钢结构栈桥强度有限元分析

何建华

摘   要： 在水上建筑工程方面钢质栈桥的使用越来越多，桥面载荷多为装载量较大的重型卡车或工程车辆。栈桥的结构设计及强度分析事关桥梁的承载能力和使用的安全性，是结构工程师重点关注的内容。以某连接码头及江中船舶的钢质栈桥为例，采用有限元软件建立栈桥的整体模型，计及桥梁自重、车辆载荷的综合作用，通过有限元方法对其结构强度进行校核分析，指出该类栈桥设计的要点，为此类栈桥的设计提供参考和指导。

关键词：钢结构栈桥  有限元方法  强度分析

中图分类号：TD52;TU391                       文獻标识码：A                        文章编号：1674-098X（2020）03（c）-0145-02

钢质栈桥与普通桥梁不同，其下方不设桥墩，多用于连接码头和位于江中的船舶或固定式建筑物。由于不设桥墩，其整桥的跨距不太长，一般为几十米，桥面多用于行人或工程车辆行走。在钢质栈桥的设计中，跨距、桥面载荷的大小及形式是设计的外部条件，桥梁的截面形状、材料特性是内部设计条件。作为结构工程师，其任务就是根据上述各条件设计出既符合使用要求又安全、可靠的栈桥结构。本文以某连接码头及江中船舶的钢质栈桥为例，采用有限元方法对其结构强度进行校核分析，为此类栈桥的设计提供参考和指导。

1  栈桥结构强度有限元分析

本钢质栈桥用于连接码头及江中船舶，桥的一端置码头地面处，另一端通过钢铰链与江中船舶连接，供载货汽车上下船舶使用。桥长21m，桥宽5m，桥上行走的车辆整车装货总质量不大于50t，假定车辆一共有三根车轴，单轴负荷不大于16.7t。栈桥的布置示意图见图1，结构强度有限元模型示意图见图2。

在计算中边界条件设定如下：栈桥与码头连接处约束其节点的垂向线位移，栈桥与船舶连接处约束其节点的三向线位移。计算载荷如下：本栈桥设计的行走车辆总重量为50t，在计算中考虑到水体引起的桥面晃动等因素，计算载荷取为1.2倍的车辆总重量，即为60t。同时，在计算中需要计入栈桥自重的影响，因此该自重以重量加速度的方式施加在模型中。各载荷施加见图3，各构件应力云图见图4～图6。

在栈桥结构强度校核中，偏于安全考虑，将车辆载荷施加在栈桥的中点位置处，此状态是栈桥结构受载最为严重的状态，也是栈桥结构设计考核的重点工况。同时，本栈桥的自重已达41t，该自重载荷与设计行走的车辆载荷已基本相当，因此栈桥自重是一个不可忽略的载荷。从上述计算结果可以看出，在变形方面骨架顶部弧形工字钢梁变形比较严重，表现出波浪状的变形。骨架的垂向支撑杆由规格较大的工字钢构成，变形量很小，给整个桥梁提供了较好的支撑作用。桥面则表现出中部下凹的变形趋势，这是载荷位于桥面中部造成的。此外，桥面钢板下面设置了数道纵向加强筋，对桥面起到了较好的抗弯曲变形作用，且大部分的弯曲应力由该纵向加强筋吸收。从板、梁的应力分布可以看出，在该栈桥结构中骨架梁的设置起到了至关重要的作用，是栈桥结构的核心构件。

2  结语

（1）采用有限元方法来计算分析钢结构栈桥的强度是模拟度和可靠度较高的方法，能综合考虑各种载荷的叠加效应，并能分析得到各个构件的应力大小及变形量，利于后续结构的优化设计分析。

（2）对于承载负荷较大的钢结构栈桥，其桥面上方的骨架设计尤为重要，它是提高整个栈桥抗弯能力的主要构件。

（3）桥面钢板下的纵向加强筋（梁）不仅起到划分结构板格的作用，同时还是桥面应力的主要吸收构件，分担了桥面的大部分应力。在栈桥设计中，合理设置桥面纵向加强筋对提高桥面承载力和抗变形能力起到事半功倍的效果。

参考文献

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