1、市政管线沟槽上方移动栈桥设计摘要:在城市管线修建和改造过程中,管线沟槽不可避免的要穿越城市的主干路。在管线施工过程中为使城市主干路不断交，文章结合石家庄市轨道交通预留工程新百广场站管线迁改工程，在排水沟槽的上方设计了结构简单可移动栈桥，利用有限元软件 ANSYS 模拟了移动荷载通过沟槽栈桥的过程，对栈桥的刚度及强度进行了校核。 关键词：管线 石家庄市轨道交通 ANSYS 沟槽栈桥 移动荷载 中图分类号：TU990.3 文献标识码： A 1 概述 石家庄轨道交通预留工程新百广场站管线迁改工程中排水沟槽长 1.7千米左右，沟槽深 5m 左右，沟槽宽 5.2m，沟槽横穿石家庄主干路中山路，为使中山路
2、不断交减小对城市交通的影响，需在沟槽上方架设临时栈桥，供城市车辆通过。这就要求栈桥具有结构简单、移动方便和成本低的特点。 2 沟槽栈桥设计 每片栈桥由 6 组 I28a 工字钢组成，每两组 I28a 工字钢的中心距为20cm，每两组 I28 工字钢的腹板间由 I16 工字钢连接成整体，6 组 I28a工字钢顶面铺上 8mm 厚防滑钢板。每片栈桥的宽度为 1.122m，长 9.2m，栈桥的总宽度可根据施工实际情况将每片栈桥进行拼接，图 1-1 为栈桥结构示意图。 3 沟槽栈桥承载分析 3.1 车辆荷载的确定 栈桥上的车辆荷载根据公路桥涵通用设计规范进行确定，车辆荷载的立、平面尺寸见图 3-1，车
3、辆荷载主要技术指标见表 3-1。 由表 3-1 可知，车辆荷载的前轮着地宽度为 0.3m，而每两组 I28 工字钢的中心距为 0.2m，车辆荷载的前轴重力标准值为 30KN，将前轴重力平均分配两个 I28 工字钢上，所以每根 I28 工字钢承担前轴重力为15KN。中、后轮着地宽度为 0.6m，所以每根 I28 工字钢承担中、后轴重力为 40KN、46.7KN。 栈桥的总长度为 9.2m，沟槽的宽度为 5.2m，而整个车辆荷载的长度为 12.8m，这就要求计算时找出车辆荷载通过 5.2m 沟槽时的最不利位置，在用有限元软件 ANSYS 计算时，设计移动荷载的速度为 15KM/h，即4.167m/
4、s,车辆荷载通过沟槽的时间为 3.072s。 3.2 计算模型建立 计算采用有限元软件 ANSYS 软件中的 BEAM3 单元模拟 I28 工字钢，计算模型如图 3-2 所示，边界条件为一侧固定铰支，另一侧为可动铰支。I28 型钢的弹性模量为 210Gpa，泊松比为 0.3,体积质量为 7800kg/m3。通过在模型上施加 15KM/h 的移动车辆荷载，找出最不利荷载的位置，对栈桥的刚度及强度进行校核。将 5.2m 的栈桥模型划分为 26 个单元，每个单元长 0.2m，则车辆荷载通过每个单元的时间为 0.048s，车辆荷载完全通过沟槽的时间为 4.32s，故共需 91 个荷载步。 4 计算结果
5、及分析 本次模拟计算分析类型采用瞬态动力分析法，需要对栈桥在最不利受力状态下进行结构验算，将车辆荷载以 15km/h 的速度从栈桥端走至栈桥尾，通过 ANSYS 后处理，可得到在整个荷载移动过程中模型各节点的最大挠度、各单元的最大剪力和各单元的最大弯矩。 4.1 栈桥最大挠度分析 计算后通过后处理可得导模型各节点在那个时刻挠度最大,如表 4-1所示,从表 4-1 中可以看出节点 14 在 3.538s 时挠度为 16.84mm 为整个模型中最大挠度。栈桥有限元模型长 5.2m，共划分为 26 个单元，27 个节点，节点 1 为起始点，节点 27 为终点，节点 14 位于栈桥模型的中点，即在动载
6、移动过程中简支梁有限元模型的中点挠度最大。有关理论认为简支梁上无论作用什么形式的外荷载，也无论其位置如何，总可以用中点处的挠度来代替最大挠度，其误差不超过 3%，这一理论与本次模拟计算得到的结论一致。 表 4-1 模型各节点最大挠度 单元节点 1 2 3 4 5 6 7 8 9 最大挠度/mm 0 2.067 4.104 6.078 7.958 9.713 11.31 12.73 14.02 时间/s 0 3.379 3.379 3.379 3.379 3.379 3.379 3.475 3.475 单元节点 10 11 12 13 14 15 16 17 18 最大挠度/mm 15.08 1
7、5.91 16.5 16.84 16.94 16.84 16.49 15.91 15.08 时间/s 3.475 3.475 3.475 3.475 3.538 3.538 3.538 3.538 3.538 单元节点 19 20 21 22 23 24 25 26 27 最大挠度/mm 14.01 12.73 11.27 9.673 7.924 6.051 4.086 2.058 0 时间/s 3.538 3.538 3.634 3.634 3.634 3.634 3.634 3.634 0 车辆荷载的移动速度为 15km/h，经过 3.538s 后可得到车辆荷载的移动路程为 14.74m,
8、此时车辆荷载的位置如图 4-1 所示，此时车辆荷载后轴的两个集中力对称位于栈桥中点的两边。 图 4-2 为模型节点 2、4、6、8、10 和 14 的挠度时程曲线，其中节点 14 为模型的中点，从表 4-1 中可以看出模型中点后的节点挠度曲线和中点前的节点挠度曲线是对称的，所以图 4-2 没有列出节点 14 后的挠度时程曲线。 车辆荷载在栈桥上的通行时间为 4.32s，从各节点挠度曲线总的趋势来看，节点的挠度都从零开始然后逐渐下降，再回升到零，然后再下降再回升到零。这与车辆荷载的移动位置是相对应的：首先车辆荷载的前轴先进入栈桥，这时栈桥的挠度开始下降，在时间为 0.77s 附近时栈桥挠度下降趋
9、势明显增大这是因为中轴的第一个集中荷载开始进入栈桥，在 1.512s 时栈桥挠度到达第一个最大点，此时车辆荷载行走的路程为6.25m 前轴已离开栈桥，而中轴的两个集中荷载对称分布在栈桥跨中的两边，车辆荷载继续前进栈桥的挠度开始减小，时间为 2.304s 时栈桥的挠度减小到零左右，这时车辆荷载的移动路程为 9.6m，车辆荷载中轴的两个集中力离开了栈桥而后轴还未到达栈桥此时站桥上无荷载，到 2.736s时车辆荷载后轴到达模型栈桥的节点 1，栈桥挠度又开始增加，到3.528s 时栈桥的挠度达到最大值，即车辆荷载后轴的两集中力对称位于节点 14 的两边，之后栈桥挠度又开始减小直至车辆荷载走出栈桥挠度减
10、为零。 4.2 刚度校核 如果梁的位移超过了规定值，其正常工作条件就不能保证，特别是在大型汽车通过时栈桥的挠度过大将会发生较大振动或产生共振，使栈桥的动力响应达到最大，梁处于不安全状态，故有必要对梁的刚度进行校核。 在土建工程方面，对于简支梁结构允许挠度，其容许值通常用容许挠度与梁跨长的比值“f/L”作为标准，该值一般在（1/2501/1000）L范围内。考虑到栈桥位临时结构，容许挠度值按要求较低的（1/250）L取值。挠度容许值：f=L/250=520/250 =2.08cm,其中 L 为栈桥计算跨度。由 4.1 节可知栈桥的最大挠度为 1.694cm，则挠度安全系数为：2.08/1.694
11、=1.23，即栈桥的刚度条件满足要求。 4.3 强度校核 表 4-2 为模型各单元在不同时刻的最大弯矩,在 3.379s 时单元 15 达到最大弯矩 94.06KN m，在 4.1 节中我们知道挠度最大时刻为3.583s，可见挠度最大时刻并不是弯矩最大时刻，但相差不是很大。将3.379s 时整个模型的弯矩提取出来如图 4-3 所示。 表 4-2 模型单元最大弯矩 单元编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 最大弯矩/KNM 10.12 16.65 31.02 44.75 55.05 66.5 73.37 81.54 85.59 时间/s 3.326 3.12 3.139 3.216 3.23
12、 3.283 3.326 3.379 3.437 单元编号 10 11 12 13 14 15 16 17 18 最大弯矩/KNM 90.28 92.55 92.92 93.97 92.48 94.06 92.84 92.49 89.69 时间/s 3.475 3.533 3.595 3.634 3.379 3.379 3.432 3.504 3.538 单元编号 19 20 21 22 23 24 25 26 - 最大弯矩/KNM 86 80.54 73.61 65.22 55.09 43.74 30.57 16.14 - 时间/s 3.562 3.634 3.658 3.73 3.749
13、3.826 3.845 3.922 - 表 4-3 为模型各单元在不同时刻的最大剪力，在 3.120s 时单元 1 达到最大剪力 83.2KN，最大剪力位置位于简支梁的支点位置，即当最大集中荷载位于简支梁的支点时，栈桥的剪力最大，最大位置位于简支梁的支点处。3.120s 时模型的剪力云图如图 4-4 所示。 表 4-3 模型单元最大剪力 单元编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 最大剪力(绝对值）/KN 83.2 76.91 73.96 68.64 66.95 60.74 57.71 54.08 50.56 时间/s 3.12 3.139 3.216 3.23 3.283 3.331 3.374 3.456 3.466 单元编号 10 11 12 13 14 15 16 17 18 最大剪力（绝对值）/KN 45.94 42.95 39.22 35.63 35.29 39.11 42.63 46.49 49.86 时间/s 3.542 3.6 3.638 3.696 3.341 3.379 3.422 3.499 3.533 单元编号 19 20 21 22 23 24 25 26 - 最大剪力/KN 52.92 57.76 60.73 65.02 68.96 73.25 76.53 80.65 -
