２０１４年第２期 Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｌ科技与创新 钢栈桥上部结构设计与优化 李英杰 （中铁三局集团有限公司，山西太原０３０００１） 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、 考虑到使车辆沿中心线运行，因此中心位置布置了３片贝雷粱， 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 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 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 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 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， 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 为类似工程提供了借鉴。 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 １工程概况 性，结构设计如下。 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 上部结构：９排贝雷片纵向排布，横向布置为９０＋１００＋１８０＋ 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 １００＋９０（ｃｍ），贝雷梁横向布置见图１。下部结构：采用 ６３０ｍｍ 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 ｘ 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， 咀河、兼流河、鱼塘湖泊等，河面常水位宽约８０ ｍ，它是为连 桩问用１０ ｃｍ槽钢水平向和剪刀向牢固焊接。钢管桩上采用双拼 接两岸便道、方便车辆和行人通过而设计的钢栈桥。 Ｉ４５横梁，长６ｍ。便桥桥面结构：桥面净宽６ｍ，采用装配式钢 斧头湖钢栈桥主要用于履带吊车、罐车和运砂车等施工车 面板，单块面板长６ｍ，宽１．５ｍ，面板采用５．５ｍｍ厚印花钢板， 辆的运行，设计宽度６ｍ，单跨长９ｍ，总长１０８ｍ。 底横肋为１２６ｍｍ工字钢，间距３０ ｃｍ，底纵肋为１２６１２１１１１槽钢， ２钢便桥初步设计方案 槽钢间距７０ ｃｍ。 现场最大荷载为５０ ｔ的履带吊车，吊重２５ ｔ，履带长４．５ ｍ， ３上部结构计算 履带宽０．７ ｍ，履带中心间距２．５ ｍ。 ３．１履带吊车主要计算工况 跨窑咀河搭设钢便桥，单跨长９ ｍ，桥面宽６ ｍ。设计主要 按照简支梁计算，使用ｍｉｄａｓ ｃｉｖｉｌ软件建立履带吊车荷载 这就要做到既接受单位领导的统一安排，又履行好自身所处领 ４结束语 域的职责。建筑师参与到结构设计中去，结构设计师参与到具 如今，建筑行业的发展越来越迅速，竞争也越来越激烈。 体施工当中去，互相交流，研究出更科学、更有效益的具体优 人们对住房质量的要求不断提高。在这种情况下便有了房屋结 化方案，然后再去具体实施。 构设计的优化，也是建筑商降低成本与竞争的有力武器。在工 ３．４优化概念设计和细部结构 程项目中，占据很高比例的就是工程造价，因为它能够产生明 概念设计的应用是在没有具体数据的情况下，就因为它的 显的经济效益。因此，通过优化设计的房屋结构可以有效控制 不具体、不确定，导致计算总是与现实存在一定差异。所以， 整个工程的造价成本。 在进行设计的时候要用到概念设计的方式。这需要设计人员对 参考文献 、 运用结构的设计优化有着灵活的思维，以求达到最佳效果。而 ［１］马臣杰，张良平，范重．优化技术在深圳京基金融中心中的 在设计的过程中，还要注意对于细致部位的结构设计优化，比 应用［Ｊ］．建筑结构，２００９（４）． 如，住宅建筑最常用到的细部造型工具飘窗、窗的开启面积、 ［２］杨建．谈建筑结构的优化设计［Ｊ］．建筑科学，２００９（４）． 开启的方式、扇窗的风格，都会影响到建筑立面的感观。在选 ［３］辛海虹．结构设计优化技术与其在房屋结构设计中的应用 择飘窗的时候，应该看立面的造型考虑是否有空调的实际使用， ［Ｊ］．价值工程，２０１０（２７）． 选择合适的窗扇造型和搁板，以达到既美观又安全的目的。 ［编辑：曹月］ Ａｎａｌｙｔｉｃ Ｈｏｕｓｅ Ｄｅｓｉｇｎ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｄｅｓｉｇｎ Ｚｈｅｎｇ Ｒｕｏｆｅｉ ’ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒａｐｉｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｏｃｉａｌ ｅｃｏｎｏｍｙ，ｕｒｂａｎ ｌａｎｄ ａｒｅａ ｔｈａｔ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｒａｐｉｄｌｙ，ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ ｈｉ曲 ｌａｎｄ ｐｒｉｃｅｓ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｔｅｅｌ，ｃｅｍｅｎｔ，ｌａｂｏｒ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｐｒｉｃｅｓ ｒｉｓｉｎｇ，ｔｈｅ ｃｏｓｔ ｏｆ ｈｏｕｓｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｃｏｓｔｓ ｒｏｓｅ ｓｔｅａｄｉｌｙ，ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ， ｔｈｅ ｃｏｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ—ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｈａｖｅ ｂｅｃｏｍｅ ｍｏｒｅ ｓｔｒｉｎｇｅｎｔ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｉｓ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｏｄａｙ’Ｓ ｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇ， ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｌｙ ｆｒｉｅｎｄｌｙ ｇｒｅｅｎ ｔｈｅｍｅ，ｔｏｄａｙ’Ｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍａｒｋｅｔ ｆｏｒ ｈｏｕｓｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｔｅｎｔ， ｗｅｒｅ ｍａｄｅ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｍｅａｎｉｎｇ ｏｆ ｌｉｇｈｔ，ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｉｓｓｕｅｓ，ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｅｃｔｏｒ ｉｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｌｅｖｅ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｄｅｓｉｇｎ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ｈｏｕｓｅ ｄｅｓｉｇｎ ・５３・ 科技与创新ｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ 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。 ２０１４年第２期 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 ｏ ｔ 工况二 Ｇ ｔ 工况三 Ｇ Ｔ 工况四 允许应力 ６ ｏ Ｔ 桥面板／ＭＰａ 弦杆／ＭＰａ １３ ６．５ ２０．６ １０－３ ｌ２．３ ６ ２ １９．４ ９．７ １９０ ｌ１０ １０９．９ ７３．５ １０９．５ ７２ ７ １Ｏ６ １０３＿３ １】４ １０９．９ ３１０ ｌ８０ 腹杆／ＭＰａ １７０．７ ８ １７０．８ ７．９ ２３９．３ ｌ１．７ ２５５ ５ １２－４ ３１Ｏ ｌ８０ ５２．１ ３０２ ５ｌ ４０３．３ １９．９ ２８７．４ １９０ 支撑架／ＭＰａ ５１－２ 最大支反力／ｋＮ ２６２ 立柱横梁／ＭＰａ １６．８ １０．５ １６－４ １３．４ ２６ １３．８ ２７４ ２０．１ ｌ９０ ｌ１０ Ｌ × 注：６表示弯曲应力；Ｔ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 工况一 ｏ 工况二 ｏ ｔ 工况三 Ｔ 工况四 允许应力 ａ Ｔ Ｔ 桥面板／ＭＰａ １７．１ ８．５ ２６．９ ｌ３．４ １４．７ ７．３ ２４．７ １２ ３ ｌ９０ １ｌ０ 图１ 履带吊车结构简图 图２履带吊车荷载单跨模型图 弦杆／ＭＰａ １４７．９ １Ｏ３ １１４．７ ７９ １０８．５ １Ｏ５＿３ １３８．９ １３４．９ ３ｌ０ １８Ｏ 腹杆／ＭＰａ ２４１．１ ｌ１－３ ｌ８２．７ ８．６ ２４２．２ １１．８ ３０９．４ ｌ５．２ ３１０ １８０ 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 支撑架／ＭＰａ ７６ 支反力／ｋＮ ３７５．３ ５８．８ ２８１．４ ９ｌ ５ ４２８．２ ｌ１８．６ ４５８．８ １９Ｏ 立柱横梁／ＭＰａ ２６．６ １６．２ ｌ７．５ ９．１ ２５．５ １７．５ ２６．５ ｌ５．４ １９０ ｌｌ０ 注：ｏ表不弯曲应力；Ｔ表示剪应力。 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ｏ＝１９０ ＭＰａ，允许剪应力Ｔ＝１１０ ＭＰａ；Ｑ３４５钢允 许弯曲应力ｏ＝３１５ ＭＰａ，允许剪应力ｚ＝ｌ８０ ＭＰａ。 ３．２．１履带吊车沿桥梁中心线行驶 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 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１．０ｍ改为０．９ｍ， 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 ｌＳ １．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． 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 ［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． 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， 作者简介：李英杰（１９８５一），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 ｓｃｈｅｍｅｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｕｎｆａｖｏｒａｂｌｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｉｅｒｓ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅａｎｄ 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；ｄｅｓｉｎ；ｆｇｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｕｎｆａｖｏｒａｂｌｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ・５４・
