前言:想要寫出一篇引人入勝的文章?我們特意為您整理了有限元法臨時施工棧橋優(yōu)化設(shè)計研究范文,希望能給你帶來靈感和參考,敬請閱讀。
摘要:采用有限元模型根據(jù)最不利荷載組合進行計算,與棧橋的撓度、應(yīng)力測試結(jié)果進行驗證,并進行優(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行計算,對該棧橋受力最不利位置進行判別,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。考慮文章篇幅,僅對棧橋主要構(gòu)件及最不利狀態(tài)進行詳細(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行加強,使其滿足承載能力要求,同時,對棧橋結(jié)構(gòu)進行加載測試,根據(jù)測試數(shù)據(jù)進行可行性研究,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),進行加強,端部貝雷片下弦桿槽鋼內(nèi)部焊接鋼條進行加固。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。
參考文獻(xiàn):
[1]沈波,詹海剛,張富兵.MIDAS軟件在海上鋼棧橋計算中的應(yīng)用[J].公路,2012(12):33-35.
[2]尹棟佳,陳夢,李琳琳,等.基于有限元模型的鋼棧橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].福建交通科技,2016(5):67-70.
[3]姜楓,朱艷峰.特大鋼棧橋海上施工結(jié)構(gòu)承載力研究與方案設(shè)計[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報,2018(6):1487-1493.
[4]張戰(zhàn)凱,邊鵬飛.深水鋼棧橋設(shè)計方案對比分析[J].公路,2018(6):177-180.
[5]GB50017—2017,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].
作者:李永亮 張文亮 單位:中交一公局廈門工程有限公司