钢栈桥检算及其 Midas 模型分析讨论.pdf

·桥涵工程· 收稿日期：２０１６ ０３ １３ 钢栈桥检算及其Ｍｉｄａｓ 模型分析讨论 于春双 （中铁十四局集团第四工程有限公司 山东济南 ２５０００２） 摘 要 贝雷梁钢栈桥的设计计算和贝雷梁支架不同，贝雷梁支架计算可以简化为某一片梁承受均布荷载，每一 片梁的荷载计算比较明确，适合手算。栈桥的荷载主要是局部的活荷载，特别是横向的荷载传递比较复杂，采用较 为合理的Ｍｉｄａｓ 模型假设才能比较准确地计算出栈桥的受力情况。本文通过两种Ｍｉｄａｓ 模型假设的建立与分析， 对钢栈桥贝雷梁进行了系统的检算，以供类似工程参考。 关键词 栈桥 Ｍｉｄａｓ 贝雷梁 结构检算 中图分类号 Ｕ４４５．４ 文献标识码 Ｂ 文章编号 １００９ ４５３９ （２０１６）增１ ０１０７ ０３ Ｍｉｄａｓ Ｍｏｄｅｌ Ｈｙｐｏｔｈｅｓｉｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｔｅｅｌ Ｔｒｅｓｔｌｅ Ｙｕ Ｃｈｕｎｓｈｕａｎｇ （Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ １４ｔｈ Ｂｕｒｅａｕ Ｇｒｏｕｐ ４ｔｈ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｊｉｎａｎ Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２５０００２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｂａｉｌｅｙ ｂｅａｍ ｓｔｅｅｌ ｔｒｅｓｔｌｅ’ｓ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｒｏｍ Ｂａｉｌｅｙ ｂｅａｍ ｂｒａｃｋｅｔ．Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｂａｉ ｌｅｙ ｂｅａｍ ｂｒａｃｋｅｔ ｃａｎ ｂｅ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ａｓ ａ ｂｅａｍ ｕｎｄｅｒ ｕｎｉｆｏｒｍｌ ｌｏａｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｈａｎｄ ｗｏｒｋ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｌｏａｄ ｏｆ Ｂａｉｌｅｙ ｂｅａｍ ｂｒｉｄｇｅ ｉｓ ａ ｐａｒｔｉａｌ ｌｉｖｅ ｌｏａｄ，ａｎｄ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ ｔｈｅ ｌａｔｅｒａｌ ｌｏａｄ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｉｓ ｍｏｒｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｔｈａｎ Ｂａｉｌｅｙ ｂｅａｍ ｂｒａｃｋｅｔ．Ｔｈｅ ｆｏｒｃｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｃａｎ ｂｅ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｗｉｔｈ ａ ｍｏｒｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ Ｍｉｄａｓ ｍｏｄｅｌ ｈｙｐｏｔｈｅｓｉｓ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｗｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｍｉｄａｓ ｈｙｐｏｔｈｅｓｉｓ ｍｏｄｅｌｓ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｈｅｃｋｉｎｇ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｂａｉｌｅｙ ｂｅａｍ ｉｓ ｇｉｖｅｎ ｆｏｒ ｓｉｍｉｌａｒ ｐｒｏｊｅｃｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｓｔｅｅｌ ｔｒｅｓｔｌｅ；Ｍｉｄａｓ；Ｂａｉｌｅｙ ｂｅａｍ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｈｅｃｋｉｎｇ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ １ 栈桥设计方案 连云港至镇江铁路工程新建钢栈桥，跨度２４ ｍ， 图１ 栈桥横断面图 纵向分配梁采用间距３０ ｃｍ 的１２．６工字钢，横向分配梁 采用间距７５ ｃｍ 的２５ 工字 钢，面板采用１０ ｍｍ厚钢面板， １０ 片贝雷梁跨在三拼的３２ 工字钢［１］。具体布置如图１ 所示。 ２ 荷载分析 ２．１ 恒载 上部结构恒重（按６．０ ｍ 宽计算） （１）１０ ｍｍ 厚度钢板：７８．５ ｋｇ／ｍ２ （２） １２．６：１４．２２３ ｋｇ／ｍ （３） ２５ａ：３８．１０５ ｋｇ／ｍ （４） ３２ａ：５２．７１７ ｋｇ／ｍ （５）３２１ 型贝雷梁：２７０ ｋｇ／片 ２．２ 活荷载 （１）１２ ｍ３ 水泥罐车：取满载情况下荷载总重为 ５００ ｋＮ。前轴重７０ ｋＮ，每个车轮荷载为３５ ｋＮ，中 后轴重为２１５ ｋＮ，中后轴有２ 组车轮，则单组车轮 荷载为１０７．５ ｋＮ，每个车轮荷载为５３．７５ ｋＮ。 （２）履带吊５０ ｔ（参考车型中联重科ＱＵＹ５０ 履带 吊自重４８ ｔ）：考虑吊装荷载总重量７０ ｔ（自重４８０ ｋＮ 加上吊重２２０ ｋＮ），取履带长４．９ ｍ，每条履带宽 ０．７６ ｍ，两履带间距为２．５４ ｍ。 则每侧履带荷载为７００ ／（４．９ ×０．７６ ×２）＝ 铁道建筑技术 ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１６（增１ ） １０７ ·桥涵工程· ９３．９９ ｋＮ ／ｍ２，均匀分布于两条履带上。 （３）施工荷载及人群荷载：４ ｋＮ ／ｍ。 ３ 钢栈桥上部结构检算 ３．１ 桥面钢板检算 ３．１ ．１ 计算模型及荷载分析 （１）罐车荷载 对于钢面板而言，最不利的荷载情况为：中轴 或者后轴一侧的两排车轮荷载（均布荷载）作用在 面板上，按三跨连续梁计算［２］。 ①自重均布荷载：０．７８５ ｋＮ ／ｍ２。 ②施工及人群荷载：不考虑与汽车同时作用。 ③罐车轮压：前轴车轮着地宽度和长度为０．３ ｍ ×０．２ ｍ，后轴车轮着地宽度和长度为０．６ ｍ ×０．２ ｍ。 车轮集中力分布为：ｑ１ ＝１０７．５ ／０．６ ＝１７９．２ ｋＮ／ｍ 自重均布力分布为：ｑ２ ＝０．７８５ ×０．２ ＝０．１５７ ｋＮ／ｍ 钢面板下横向分布梁１２．６ 每隔３００ ｍｍ 间距 布置，计算跨度为３００ ｍｍ，钢板计算宽度取０．６ ｍ。 则总荷载为：ｑ ＝１．２ｑ２ ＋１．４ｑ１ ＝２１５．３ ｋＮ ／ｍ。 （２）履带吊荷载 一侧履带３５０ ｋＮ，履带宽０．７６ ｃｍ，作用在三跨 宽１ ｍ 的钢板上。作用力分布情况为： ｑ１ ＝３５０ ／０．７６ ／４．９ ＝９４ ｋＮ ／ｍ ｑ２ ＝０．７８５ ×１ ＝１３２．５４ ｋＮ ／ｍ 总体荷载为：ｑ ＝１．２ｑ２ ＋１．４ｑ１ ＝１３２．５４ ｋＮ ／ｍ 履带吊荷载受力较罐车小，钢面板检算时可不 进行履带吊荷载检算［３］。 ３．１ ．２ 强度检算 １０ ｍｍ 厚钢板主要特性参数见表１。 表１ １０ ｍｍ 厚钢板特性参数 特性 截面惯性矩截面抵抗矩弹性模量截面面积 Ｉｘ ／ｍ４ Ｗｘ ／ｍ３ Ｅ／ＭＰａ Ａ／ｍ２ 参数５ ×１０ －８ １０ ×１０ －６ ２．１ ×１０５ ０．００６ 强度检算的荷载组合：ｑ ＝２１５．３ ｋＮ ／ｍ 利用力学计算器求得面板受力弯矩结果见图２。 图２ 桥面板受力弯矩图 最大弯矩值：Ｍｍａｘ ＝１．５１ ｋＮ·ｍ 钢板所受荷载应力为： σ＝ＭＷ ＝ １．５１ １０ ×１０ －６ ＝１５１ ＭＰａ（小于［σ］＝２３５ ＭＰａ） 桥面板强度满足设计要求。 ３．１ ．３ 刚度检算 利用力学计算器求得面板受力挠度结果见图３。 图３ 桥面板受力挠度图 罐 车荷载作用下最大挠度为０．５４ ｍｍ，小于Ｌ／ ４００ ＝３００ ｍｍ／４００。桥面板强度满足设计要求。 ３．２ １２．６ 纵向分配梁内力 ３．２．１ 计算模型及荷载分析 （１）１２ ｍ３ 水泥罐车 最不利荷载为单侧后轮宽度范围内分布在两 根纵梁上，前轮分布在一根纵梁上，简化为集中力， 按三跨连续梁计算［４］。则工字钢上荷载分布为：ｑ ＝１．２ｑ２ ＋１．４ｑ１ ＝７５．４２ ｋＮ ／ｍ。 （２）履带吊 一侧履带的荷载作用在两根工字钢纵梁上，按 三跨连续梁计算。则作用在一根工字钢上的荷载 分布情况为：ｑ ＝１．２ｑ２ ＋１．４ｑ１ ＝１００．１３ ｋＮ ／ｍ。 ３．２．２ 强度检算 １２．６ 型钢主要特性参数见表２。 表２ １２．６ 型钢特性参数 特性 截面惯性矩截面抵抗矩弹性模量截面面积 Ｉｘ ／ｍ４ Ｗｘ ／ｍ３ Ｅ／ＭＰａ Ａ／ｍ２ 参数４．８８ ×１０ －６ ７．７５ ×１０ －５ ２．１ ×１０５ ０．００１ ８ （１）罐车荷载 罐车荷载作用下最大弯矩为Ｍｍａｘ ＝７．０６ ｋＮ·ｍ １２．６ 型钢所受最大荷载应力为： σ＝ＭＷ ＝ ７．０６ ７．７５ ×１０ －５ ＝９１．１ ＭＰａ（小于［σ］＝２０５ ＭＰａ） １２．６ 纵梁在罐车荷载作用下强度满足设计要求。 （２）履带吊荷载 履带吊荷载作用下最大弯矩为Ｍｍａｘ ＝５．６３ ｋＮ·ｍ １２．６ 型钢所受最大荷载应力为： σ＝ＭＷ ＝ ５．６３ ７７．５ ×１０ －６ ＝７２．６ ＭＰａ（小于［σ］＝２０５ ＭＰａ） １２．６纵梁在履带吊荷载作用下强度满足设计要求。 １０８ 铁道建筑技术 ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１６（增１ ） ·桥涵工程· ３．２．３ 刚度检算 （１）罐车荷载 利用力学计算器求得罐车荷载作用下挠度结 果如图４ 所示。 图４ １２．６ 纵梁在罐车荷载下的挠度图 罐车荷载作用下最大挠度为０．２５ ｍｍ，小于 ７５０ ｍｍ／４００ ＝１．８７６ ｍｍ。 １２．６ 纵梁挠度满足设计要求。 （２）履带吊荷载 利用力学计算器求得履带吊荷载作用下挠度 结果如图５ 所示。 图５ １２．６ 横梁在履带吊荷载下的挠度图 履带吊荷载作用下最大挠度为０．２ ｍｍ，小于 ７５０ ｍｍ／４００ ＝１．８７６ ｍｍ。 １２．６ 纵梁挠度满足设计要求。 ３．３ ２５ 横向分配梁内力 ３．３．１ 计算模型及荷载分析 恒载为工字钢自重、纵向分配梁及钢板自重， 简化为线荷载：ｑ２ ＝１．３２６ ｋＮ ／ｍ。 （１）１２ ｍ３ 水泥罐车 最不利荷载分布为后排的后轮作用在单根横 梁上［５］。集中力作用在单根２５ 的横梁上。 集中力：１．４ｑ１ ＝１．４ ×１０７．５ ＝１５０．５ ｋＮ ／ｍ 均布受力：１．２ｑ ＝１．５９ ｋＮ ／ｍ （２）履带吊 一侧４．９ ｍ 履带的荷载最少作用在６ 根工字钢 横梁上，一侧的履带作用在单根横梁上的荷载为： ｑ ＝３５０ ／６ ＝５８．３３ ｋＮ ／ｍ 履带吊荷载受力较罐车小，横向分配梁检算时 可不进行履带吊荷载检算。 ３．３．２ 强度检算 ２５ 型钢主要特性参数见表３。 表３ ２５ 型钢特性参数 特性 截面惯性矩截面抵抗矩弹性模量截面面积 Ｉｘ ／ｍ４ Ｗｘ ／ｍ３ Ｅ／ＭＰａ Ａ／ｍ２ 参数５．０２ ×１０ －５ ４．０１ ×１０ －４ ２．１ ×１０５ ０．００４ ８ 横梁在罐车荷载作用下最大弯矩为： Ｍｍａｘ ＝１．４ ×１４．８４ ＝２０．７７６ ＭＰａ ２５ 型钢所受最大荷载应力为： σ＝ＭＷ ＝ ２０．７７６ ４．０２ ×１０ －４ ＝５１．６８ ＭＰａ（小于［σ］＝２０５ ＭＰａ） ２５ 横梁强度满足设计要求。 ３．３．３ 刚度检算 罐车荷载作用下最大挠度为０．０７ ｍｍ，小于 ９００ ｍｍ／４００ ＝２．２５ ｍｍ。２５ 横梁挠度满足设计要求。 ４ Ｍｉｄａｓ 模型检算 ４．１ Ｍｉｄａｓ 模型的假设 计算跨径取最大跨Ｌ ＝２４ ｍ，按照简支梁计算。 为比较准确地考虑横向多片贝雷梁的受力分布，建 立Ｍｉｄａｓ 模型进行模拟计算［６］。 本文通过模型对比来描述不同的假设对计算结 果的影响，为简化对比分析，只考虑５０ ｔ 罐车荷载和 栈桥本身的恒载作用。按以下两种建模进行假设： 模型一：假设贝雷梁与纵横向分配梁及桥面板 刚性连接在一起，共同受力。该模型理论上增大了 栈桥纵横向的整体刚度［７ －８］。 模型二：假设不考虑纵梁和桥面板，只考虑车 轮作用在横向分配梁上。贝雷梁通过几根横梁共 同受力。该模型比较符合实际，模拟的横向刚度较 小［９ －１０］。下面分别按照这两种假设进行建模分析。 ４．２ 模型一 贝雷梁与纵横向分配梁及桥面板刚性连接在一 起共同受力［１１］，其栈桥应力和挠度如图６、图７ 所示。 图６ 模型一Ｍｉｄａｓ 栈桥应力图 模型一分析应力由图６ 可知，贝雷梁应力最大 为下弦杆，１３６．５ ＭＰａ。 图７ 模型一Ｍｉｄａｓ 栈桥挠度图 （下转第２０４ 页） 铁道建筑技术 ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１６（增１ ） １０９ ·隧道／地下工程· ［８］ 薄春莲．土压平衡式盾构机切削穿越建筑物桩群施工 技术［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１１（４）：４７ －５１． ［９］ 张成龙．盾构施工中自动导向系统的原理及应用［Ｊ］． 铁道建筑技术，２０１１（２）：４９ 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