手算与有限元分析结合在钢便桥验算中的运用
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作者:蓝伟锋
摘要：某高桩码头工程施工临时通行需要，拟在海上架设一座钢便桥。为提升验算效率及可靠性，钢便桥的上部结构采用MidasCivil软件进行分析，桩基则利用软件分析所得数据进行手算。常规手算与具备更大自由度和强大的分析能力的MidasCivil有限元数值分析软件结合，可提升施工企业生产效率、经济效益和竞争力。文章可为类似临时结构验算提供借鉴。
关键词：MidasCivil;有限元分析;钢便桥;桩基手算
中图分类号：U446文献标识码：A文章编号：1006―7973（2022）08-0052-04
1工程概况
1.1平面布置
钢便桥长252m、宽6m。
1.2结构形式
钢便桥跨径12m，每排设2根φ630×10mm钢管桩作基础，间距4.4m;桩顶开槽，安装双拼I40b工字钢横梁，横梁上设3组双排单层321型贝雷片纵梁，贝雷片间距0.9m，组距1.35m。纵梁上设I25b工字钢横向分配梁，间距0.795m、0.705m。横向分配梁上设I12.6工字钢纵向分配梁，间距0.3m。I12.6纵向分配梁上设δ10mm防滑钢板做为桥面板。钢管桩横向支撑采用[25槽钢。如图1、图2所示。
1.3材料参数
本工程钢便桥除贝雷片纵梁采用16Mn钢材外，其余均采用Q235B。
2上部Y构有限元分析
2.1建模
取钢便桥中间3×12m建模，模型如图3所示。
2.2边界条件
（1）钢管桩在嵌固点处固接（采用假想嵌固点）;
（2）钢管桩与横梁弹性连接;
（3）横梁与贝雷梁弹性连接;
（4）贝雷梁与横向分配梁弹性连接;
（5）横向分配梁与纵向分配梁弹性连接;
（6）纵向分配梁与面板弹性连接;
（7）两相邻贝雷梁之间共节点，同时释放梁端约束。
2.3荷载
（1）结构自重荷载：由软件自动计入。
（2）12m3混凝土搅拌车满载45t，轴重分布如图4所示。
（3）70t履带吊：自重61t，吊重10t，履带尺寸为5.15m×0.76m，履带中心间距4.0m。
（3）水流力、风荷载根据《港口工程荷载规范》（JTS144-1-2010）计算。
（4）临时材料堆放、人群荷载、管线荷载：5kN/m2。
结构重要性系数：取1.0
调整系数：取1.0
冲击系数：取1.1
2.4工况
工况一：履带吊作业;
工况二：混凝土搅拌车通行;
工况三：车辆停止通行，抵抗台风。
2.5分析结果
经验算，横梁、横向分配梁、纵向分配梁、面板在最不利工况下组合应力均小于Q235B钢材强度设计值215Mpa，其中，最大值出现在纵向分配梁，值为132.9Mpa。贝雷片纵梁最大组合应力为253.7Mpa，小于16Mn钢材强度设计值310Mpa，贝雷纵梁最大竖向变形为12.6mm，小于L/400=30mm。
钢管桩基础最大支反力为798.8kN（详见图5），钢管桩最不利工况下的最大弯矩为87.51kN・m（详见图6），钢管桩稳定性、入土深度计算中采用此数据进行手算。
3钢管桩基础手算
3.1钢管桩稳定性分析
钢管稳定性分析考虑车辆正常行驶荷载、车辆制动荷载、安装误差、水流力及风荷载。
3.1.1桩基嵌固点
根据《码头结构设计规范》（JTS167-2018）钢管桩的相对刚度系数：，其中，表层土为淤泥，，受弯嵌固点距离泥面的深度为。受水平力或力矩的桩，入土深度宜满足弹性长桩的条件，即入土深度不小于4T=10m。
3.1.2钢管桩轴心受压稳定系数计算
根据《码头结构设计规范》（JTS167-2018）桩身压屈计算长度m。长细比
。
根据《水运工程钢结构设计规范》（JTS152-2012）按b类截面，查表得。
3.1.3钢管桩偏心弯矩计算
按《码头结构施工规范》（JTS215-2018）的规定，钢管桩的垂直度偏差不宜超过1%，偏心距取计算长度的1%。偏心距，根据上部结构有限元分析结果，钢管桩轴力为798.8kN，偏心弯矩。
3.1.4最不利工况钢管桩弯矩
根据上部结构有限元分析结果，钢管桩最不利工况下的最大弯矩为87.51kN・m。
3.1.5钢管稳定性计算
根据《水运钢结构设计规范》（JTS152-2017），压弯钢管的整体稳定按下列公式进行计算：
将钢管桩弯矩、轴力代入上述公式，经计算，钢管桩压弯稳定相当折算应力为110MPa≤215Mpa，满足承载力要求，稳定性满足要求。
3.2钢管桩入土深度计算
3.2.1工程地质情况
自上而下，场地岩土层主要有淤泥①厚22.52m、淤泥质土②厚10.70m、粉质粘土③厚7.10m、砂土状强风化凝灰熔岩④厚12.90m。
3.2.2桩基设计参数
3.2.3单桩承载力验算
钢管桩按桩尖进入粉质粘土③层0.5m考虑，总入土深度33.72m。
单桩最大轴力798.8kN，故单桩承载力满足要求。
综上所述，整体结构承载力、刚度、稳定性满足要求。
4结语
该钢便桥采用手算与MidasCivil软件分析相结合的方法进行验算，在三种不同工况下承载力、刚度和稳定性满足要求。实践证明，该高桩码头施工钢便桥设计是合理可行、安全可靠的。MidasCivil软件建模的便捷性，为结构优化节省了大量时间，其计算结果的精确度也确保了后续桩基手算的可靠性。常规手算与MidasCivil软件结合在类似施工临时结构验算方面具有参考价值。
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nlc202209191133
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