市政管線溝槽上方移動(dòng)棧橋設(shè)計(jì)

1、<p>　　市政管線溝槽上方移動(dòng)棧橋設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要:在城市管線修建和改造過(guò)程中,管線溝槽不可避免的要穿越城市的主干路。在管線施工過(guò)程中為使城市主干路不斷交，文章結(jié)合石家莊市軌道交通預(yù)留工程新百?gòu)V場(chǎng)站管線遷改工程，在排水溝槽的上方設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可移動(dòng)棧橋，利用有限元軟件ANSYS模擬了移動(dòng)荷載通過(guò)溝槽棧橋的過(guò)程，對(duì)棧橋的剛度及強(qiáng)度進(jìn)行了校核。 </p><p>　　

2、關(guān)鍵詞：管線 石家莊市軌道交通 ANSYS 溝槽棧橋 移動(dòng)荷載 </p><p>　　中圖分類號(hào)：TU990.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A </p><p><b>　　1概述 </b></p><p>　　石家莊軌道交通預(yù)留工程新百?gòu)V場(chǎng)站管線遷改工程中排水溝槽長(zhǎng)1.7千米左右，溝槽深5m左右，溝槽寬5.2m，溝槽橫穿石家莊主干路中山路，為使中山路不斷交

3、減小對(duì)城市交通的影響，需在溝槽上方架設(shè)臨時(shí)棧橋，供城市車輛通過(guò)。這就要求棧橋具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、移動(dòng)方便和成本低的特點(diǎn)。 </p><p><b>　　2溝槽棧橋設(shè)計(jì) </b></p><p>　　每片棧橋由6組I28a工字鋼組成，每?jī)山MI28a工字鋼的中心距為20cm，每?jī)山MI28工字鋼的腹板間由I16工字鋼連接成整體，6組I28a工字鋼頂面鋪上8mm厚防滑鋼板。每片棧橋

4、的寬度為1.122m，長(zhǎng)9.2m，棧橋的總寬度可根據(jù)施工實(shí)際情況將每片棧橋進(jìn)行拼接，圖1-1為棧橋結(jié)構(gòu)示意圖。 </p><p>　　3溝槽棧橋承載分析 </p><p>　　3.1車輛荷載的確定 </p><p>　　棧橋上的車輛荷載根據(jù)公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行確定，車輛荷載的立、平面尺寸見(jiàn)圖3-1，車輛荷載主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3-1。 </p><

5、;p>　　由表3-1可知，車輛荷載的前輪著地寬度為0.3m，而每?jī)山MI28工字鋼的中心距為0.2m，車輛荷載的前軸重力標(biāo)準(zhǔn)值為30KN，將前軸重力平均分配兩個(gè)I28工字鋼上，所以每根I28工字鋼承擔(dān)前軸重力為15KN。中、后輪著地寬度為0.6m，所以每根I28工字鋼承擔(dān)中、后軸重力為40KN、46.7KN。 </p><p>　　棧橋的總長(zhǎng)度為9.2m，溝槽的寬度為5.2m，而整個(gè)車輛荷載的長(zhǎng)度為12.8m

6、，這就要求計(jì)算時(shí)找出車輛荷載通過(guò)5.2m溝槽時(shí)的最不利位置，在用有限元軟件ANSYS計(jì)算時(shí)，設(shè)計(jì)移動(dòng)荷載的速度為15KM/h，即4.167m/s,車輛荷載通過(guò)溝槽的時(shí)間為3.072s。 </p><p>　　3.2計(jì)算模型建立 </p><p>　　計(jì)算采用有限元軟件ANSYS軟件中的BEAM3單元模擬I28工字鋼，計(jì)算模型如圖3-2所示，邊界條件為一側(cè)固定鉸支，另一側(cè)為可動(dòng)鉸支。I28型

7、鋼的彈性模量為210Gpa，泊松比為0.3,體積質(zhì)量為7800kg/m3。通過(guò)在模型上施加15KM/h的移動(dòng)車輛荷載，找出最不利荷載的位置，對(duì)棧橋的剛度及強(qiáng)度進(jìn)行校核。將5.2m的棧橋模型劃分為26個(gè)單元，每個(gè)單元長(zhǎng)0.2m，則車輛荷載通過(guò)每個(gè)單元的時(shí)間為0.048s，車輛荷載完全通過(guò)溝槽的時(shí)間為4.32s，故共需91個(gè)荷載步。 </p><p><b>　　4計(jì)算結(jié)果及分析 </b><

8、;/p><p>　　本次模擬計(jì)算分析類型采用瞬態(tài)動(dòng)力分析法，需要對(duì)棧橋在最不利受力狀態(tài)下進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，將車輛荷載以15km/h的速度從棧橋端走至棧橋尾，通過(guò)ANSYS后處理，可得到在整個(gè)荷載移動(dòng)過(guò)程中模型各節(jié)點(diǎn)的最大撓度、各單元的最大剪力和各單元的最大彎矩。 </p><p>　　4.1棧橋最大撓度分析 </p><p>　　計(jì)算后通過(guò)后處理可得導(dǎo)模型各節(jié)點(diǎn)在那個(gè)時(shí)刻撓

9、度最大,如表4-1所示,從表4-1中可以看出節(jié)點(diǎn)14在3.538s時(shí)撓度為16.84mm為整個(gè)模型中最大撓度。棧橋有限元模型長(zhǎng)5.2m，共劃分為26個(gè)單元，27個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)1為起始點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)27為終點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)14位于棧橋模型的中點(diǎn)，即在動(dòng)載移動(dòng)過(guò)程中簡(jiǎn)支梁有限元模型的中點(diǎn)撓度最大。有關(guān)理論認(rèn)為簡(jiǎn)支梁上無(wú)論作用什么形式的外荷載，也無(wú)論其位置如何，總可以用中點(diǎn)處的撓度來(lái)代替最大撓度，其誤差不超過(guò)3%，這一理論與本次模擬計(jì)算得到的結(jié)論一致。 &l

10、t;/p><p>　　表4-1模型各節(jié)點(diǎn)最大撓度 </p><p>　　單元節(jié)點(diǎn) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 </p><p>　　最大撓度/mm 0 2.067 4.104 6.078 7.958 9.713 11.31 12.73 14.02 </p><p>　　時(shí)間/s 0 3.379 3.379 3.379 3.379 3.37

11、9 3.379 3.475 3.475 </p><p>　　單元節(jié)點(diǎn) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 </p><p>　　最大撓度/mm 15.08 15.91 16.5 16.84 16.94 16.84 16.49 15.91 15.08 </p><p>　　時(shí)間/s 3.475 3.475 3.475 3.475 3.538 3.5

12、38 3.538 3.538 3.538 </p><p>　　單元節(jié)點(diǎn) 19 20 21 22 23 24 25 26 27 </p><p>　　最大撓度/mm 14.01 12.73 11.27 9.673 7.924 6.051 4.086 2.058 0 </p><p>　　時(shí)間/s 3.538 3.538 3.634 3.634 3.634 3.634

13、 3.634 3.634 0 </p><p>　　車輛荷載的移動(dòng)速度為15km/h，經(jīng)過(guò)3.538s后可得到車輛荷載的移動(dòng)路程為14.74m,此時(shí)車輛荷載的位置如圖4-1所示，此時(shí)車輛荷載后軸的兩個(gè)集中力對(duì)稱位于棧橋中點(diǎn)的兩邊。 </p><p>　　圖4-2為模型節(jié)點(diǎn)2、4、6、8、10和14的撓度時(shí)程曲線，其中節(jié)點(diǎn)14為模型的中點(diǎn)，從表4-1中可以看出模型中點(diǎn)后的節(jié)點(diǎn)撓度曲線和中點(diǎn)前

14、的節(jié)點(diǎn)撓度曲線是對(duì)稱的，所以圖4-2沒(méi)有列出節(jié)點(diǎn)14后的撓度時(shí)程曲線。 </p><p>　　車輛荷載在棧橋上的通行時(shí)間為4.32s，從各節(jié)點(diǎn)撓度曲線總的趨勢(shì)來(lái)看，節(jié)點(diǎn)的撓度都從零開(kāi)始然后逐漸下降，再回升到零，然后再下降再回升到零。這與車輛荷載的移動(dòng)位置是相對(duì)應(yīng)的：首先車輛荷載的前軸先進(jìn)入棧橋，這時(shí)棧橋的撓度開(kāi)始下降，在時(shí)間為0.77s附近時(shí)棧橋撓度下降趨勢(shì)明顯增大這是因?yàn)橹休S的第一個(gè)集中荷載開(kāi)始進(jìn)入棧橋，在1.

15、512s時(shí)棧橋撓度到達(dá)第一個(gè)最大點(diǎn)，此時(shí)車輛荷載行走的路程為6.25m前軸已離開(kāi)棧橋，而中軸的兩個(gè)集中荷載對(duì)稱分布在棧橋跨中的兩邊，車輛荷載繼續(xù)前進(jìn)棧橋的撓度開(kāi)始減小，時(shí)間為2.304s時(shí)棧橋的撓度減小到零左右，這時(shí)車輛荷載的移動(dòng)路程為9.6m，車輛荷載中軸的兩個(gè)集中力離開(kāi)了棧橋而后軸還未到達(dá)棧橋此時(shí)站橋上無(wú)荷載，到2.736s時(shí)車輛荷載后軸到達(dá)模型棧橋的節(jié)點(diǎn)1，棧橋撓度又開(kāi)始增加，到3.528s時(shí)棧橋的撓度達(dá)到最大值，即車輛荷載后軸的

16、兩集中力對(duì)稱位于節(jié)點(diǎn)14的兩邊，之后棧橋撓度又開(kāi)始減小直至車輛荷載走出棧橋撓度減為零。 </p><p><b>　　4.2剛度校核 </b></p><p>　　如果梁的位移超過(guò)了規(guī)定值，其正常工作條件就不能保證，特別是在大型汽車通過(guò)時(shí)棧橋的撓度過(guò)大將會(huì)發(fā)生較大振動(dòng)或產(chǎn)生共振，使棧橋的動(dòng)力響應(yīng)達(dá)到最大，梁處于不安全狀態(tài)，故有必要對(duì)梁的剛度進(jìn)行校核。 </p&g

17、t;<p>　　在土建工程方面，對(duì)于簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)允許撓度，其容許值通常用容許撓度與梁跨長(zhǎng)的比值“f/L”作為標(biāo)準(zhǔn)，該值一般在（1/250﹣1/1000）L范圍內(nèi)?？紤]到棧橋位臨時(shí)結(jié)構(gòu)，容許撓度值按要求較低的（1/250）L取值。撓度容許值：[f]=L/250=520/250 =2.08cm,其中L為棧橋計(jì)算跨度。由4.1節(jié)可知棧橋的最大撓度為1.694cm，則撓度安全系數(shù)為：2.08/1.694=1.23，即棧橋的剛度條件滿

18、足要求。 </p><p><b>　　4.3強(qiáng)度校核 </b></p><p>　　表4-2為模型各單元在不同時(shí)刻的最大彎矩,在3.379s時(shí)單元15達(dá)到最大彎矩94.06KN· m，在4.1節(jié)中我們知道撓度最大時(shí)刻為3.583s，可見(jiàn)撓度最大時(shí)刻并不是彎矩最大時(shí)刻，但相差不是很大。將3.379s時(shí)整個(gè)模型的彎矩提取出來(lái)如圖4-3所示。 </p>

19、;<p>　　表4-2模型單元最大彎矩 </p><p>　　單元編號(hào) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 </p><p>　　最大彎矩/KN·M 10.12 16.65 31.02 44.75 55.05 66.5 73.37 81.54 85.59 </p><p>　　時(shí)間/s 3.326 3.12 3.139 3.216 3.23

20、3.283 3.326 3.379 3.437 </p><p>　　單元編號(hào) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 </p><p>　　最大彎矩/KN·M 90.28 92.55 92.92 93.97 92.48 94.06 92.84 92.49 89.69 </p><p>　　時(shí)間/s 3.475 3.533 3.595 3.6

21、34 3.379 3.379 3.432 3.504 3.538 </p><p>　　單元編號(hào) 19 20 21 22 23 24 25 26 - </p><p>　　最大彎矩/KN·M 86 80.54 73.61 65.22 55.09 43.74 30.57 16.14 - </p><p>　　時(shí)間/s 3.562 3.634 3.658 3.

22、73 3.749 3.826 3.845 3.922 - </p><p>　　表4-3為模型各單元在不同時(shí)刻的最大剪力，在3.120s時(shí)單元1達(dá)到最大剪力83.2KN，最大剪力位置位于簡(jiǎn)支梁的支點(diǎn)位置，即當(dāng)最大集中荷載位于簡(jiǎn)支梁的支點(diǎn)時(shí)，棧橋的剪力最大，最大位置位于簡(jiǎn)支梁的支點(diǎn)處。3.120s時(shí)模型的剪力云圖如圖4-4所示。 </p><p>　　表4-3模型單元最大剪力 </p&

23、gt;<p>　　單元編號(hào) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 </p><p>　　最大剪力(絕對(duì)值）/KN 83.2 76.91 73.96 68.64 66.95 60.74 57.71 54.08 50.56 </p><p>　　時(shí)間/s 3.12 3.139 3.216 3.23 3.283 3.331 3.374 3.456 3.466 </p>

24、<p>　　單元編號(hào) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 </p><p>　　最大剪力（絕對(duì)值）/KN 45.94 42.95 39.22 35.63 35.29 39.11 42.63 46.49 49.86 </p><p>　　時(shí)間/s 3.542 3.6 3.638 3.696 3.341 3.379 3.422 3.499 3.533 </p&

25、gt;<p>　　單元編號(hào) 19 20 21 22 23 24 25 26 - </p><p>　　最大剪力/KN 52.92 57.76 60.73 65.02 68.96 73.25 76.53 80.65 - </p><p>　　時(shí)間/s 3.566 3.634 3.682 3.73 3.778 3.826 3.845 3.922 - </p><

26、;p>　　根據(jù)《路橋工程手冊(cè)》-熱軋普通工字鋼截面特性表，得I28型工字鋼截面參數(shù)如下： </p><p>　　WX=508cm3，WY=56.6cm3，IX=7110cm4， SX=292.7 cm3 </p><p>　　Wx-----X軸截面系數(shù)(cm3) </p><p>　　Wy----- y軸截面系數(shù)(cm3) </p><p&

27、gt;　　IX----- X軸慣性矩(cm4) </p><p>　　SX-----半截面的凈力矩（cm3） </p><p>　　1)平面內(nèi)強(qiáng)度計(jì)算 </p><p>　　σmax===185.14Mpa<[σ]=210Mpa </p><p>　　安全系數(shù)：ε1===1.13 </p><p>　　σmax—

28、工字鋼最大彎曲應(yīng)力（MPa） </p><p>　　[σ]-----鋼材容許彎曲應(yīng)力（MPa） </p><p>　　由以上計(jì)算可知，本棧橋在平面內(nèi)強(qiáng)度滿足要求。 </p><p>　　2）平面外強(qiáng)度計(jì)算 </p><p>　　考慮到車輛行駛在棧橋上時(shí)，方向不一定與棧橋縱向平行，存在橫向彎矩，按平面最大彎矩的10%考慮，計(jì)算如下： </

29、p><p>　　σmax===166.17Mpa<[σ]=210Mpa </p><p>　　安全系數(shù)：ε2===1.26 </p><p>　　由以上計(jì)算也可知，平面外強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。 </p><p>　　3）剪應(yīng)力強(qiáng)度校核 </p><p>　　τmax=40.3MPa<[σ]=210Mpa </

30、p><p>　　安全系數(shù)：ε3===5.21 </p><p>　　綜上所述，用6組I28a型工字鋼組成市政管線溝槽上方的棧橋（I28型工字鋼腹板間用I16型工字鋼縱向連接，棧橋表面用8mm厚防滑鋼板鋪裝），其強(qiáng)度、剛度均能滿足公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范上車輛荷載的要求，雖然抗彎安全系數(shù)只有1.13，但是每片棧橋由6組工字鋼組成一個(gè)整體，而計(jì)算時(shí)按車輛荷載著地寬度將中、后軸荷載只分配到3組工字鋼上，

31、所以設(shè)計(jì)是偏于保守的。 </p><p><b>　　5結(jié)論 </b></p><p>　?。?）當(dāng)車輛荷載在簡(jiǎn)支梁形式的棧橋上移動(dòng)時(shí)，跨中的撓度最大，這與有關(guān)理論認(rèn)為的簡(jiǎn)支梁上無(wú)論作用什么形式的外荷載，也無(wú)論其位置如何，總可以用中點(diǎn)處的撓度來(lái)代替最大撓度，其誤差不超過(guò)3%相一致。 </p><p>　　（2）在本次計(jì)算中可以看到當(dāng)棧橋的跨中撓

32、度最大時(shí)，車輛荷載后軸的兩個(gè)集中力正好對(duì)稱分布于跨中兩邊，這說(shuō)明當(dāng)簡(jiǎn)支梁上有兩個(gè)移動(dòng)的集中力時(shí)，當(dāng)兩個(gè)集中力對(duì)稱位于簡(jiǎn)支梁中點(diǎn)的兩邊時(shí)，簡(jiǎn)支梁跨中的撓度是最大的，但撓度最大時(shí)并不是彎矩最大。 </p><p>　　（3）當(dāng)市政管線溝槽的寬度小于5.2m時(shí)，采用6組I28a型工字鋼組成寬約1.122m，長(zhǎng)為9.2m（跨度5.2m）的溝槽棧橋能夠滿足城市車輛的通過(guò)，且具有制作工藝簡(jiǎn)單，自身質(zhì)量小便于移動(dòng),可重復(fù)使用的