市政管線溝槽上方移動棧橋設(shè)計

1、<p>　　市政管線溝槽上方移動棧橋設(shè)計</p><p>　　摘要:在城市管線修建和改造過程中,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)留工程新百廣場站管線遷改工程，在排水溝槽的上方設(shè)計了結(jié)構(gòu)簡單可移動棧橋，利用有限元軟件ANSYS模擬了移動荷載通過溝槽棧橋的過程，對棧橋的剛度及強度進行了校核。 </p><p>　　

2、關(guān)鍵詞：管線 石家莊市軌道交通 ANSYS 溝槽棧橋 移動荷載 </p><p>　　中圖分類號：TU990.3文獻標識碼： A </p><p><b>　　1概述 </b></p><p>　　石家莊軌道交通預(yù)留工程新百廣場站管線遷改工程中排水溝槽長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、減小對城市交通的影響，需在溝槽上方架設(shè)臨時棧橋，供城市車輛通過。這就要求棧橋具有結(jié)構(gòu)簡單、移動方便和成本低的特點。 </p><p><b>　　2溝槽棧橋設(shè)計 </b></p><p>　　每片棧橋由6組I28a工字鋼組成，每兩組I28a工字鋼的中心距為20cm，每兩組I28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9.2m，棧橋的總寬度可根據(jù)施工實際情況將每片棧橋進行拼接，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)計規(guī)范進行確定，車輛荷載的立、平面尺寸見圖3-1，車輛荷載主要技術(shù)指標見表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，而每兩組I28工字鋼的中心距為0.2m，車輛荷載的前軸重力標準值為30KN，將前軸重力平均分配兩個I28工字鋼上，所以每根I28工字鋼承擔前軸重力為15KN。中、后輪著地寬度為0.6m，所以每根I28工字鋼承擔中、后軸重力為40KN、46.7KN。 </p><p>　　棧橋的總長度為9.2m，溝槽的寬度為5.2m，而整個車輛荷載的長度為12.8m

6、，這就要求計算時找出車輛荷載通過5.2m溝槽時的最不利位置，在用有限元軟件ANSYS計算時，設(shè)計移動荷載的速度為15KM/h，即4.167m/s,車輛荷載通過溝槽的時間為3.072s。 </p><p>　　3.2計算模型建立 </p><p>　　計算采用有限元軟件ANSYS軟件中的BEAM3單元模擬I28工字鋼，計算模型如圖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。通過在模型上施加15KM/h的移動車輛荷載，找出最不利荷載的位置，對棧橋的剛度及強度進行校核。將5.2m的棧橋模型劃分為26個單元，每個單元長0.2m，則車輛荷載通過每個單元的時間為0.048s，車輛荷載完全通過溝槽的時間為4.32s，故共需91個荷載步。 </p><p><b>　　4計算結(jié)果及分析 </b><

8、;/p><p>　　本次模擬計算分析類型采用瞬態(tài)動力分析法，需要對棧橋在最不利受力狀態(tài)下進行結(jié)構(gòu)驗算，將車輛荷載以15km/h的速度從棧橋端走至棧橋尾，通過ANSYS后處理，可得到在整個荷載移動過程中模型各節(jié)點的最大撓度、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>　　計算后通過后處理可得導模型各節(jié)點在那個時刻撓

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

10、t;/p><p>　　表4-1模型各節(jié)點最大撓度 </p><p>　　單元節(jié)點 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 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 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>　　車輛荷載的移動速度為15km/h，經(jīng)過3.538s后可得到車輛荷載的移動路程為14.74m,此時車輛荷載的位置如圖4-1所示，此時車輛荷載后軸的兩個集中力對稱位于棧橋中點的兩邊。 </p><p>　　圖4-2為模型節(jié)點2、4、6、8、10和14的撓度時程曲線，其中節(jié)點14為模型的中點，從表4-1中可以看出模型中點后的節(jié)點撓度曲線和中點前

14、的節(jié)點撓度曲線是對稱的，所以圖4-2沒有列出節(jié)點14后的撓度時程曲線。 </p><p>　　車輛荷載在棧橋上的通行時間為4.32s，從各節(jié)點撓度曲線總的趨勢來看，節(jié)點的撓度都從零開始然后逐漸下降，再回升到零，然后再下降再回升到零。這與車輛荷載的移動位置是相對應(yīng)的：首先車輛荷載的前軸先進入棧橋，這時棧橋的撓度開始下降，在時間為0.77s附近時棧橋撓度下降趨勢明顯增大這是因為中軸的第一個集中荷載開始進入棧橋，在1.

15、512s時棧橋撓度到達第一個最大點，此時車輛荷載行走的路程為6.25m前軸已離開棧橋，而中軸的兩個集中荷載對稱分布在棧橋跨中的兩邊，車輛荷載繼續(xù)前進棧橋的撓度開始減小，時間為2.304s時棧橋的撓度減小到零左右，這時車輛荷載的移動路程為9.6m，車輛荷載中軸的兩個集中力離開了棧橋而后軸還未到達棧橋此時站橋上無荷載，到2.736s時車輛荷載后軸到達模型棧橋的節(jié)點1，棧橋撓度又開始增加，到3.528s時棧橋的撓度達到最大值，即車輛荷載后軸的

16、兩集中力對稱位于節(jié)點14的兩邊，之后棧橋撓度又開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時棧橋的撓度過大將會發(fā)生較大振動或產(chǎn)生共振，使棧橋的動力響應(yīng)達到最大，梁處于不安全狀態(tài)，故有必要對梁的剛度進行校核。 </p&g

17、t;<p>　　在土建工程方面，對于簡支梁結(jié)構(gòu)允許撓度，其容許值通常用容許撓度與梁跨長的比值“f/L”作為標準，該值一般在（1/250﹣1/1000）L范圍內(nèi)?？紤]到棧橋位臨時結(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強度校核 </b></p><p>　　表4-2為模型各單元在不同時刻的最大彎矩,在3.379s時單元15達到最大彎矩94.06KN· m，在4.1節(jié)中我們知道撓度最大時刻為3.583s，可見撓度最大時刻并不是彎矩最大時刻，但相差不是很大。將3.379s時整個模型的彎矩提取出來如圖4-3所示。 </p>

19、;<p>　　表4-2模型單元最大彎矩 </p><p>　　單元編號 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 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 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刻的最大剪力，在3.120s時單元1達到最大剪力83.2KN，最大剪力位置位于簡支梁的支點位置，即當最大集中荷載位于簡支梁的支點時，棧橋的剪力最大，最大位置位于簡支梁的支點處。3.120s時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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 </p><p>　　最大剪力(絕對值）/KN 83.2 76.91 73.96 68.64 66.95 60.74 57.71 54.08 50.56 </p><p>　　時間/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 10 11 12 13 14 15 16 17 18 </p><p>　　最大剪力（絕對值）/KN 45.94 42.95 39.22 35.63 35.29 39.11 42.63 46.49 49.86 </p><p>　　時間/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 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》-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)強度計算 </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>　　由以上計算可知，本棧橋在平面內(nèi)強度滿足要求。 </p><p>　　2）平面外強度計算 </p><p>　　考慮到車輛行駛在棧橋上時，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>　　由以上計算也可知，平面外強度滿足設(shè)計要求。 </p><p>　　3）剪應(yīng)力強度校核 </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），其強度、剛度均能滿足公路橋涵通用設(shè)計規(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組工字鋼組成一個整體，而計算時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)計是偏于保守的。 </p><p><b>　　5結(jié)論 </b></p><p>　　（1）當車輛荷載在簡支梁形式的棧橋上移動時，跨中的撓度最大，這與有關(guān)理論認為的簡支梁上無論作用什么形式的外荷載，也無論其位置如何，總可以用中點處的撓度來代替最大撓度，其誤差不超過3%相一致。 </p><p>　?。?）在本次計算中可以看到當棧橋的跨中撓

32、度最大時，車輛荷載后軸的兩個集中力正好對稱分布于跨中兩邊，這說明當簡支梁上有兩個移動的集中力時，當兩個集中力對稱位于簡支梁中點的兩邊時，簡支梁跨中的撓度是最大的，但撓度最大時并不是彎矩最大。 </p><p>　?。?）當市政管線溝槽的寬度小于5.2m時，采用6組I28a型工字鋼組成寬約1.122m，長為9.2m（跨度5.2m）的溝槽棧橋能夠滿足城市車輛的通過，且具有制作工藝簡單，自身質(zhì)量小便于移動,可重復(fù)使用的