[8]第4.3.2條規(guī)定，汽車荷載的沖擊力標準值為汽車荷載標準值乘以沖擊系數(shù)μ，第5款規(guī)定沖擊系數(shù)可按下式計算：

當f<1.5 Hz時：

μ=0.05；

當1.5 Hz≤f≤14 Hz時：

μ=0.176 7lnf-0.015 7；

當f>14 Hz時：

μ=0.45。

式中：f為結(jié)構(gòu)基頻，Hz。

在Midas Civil中首先通過特征值分析得到結(jié)構(gòu)基頻，然后在移動荷載分析時直接輸入結(jié)構(gòu)基頻數(shù)值，程序根據(jù)該值自動考慮沖擊系數(shù)。

3.2車輛荷載影響線加載

由于車輛在橋上行進是移動的，在不同的地方引起結(jié)構(gòu)的反應(yīng)是不同的，為了確保結(jié)構(gòu)的安全，需要得出車輛在行進過程中的結(jié)構(gòu)最大反應(yīng)。Midas Civil軟件為用戶提供了一個“移動荷載追蹤器”功能，該功能可以方便地依據(jù)反力、位移、梁板單元內(nèi)力、梁單元應(yīng)力為追蹤目標進行移動荷載追蹤。下面以獲取跨中最大位移為目的追蹤車輛加載位置為例進行說明。

Midas中操作方法為：結(jié)果→移動荷載追蹤器→位移，其中主梁跨中節(jié)點號為39，由于位移向下為負，故應(yīng)選擇MVmin：掛車100工況，從而追蹤跨中節(jié)點獲得最大位移的車輛加載位置，如圖7所示。

圖7　跨中最大位移時移動荷載追蹤

3.3靜力分析結(jié)果

根據(jù)上面移動荷載追蹤的辦法得到車輛靜荷載加載位置，有限元分析得到全橋各桿件的最大應(yīng)力如表1所示，其中材料容許應(yīng)力的取值參照《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[9](JTJ025-86)的要求選取，一并列于表1中。

表1 全橋桿件最大應(yīng)力及強度評價桿件名稱鋼材材質(zhì)最大應(yīng)力/MPa容許應(yīng)力/MPa正應(yīng)力剪應(yīng)力正應(yīng)力剪應(yīng)力強度評價主梁Q345B100.818.9210120滿足橫梁Q345B83.967.3210120滿足縱梁Q23582.624.414585滿足橋面板Q23534.318.414585滿足

全橋最大變形圖如圖8所示。

圖8　全橋最大變形圖

由圖8可知鋼棧橋最大豎向位移為：

46 mm

綜上可知：全橋桿件均滿足受力要求。

4動力分析

動力分析主要是獲得結(jié)構(gòu)的自振特性，包括結(jié)構(gòu)的前幾階振型和頻率。Midas提供了特征值分析功能，采用子空間迭代法計算得到前3階頻率分別為5.63、 8.44、 20.79 Hz，前3階振型如圖9所示。

a) 一階振型

b) 二階振型

c) 三階振型

由圖9可知，一階振型為豎彎，符合橋梁主要承受豎向荷載抗彎的特點。根據(jù)文獻[10]，參考類似工程其一階頻率為3.723 6 Hz，本橋一階頻率大于該值，說明該橋具有較大的整體剛度。

5設(shè)計評價

通過對全橋進行了有限元空間建模靜動力分析，可以作出如下設(shè)計評價：

1) 由靜力分析可知：在保證各桿件連接完好的情況下，全橋各桿件均滿足強度和剛度要求，靜力計算反應(yīng)較小，靜力工作性能良好，能夠滿足掛車-100荷載等級的要求。

2) 由動力分析可知：一階振型為豎彎，符合橋梁主要承受豎向荷載抗彎的特點；一階頻率較大，全橋整體剛度較大。

3) 全橋設(shè)計符合規(guī)范要求，全橋設(shè)計較保守，各桿件均有較大的安全系數(shù)。

6結(jié)語

D型施工便梁具有眾多優(yōu)點在鐵路橋涵施工中得到了廣泛應(yīng)用，本文成功地將其應(yīng)用到鐵路施工臨時鋼棧橋中，擴大了其應(yīng)用領(lǐng)域。施工安全是當今工程施工的熱點問題，施工臨時結(jié)構(gòu)的安全是其重要內(nèi)容，要保證臨時結(jié)構(gòu)的安全，結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理與安全系數(shù)的保證是關(guān)鍵。本文采用有限元軟件Midas Civil對鋼棧橋進行了靜動力分析，并較詳細地列出了其建模過程和注意要點，本文所述空間有限元建模方法可供類似工程設(shè)計提供一定的參考。

參考文獻：

[1] 中鐵寶橋天元實業(yè)發(fā)展有限公司.D型施工便梁使用說明書[Z].2010.

[2] 王心順.基于有限元分析的D型施工便梁改造與應(yīng)用研究[J].國防交通工程與技術(shù)，2015(2)：36-39.

[3] 劉波.D型施工便梁在多跨框架橋涵頂進中的應(yīng)用[J].鐵道標準設(shè)計，2008(3)：85-87.

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[5] 錢沖.D型施工便梁作為托架現(xiàn)澆梁施工工法研究[J].山西建筑，2015(6)：165-166.

[6] 劉吉元，王麗.橫向加寬D16型施工便梁在岔區(qū)線路加固中的應(yīng)用[J].鋼結(jié)構(gòu)，2015(4)：40-43，47.

[7] 郭相武.D型施工便梁動態(tài)安全特性的試驗研究[D].長沙：中南大學(xué)，2004.

[8] JTG D60-2004，公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].

[9] JTJ 025-86，公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[10] 郭相武.D型施工便梁動態(tài)特性的有限元分析[J].鐵道標準設(shè)計，2005(7)：57-59.

中圖分類號：U 445.4

文獻標識碼：A

文章編號：1008-844X(2016)01-0090-03