钢栈桥上部结构设计与优化

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 钢栈桥上部结构设计与优化 作者：李英杰 来源：《科技与创新》2014年第02期

摘 要：对斧头湖特大桥钢栈桥进行设计，通过对设计方案的验算，提出了栈桥的最不利工况和优化方案，并对栈桥的使用提出了一定的要求，以期为类似栈桥的设计和优化提供宝贵的经验。

关键词：钢栈桥；设计；有限元；优化；最不利工况 中图分类号：U448 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）02-0053-02 钢栈桥以其在跨河跨湖桥梁施工中快速安装、拆除方便、可循环利用的优点被广泛使用。本文基于武汉城市圈环线高速公路咸宁西段斧头湖特大桥，设计并计算了跨越窑咀河、兼流河和鱼塘湖泊等的钢栈桥，并通过分析得出钢栈桥的优化方案，为类似工程提供了借鉴。

1 工程概况 武汉城市圈环线高速公路咸宁西段项目起于嘉鱼县新街镇港东村，斧头湖特大桥是武汉城市圈环线高速公路重要的一座桥梁，其位于咸宁市咸安区官埠桥镇雨坛村境内，桥梁跨越窑咀河、兼流河、鱼塘湖泊等，河面常水位宽约80 m，它是为连接两岸便道、方便车辆和行人通过而设计的钢栈桥。

斧头湖钢栈桥主要用于履带吊车、罐车和运砂车等施工车辆的运行，设计宽度6 m，单跨长9 m，总长108 m。

2 钢便桥初步设计方案 现场最大荷载为50 t的履带吊车，吊重25 t，履带长4.5 m，履带宽0.7 m，履带中心间距2.5 m。

跨窑咀河搭设钢便桥，单跨长9 m，桥面宽6 m。设计主要考虑到使车辆沿中心线运行，因此中心位置布置了3片贝雷梁，每片贝雷梁间距0.45 m；车辆如果未能在中心线上运行，两侧贝雷梁将承受较大荷载，因此两侧也布置3片贝雷梁。贝雷梁下部使用横梁将钢管桩连接，使得贝雷梁能更好地向下传递荷载，钢管桩之间用槽钢横向和斜向连接，增强钢管桩受压稳定性，结构设计如下。

上部结构：9排贝雷片纵向排布，横向布置为90+100+180+ 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 100+90（cm），贝雷梁横向布置见图1。下部结构：采用υ630 mm×8 mm钢管桩打入土中，横向布置的3根钢管桩间距为2.35 m，桩间用10 cm槽钢水平向和剪刀向牢固焊接。钢管桩上采用双拼I45横梁，长6 m。便桥桥面结构：桥面净宽6 m，采用装配式钢面板，单块面板长6 m，宽1.5 m，面板采用5.5 mm厚印花钢板，底横肋为126 mm工字钢，间距30 cm，底纵肋为126 mm槽钢，槽钢间距70 cm。

3 上部结构计算 3.1 履带吊车主要计算工况 按照简支梁计算，使用midas civil软件建立履带吊车荷载作用下桥梁整体模型（见图2），面板采用板单元，贝雷梁弦杆和腹杆采用梁单元，支撑架采用桁架单元，立柱横梁采用梁单元，安全系数取1.2.

考虑到履带吊车运行的轨迹和范围，履带吊车运行至跨中时纵梁弯矩最大，运行至每跨一端时纵梁剪力最大，为最不利工况。现场车辆运行或吊装时不可能严格按照纵向中心线运行，同时考虑到栈桥上的行人通道，将履带吊车沿桥梁中心线0.9 m行驶作为最不利工况。

图1 履带吊车结构简图 图2 履带吊车荷载单跨模型图 3.1.1 履带吊车沿桥梁中心线行驶 工况一：履带吊车行驶至桥中心，履带吊车无偏载；工况二：履带吊车行驶至桥中心，起吊后重物所有荷载由一侧履带承担；工况三：履带吊车整车刚上桥，履带吊车无偏载；工况四：履带吊车整车刚上桥，起吊重物后所有荷载由一侧履带承担。

3.1.2 履带吊车偏移桥梁中心线0.9 m行驶 工况一：履带吊车行驶至桥中心，履带吊车无偏载；工况二：履带吊车行驶至桥中心，起吊后重物所有荷载由靠近桥中心线侧履带承担；工况三：履带吊车整车刚上桥，履带吊车无偏载；工况四：履带吊车整车刚上桥，起吊重物后所有荷载由靠近桥中心线侧履带承担。

3.2 履带吊车荷载作用下计算模型及结果 通过建立midas有限元模型，计算栈桥在最大荷载和最不利工况下桥面板、贝雷梁的各个部件、横梁的弯曲应力和剪应力可知，弦杆和腹杆采用Q345钢材，桥面板、支撑架和立柱横梁采用Q235钢材。根据《钢结构设计规范》可知，Q235钢允许弯曲应力σ=190 MPa，允许剪应力τ=110 MPa；Q345钢允许弯曲应力σ=315 MPa，允许剪应力τ=180 MPa。

3.2.1 履带吊车沿桥梁中心线行驶 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 具体情况详见表1. 3.2.2 履带吊车偏移桥梁中心线0.9 m行驶 具体情况详见表2. 4 计算结果分析 从表1和表2可以看出，钢栈桥设计满足规范要求，50 t履带吊车可以在钢栈桥上行驶，50 t自重加25 t吊重的履带吊车可以在钢便桥上吊装施工。

比较表1和表2中相同工况（工况一和工况一比较，以此类推），包括桥面板、贝雷梁和立柱横梁，表2中弯曲应力大于表1中弯曲应力，由此可知，履带吊车上桥后偏离桥中心线，桥梁部分杆件更接近破坏。

比较表2中工况二和工况四（或工况一和工况三），工况四中贝雷梁弦杆剪应力大于工况二，由此可知，履带吊车刚上桥便产生较大剪应力，同样从表1中也可以看出来。所以，在计算钢栈桥时，不仅要考虑荷载在跨中时产生的较大弯曲应力，

荷载在支点处产生的剪应力也必须要考虑。 表1 履带吊车中心线沿桥梁中心线行驶结果表 工况一 工况二 工况三 工况四 允许应力 σ τ σ τ σ τ σ τ σ τ 桥面板/MPa 13 6.5 20.6 10.3 12.3 6.2 19.4 9.7 190 110 弦杆/MPa 109.9 73.5 109.5 72.7 106 103.3 114 109.9 310 180 腹杆/MPa 170.7 8 170.8 7.9 239.3 11.7 255.5 12.4 310 180 支撑架/MPa 51.2 — 52.1 — 51 — 19.9 — 190 — 立柱横梁/MPa 16.8 10.5 16.4 13.4 26 13.8 27.4 20.1 190 110 最大支反力/kN 262 302 403.3 287.4 — 注：σ表示弯曲应力；τ表示剪应力。 表2 履带吊车中心线沿着桥中心线最大偏移0.9 m行驶结果表 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 工况一 工况二 工况三 工况四 允许应力 σ τ σ τ σ τ σ τ σ τ 桥面板/MPa 17.1 8.5 26.9 13.4 14.7 7.3 24.7 12.3 190 110 弦杆/MPa 147.9 103 114.7 79 108.5 105.3 138.9 134.9 310 180 腹杆/MPa 241.1 11.3 182.7 8.6 242.2 11.8 309.4 15.2 310 180 支撑架/MPa 76 — 58.8 — 91.5 — 118.6 — 190 — 立柱横梁/MPa 26.6 16.2 17.5 9.1 25.5 17.5 26.5 15.4 190 110 支反力/kN 375.3 281.4 428.2 458.8 — 注：σ表示弯曲应力；τ表示剪应力。 综合表1和表2可知，桥梁最危险的工况是表2中的工况四，由此可见，履带吊车上桥的偏移量直接决定了履带吊车能否安全通过，计算中的最不利工况为履带吊车偏离中心线刚驶入栈桥时。

由表2中工况四可知，腹杆已经接近允许应力，而桥梁其他部位的其他杆件均有较大的安全空间，可见在车辆偏离桥梁中心线行驶时，桥梁受力非常不均匀，贝雷梁整体性不良。

5 优化建议 根据分析结果可知，尽管桥梁满足规范要求，但钢栈桥受力不均匀，部分杆件接近允许荷载，而另一些杆件无法充分利用。根据这个情况，建议3组贝雷梁间距由1.0 m改为0.9 m，并通过支撑架全部连接，增强整体受力性能。

根据计算结果可知，履带吊车上桥最大偏移量为0.9 m，因此，钢栈桥必须设置行驶范围栏杆，防止车辆偏移过多发生事故。建议重型车辆上桥尽量沿中心线行驶，以保证桥梁受力合理。

参考文献 [1]中华人民共和国建设部.GB50017—2003 钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.

[2]黄绍金.装配式公路钢桥多用途使用手册[M].北京：人民交通出版社，2002. 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn [3]刘麟乾，朱永红.淮河特大桥贝雷梁钢栈桥设计与施工[J].科技传播，2011，6：148-149. [4]于良科.钢栈桥设计与施工[J].山西建筑，2007，33（24）：306-307. [5]张波，彭启明，陈倩，等.钢栈桥施工技术分析[J].交通科技与经济，2011，6：4-9. ———————— 作者简介：李英杰（1985—），男，助理工程师，2011年毕业于兰州交通大学道路与铁道工程专业（硕士研究生）。

〔编辑：曹月〕 Steel Pier Upper Structure Design and Optimization Li Yingjie Abstract： For the axe lake bridge steel trestle design， through the calculation of design scheme， puts forward the most unfavorable conditions of the piers and optimization scheme， and puts forward certain requirements on the use of the pier， so as to provide valuable for similar bridge design and optimization of experience.

Key words： steel pier； design； finite element； optimization； the most unfavorable conditions