有限元法臨時施工棧橋優(yōu)化設(shè)計研究
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摘要:采用有限元模型根據(jù)最不利荷載組合進(jìn)行計算，與棧橋的撓度、應(yīng)力測試結(jié)果進(jìn)行驗證，并進(jìn)行優(yōu)化修正，優(yōu)化后的施工棧橋，結(jié)構(gòu)安全可靠，用材簡約合理，有效的提高了施工效率，降低了工程成本，可為類似工程提供參考。
關(guān)鍵詞:棧橋，優(yōu)化設(shè)計，數(shù)值模擬
1概述
臨時施工棧橋是一種為運輸材料、設(shè)備、人員而修建的臨時橋梁設(shè)施。為了保證棧橋安全，較好地控制材料使用量，對臨時棧橋的設(shè)計進(jìn)行詳盡的計算分析是極其重要的，且具有較大的社會和經(jīng)濟意義。文章參考近年來諸多施工棧橋設(shè)計的研究成果［1-4］，以某工程施工棧橋為研究對象，采用有限元分析軟件MIDASCIVIL建立三維有限元數(shù)值模型，選取最不利荷載組合進(jìn)行計算，對該棧橋受力最不利位置進(jìn)行判別，確定合理的設(shè)計方案，通過與工程實際測試結(jié)果進(jìn)行驗證，確定了方案的可行性，以期為今后類似工程提供參考。
2棧橋技術(shù)指標(biāo)
棧橋橋長18m，分成2個橋面，每個橋面寬6m，支撐條件為簡支，采用最不利情況，驗算荷載:掛—120，按照公路—Ⅰ級進(jìn)行移動荷載驗算，下部結(jié)構(gòu)為貝雷片結(jié)構(gòu)。貝雷片參數(shù):材料16Mn鋼，弦桿為10號雙槽鋼(C100×48×5．3/8．5，間距8cm)，腹桿Ⅰ8(h=80mm，b=50mm，tf=4．5mm，tw=6．5mm)。貝雷片的連接為銷接;支撐架參數(shù):材料Q235鋼，截面L63×4;分配橫梁參數(shù):材料Q235鋼，截面25號工字鋼;分配縱梁參數(shù):材料Q235鋼，截面12號工字鋼;鋼板參數(shù):材料Q235鋼，厚度1cm(見圖1)。
3初始方案計算分析
設(shè)計單位按照施工經(jīng)驗給出初始方案設(shè)計，棧橋由貝雷片、支撐架、橫向分配梁、縱向分配梁及鋪設(shè)鋼板組成。貝雷片的橫向布置為3×0．45m+3×0．45m，橫向分配梁采用25號工字鋼，間距0．705m，位置作用于貝雷片上弦桿的節(jié)點上，縱向分配梁采用12號工字鋼，間距0．25m，上鋪設(shè)厚度為0．01m的鋼板。
3．1幾何模型
基于有限元分析軟件MIDASCIVIL建立初始設(shè)計方案的施工棧橋模型，采用梁單元模擬貝雷片、分配橫梁和分配橫梁縱梁，桁架單元模擬支撐架，路面鋪裝鋼板采用板單元模擬，貝雷片銷接位置按照節(jié)點約束釋放形式模擬。模型按照簡支結(jié)構(gòu)計算，考慮最不利荷載組合，驗算荷載為掛—120和結(jié)構(gòu)自重，按照公路—Ⅰ級進(jìn)行移動荷載驗算。建立有限元模型如圖2所示。
3．2數(shù)值模擬分析
為了準(zhǔn)確判斷最不利荷載作用下，棧橋各部位的受力情況，進(jìn)而確定各結(jié)構(gòu)的最不利位置及應(yīng)力值，判斷棧橋整體結(jié)構(gòu)是否符合《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［5］的標(biāo)準(zhǔn)要求。若符合，則說明初始設(shè)計方案合理可行，若不符合，則根據(jù)最不利位置及數(shù)值對棧橋進(jìn)行加強處理，達(dá)到修正設(shè)計的目的，確定出合理的棧橋優(yōu)化方案?？紤]文章篇幅，僅對棧橋主要構(gòu)件及最不利狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)闡述。3．2．1棧橋結(jié)構(gòu)位移計算通過最不利荷載組合作用下棧橋結(jié)構(gòu)位移等值線圖得出，該棧橋結(jié)構(gòu)所能發(fā)生的最大撓度值為17．86mm，方向垂直向下，小于控制標(biāo)準(zhǔn)值±L/600=±30mm，橋梁整體剛度情況良好，最不利荷載組合作用下，橋梁撓度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。3．2．2棧橋各結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算通過模型最不利荷載組合作用下棧橋各主要結(jié)構(gòu)單元組合應(yīng)力等值線得出，棧橋貝雷片弦桿單元組合應(yīng)力值和棧橋貝雷片腹桿單元組合應(yīng)力值分別為－314．30MPa，－296．99MPa，呈壓應(yīng)力，大于控制標(biāo)準(zhǔn)值±232．5MPa，發(fā)生位置均為支座約束附近;棧橋支撐架桁架單元組合應(yīng)力值、棧橋分配橫梁單元組合應(yīng)力值和分配縱梁單元組合應(yīng)力值分別為－151．62MPa，－158．48MPa，－190．07MPa，呈壓應(yīng)力，小于控制標(biāo)準(zhǔn)值±215MPa，符合承載能力要求。綜上所述，棧橋貝雷片弦桿單元組合應(yīng)力和棧橋貝雷片腹桿單元組合應(yīng)力，在最不利荷載作用下不滿足控制標(biāo)準(zhǔn)要求，發(fā)生位置均為支座約束附近。為了施工中棧橋安全考慮，使其滿足設(shè)計評定要求，參照數(shù)值模擬計算結(jié)果，應(yīng)對棧橋下部支座附近貝雷片弦桿和腹桿予以加強，同時，棧橋剛度較好，可調(diào)整分配橫梁間距，使結(jié)構(gòu)受力更為充分合理。
3．3初始加固計算結(jié)果
在設(shè)計與施工經(jīng)驗相對缺乏的情況下，采用數(shù)值模擬分析是指導(dǎo)設(shè)計和施工的重要手段。通過數(shù)值模擬，不僅可以初步判斷設(shè)計方案的可行性，還能夠通過數(shù)值計算結(jié)果給出合理的優(yōu)化建議。文章對數(shù)值模擬計算結(jié)果進(jìn)行分析，判斷初始設(shè)計方案尚不可取，需對受力不符合要求位置采取加強措施，使其通過承載能力驗證。采用《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［5］中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計強度要求評定。貝雷片考慮折減系數(shù)0．75，確定評定標(biāo)準(zhǔn)，方案設(shè)計時還應(yīng)考慮貝雷片新舊程度，若采用舊貝雷片，還應(yīng)予以折減考慮。結(jié)果見表1。
4設(shè)計方案優(yōu)化
4．1優(yōu)化方案與模型
經(jīng)有限元計算分析，上述初始設(shè)計方案無法滿足承載能力要求，為保證施工過程中棧橋結(jié)構(gòu)安全可靠，需對不符合要求位置進(jìn)行加強，使其滿足承載能力要求，同時，對棧橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載測試，根據(jù)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行可行性研究，通過后方可投入使用。方案加強措施:貝雷片的橫向布置為3×0．45m+3×0．45m，橫向分配梁采用25號工字鋼，間距0．705m與0．795m結(jié)合，位置作用于貝雷片上弦桿的節(jié)點上，縱向分配梁采用12號工字鋼，間距0．25m，上鋪設(shè)0．01m鋼板。在貝雷片兩端處弦桿節(jié)點處增加支撐梁，材料16Mn鋼，為10號雙槽鋼(C100×48×5．3/8．5，間距8cm)，進(jìn)行加強，端部貝雷片下弦桿槽鋼內(nèi)部焊接鋼條進(jìn)行加固。模擬計算與初始設(shè)計方案相同，考慮最不利情況進(jìn)行承載能力驗算，建立有限元模型如圖3所示。
4．2優(yōu)化計算結(jié)果
結(jié)合棧橋初始設(shè)計方案數(shù)值模擬計算結(jié)果，對該棧橋不符合評定標(biāo)準(zhǔn)位置進(jìn)行加強處理。經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，在最不利荷載組合工況下，施工棧橋撓度和結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算結(jié)果見表2。數(shù)值模擬結(jié)果表明，優(yōu)化后，在加載工況D+F時，棧橋撓度和結(jié)構(gòu)應(yīng)力值均滿足規(guī)范［5］評定標(biāo)準(zhǔn)值，說明優(yōu)化后的棧橋設(shè)計方案理論上是合理可行的。
4．3測試結(jié)果驗證
考慮施工安全，臨時棧橋投入使用前采用最不利加載方式驗證優(yōu)化后方案的可行性。在棧橋跨中布置撓度觀測點，在棧橋應(yīng)力計算相應(yīng)位置布置應(yīng)力觀測元件，應(yīng)力在棧橋拼裝時采取初始值，撓度在預(yù)壓卸載后采取初始值，待加載數(shù)值穩(wěn)定后讀取測值。測試結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果比較情況詳見表3，圖4。上述結(jié)果表明，測試值與計算值高度統(tǒng)一，該數(shù)值模型能夠較好的模擬實際工程情況。該棧橋優(yōu)化方案是可行的，可為類似工程設(shè)計提供借鑒。
5結(jié)論與建議
采用數(shù)值模擬方式進(jìn)行棧橋計算，節(jié)省了計算時間，提高了計算精確度，為設(shè)計提供了可靠的工程數(shù)據(jù)。通過數(shù)值計算及測試結(jié)果驗證，該棧橋優(yōu)化后的方案，結(jié)構(gòu)撓度與結(jié)構(gòu)應(yīng)力各項數(shù)據(jù)符合標(biāo)準(zhǔn)評定要求，理論與實際均可行。優(yōu)化后的施工棧橋建成至今，未發(fā)生任何問題，不僅結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，安全可靠，還提高了施工效率，具有較大的工程意義，可為類似工程提供參考經(jīng)驗。
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作者：李永亮 張文亮 單位：中交一公局廈門工程有限公司