MIDAS_Civil在钢栈桥结构优化设计中的应用_刘强
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由数值模拟结果可知， 分配梁承受最大剪力为 31.2MPa <[τ]=100MPa，最大正应力为 76.2MPa<[σ]=170MPa，如 图 13、图 14 所示，满足荷载要求，安全系数为 2.2，与原 设计 5.9 的安全系数相比，结构更加合理。 由前述方法，可计算出结构优化后钢管桩单桩设计承载 力，计算结果为 605.8KN。因结构优化对钢管桩受力无大的 影响，故可认为最大轴力为 139.1KN，安全系数为 4.3，与 原设计 7.2 的安全系数相比，结构更加合理。
。 鉴于此， 本文以武汉三官汉江公路大桥为例，
利用 MIDAS/Civil 对钢栈桥结构进行优化设计， 以期对钢栈 桥结构设计提供新的设计思路。
一、工程概述
武汉三官汉江公路大桥位于武汉市外环线与三环线之间, 主桥为（120m+190+120m）双塔单索面斜拉-钢构组合体 系，横断面为单箱双室结构，宽度为 33.5m。主墩桩基位于 深水，桩基施工需搭设钢栈桥作为临时施工便道，钢栈桥委 托设计院进行设计，初步设计如下：主跨 12m，按 4 孔成一 联。断面按双线设置，总宽度为 8m。12m 跨栈桥横断面和 立面布置如图 1 和图 2 所示。
总长度 （m） 480 9,320 2,520
总重量 （kg） 77,184 355,092 503,390.16
截面积（cm ） 202 48.5 254.469
表3 图 12 钢管桩最不利反力图
指 标 构件 分配梁 垫梁 钢管桩 型号 双拼工 36b 工 25a 630 钢管
优化后材料消耗量
截面积 （cm ） 167 48.5 156.326
=1,013.8kN
图8
分配梁最不利剪力图
则单桩设计承载力为 1,013.8KN。
第6期
毛晓龙等：MIDAS/Civil 在钢栈桥结构优化设计中的应用
247
四、工程经济分析 表2
指 标 构件 分配梁 垫梁 钢管桩 型号 双拼工 45a 工 25a 820 钢管
优化前材料消耗量
2
单位重量 （kg/m） 160.8 38.1 199.758
参考文献 [1] 张波，彭启明.钢栈桥施工技术分析[J].交通科技与经济， 2011， （06）. 图 14 分配梁最不利轴力图 [2] 田娥，杨正军.大型钢结构工程中临时钢栈桥设计及验算 [J].工业建筑，2012， （09）. [3] 王磊， 杨培诚.MIDAS/Civil 在钢管桩支架设计中的应用[J]. 交通科技，2010， （s1）. [4] 陈志华，滕菲等.天津 117 大厦地下工程施工用钢栈桥结 构设计分析 .第十一届全国现代结构工程学术研讨会[会 议].2011. [5] 肖君瑞，明垭子隧道围岩变形及合理支护结构的研究 [D].2010.
图6
竖杆最不利受力图
图 10
垫梁最不利剪力图
图7
斜杆最不利受力图
对三种工况下贝雷梁的受力进行计算分析， 履带吊机走行 至每跨跨中时，弦杆受力最大，最大值为 129.3kN，同时主 梁挠度也出现最大值， 为 12.11mm； 履带吊机在墩顶处侧吊 作业时贝雷片竖杆受力最大，最大值为 50.6kN；在墩顶处正 吊作业时贝雷片斜杆受力最大，最大值为 79.4kN。主梁最不 利挠度，弦杆、竖杆及斜杆的最不利受力图见图 4～图 7。
三、数值模拟及结构优化设计 图1 栈桥横断面布置图（mm） 1．计算结果分析
（1）主梁计算及分析
图2
双线栈桥立面布置图（mm）
二、Midas Civil 数值模型 1．数值分析模型
选取两跨进行结构受力分析，分配梁采用双拼 I 45a 工 字钢，纵向主梁采用 321 贝雷梁，纵向 12m 跨，共布置 4
并通过计算分析对钢栈桥进行结构优化设计， 研究表明， MIDAS/Civil 为判断钢栈桥结构设计合理性提供有力依据， 同时为钢栈桥结构优化设计提供了一种新思路。
关键词：MIDAS/Civil；钢栈桥；结构优化 中图分类号：U445.3 引言
钢栈桥因其其造型美观大方，施工简单方便，结构安全 可靠，计算模型简单等原因，在水上桥梁施工中，应用十分 广泛。但钢栈桥耗钢量大，连接复杂，出于方便设计的原因， 常常将受力条件、结构形式进行偏安全简化，从而造成较大 的材料浪费
第 14 卷 2014 年
第6期 6月
中 国 水 运 China Water Transport
Vol.14 June
No.6 2014
MIDAS/Civil 在钢栈桥结构优化设计中的应用
刘
摘
强，毛晓龙
（中建三局投资发展公司，湖北 武汉 430070） 要：文中以武汉三官汉江公路大桥为例，利用 Midas Civil 建立有限元模型，模拟分析钢栈桥结构受力体系，
五、结论
经过结构优化的钢栈桥目前已投入使用，整体结构稳定 可靠，符合现场施工需求，同时从现场安装的监控设备显示， 经过结构优化的钢栈桥无失稳及发生不均匀沉降的趋势，由 此得出如下结论： （1）结构设计合理的钢栈桥经济适用，可作为水上施工 的临时施工便道，符合现场施工需求。
图 13
分配梁最不利剪力图
（2）三种工况下，履带吊机走行至每跨跨中时，弦杆受 力最大，同时主梁挠度也出现最大值，履带吊机在墩顶处侧 吊作业时贝雷片竖杆受力最大，履带吊在墩顶处正吊作业时 贝雷片斜杆受力最大。 （3）通过 MIDAS/Civil 对钢栈桥结构进行数值模拟， 可准确评价钢栈桥结构设计合理性，为钢栈桥结构优化设计 提供了一种新思路。
表1
构件/指标
主梁构件理论容许承载表
竖杆 （KN） 210 斜杆 （KN） 171.5 挠度 （mm） 30
图 11
垫梁最不利轴力图
弦杆 （KN） 容许值 560
三 种 工 况 下 垫 梁 承 受 最 大 剪 力 为 32.7MPa<[ τ ]= 100MPa，最大正应力为 133.6 MPa <[σ]=170MPa，如图 10、图 11 所示，均满足荷载要求，按最不利情况计算，结 构设计具有的安全系数 1.3，符合安全及经济性的要求。 （3）钢管桩计算及分析 原钢管桩设计长度为 28m，江底以上 4m，入土深度 24m，平均地质条件如下：粉质粘土，厚度为 1.5m,桩周极 限摩阻为 20kPa；粉砂，厚度为 22.5m，稍密，桩周极限摩 阻为 35kPa。考虑冲刷作用，忽略粉质粘土层的影响，根据 公路桥涵地基与基础设计规范，计算单桩承载力为：
图 3 钢栈桥模型 2．计算方案
利用 Midas Civil 内置有限元划分系统，对整个模型进 行有限元划分，通过对钢栈桥运行期间的受力进行分析，利 用 Midas Civil 的移动荷载加载功能对数值模型进行车道荷 载加载。栈桥在正常使用时，考虑单跨栈桥通行履带吊机， 以及履带吊机在前端打桩时可能出现的最不利施工荷载组 合。结合实际有以下三种计算工况： 工况 I：结构自重+履带吊机自重走行 工况Ⅱ：结构自重+履带吊机自重+墩顶正向起吊 70t 工况Ⅲ：结构自重+履带吊机自重+墩顶侧向起吊 15t
[1~５]
文献标识码：A
文章编号：1006-7973（2014）06-0245-03
片一组，共 4 组；各组贝雷片之间通过支撑架（由∠75×50 ×6、及∠40×5 组成）进行连接成整体，贝雷梁上摆放型 号为 I 25a，间距 25cm 的垫梁，刚管桩采用直径 830mm， 壁厚 10mm 的圆管，设计桩长 28m，桥面采用 8mm 厚的 花纹钢板。利用 MIDAS/Civil 建立有限元模型，如图 3 所 示。
表 1 为主梁构件理论容许承载要求，通过对三种工况下 的主梁力学分析可知，主梁结构设计满足荷载要求，按最不 利情况计算，结构设计具有 2.1 的安全系数，符合安全及经 济性的要求。 （2）分配梁及垫梁计算及分析
1 [ P] U i fi li 2
1 0.82 1.0 22.5 35 2
2
单位重量 （kg/m） 131.2 38.1 122.716
总长度 （m） 480 9,320 2,520
ห้องสมุดไป่ตู้
总重量 （kg） 62,976 355,092 276,075
由数值计算可知，三种工况下钢管桩最大轴力 为 139.1KN，如图 12 所示，按最不利情况计算，结构设计具 有的安全系数 7.2，结构设计偏保守。
2．结构优化设计
通过对三种工况下数值模拟分析，认为分配梁及钢管桩 的结构设计偏保守，两者结构可作适当调整以满足安全及经 济性的要求， 调整方案如下： 原分配梁由 2I45a 改为 2I36b， 原 28m 的 820 钢管改为 23m 的 630 钢管。
统计表明，武汉三官汉江公路大桥钢栈桥全长 353m， 钢管桩 90 根，分配梁 30 根，垫梁 1165 根。优化前后钢材 总 消耗 量见 表 2 及 表 3， 计算 可知 ，优 化 后可 节约钢 材 241.52t，带来良好的经济效应。 综上所述，结构优化后的钢栈桥不但满足结构安全的需 要，同时更加经济合理。
图4
主梁最不利挠度图
收稿日期：2014-03-15 作者简介：刘
强，中建三局投资发展公司，业务经理，助理工程师。 毛晓龙，中建三局投资发展公司，业务主办，助理工程师。
246
中 国 水 运
第 14 卷
图5
弦杆最不利受力图 图9 分配梁最不利轴力图
三 种 工 况 下 分 配 梁 承 受 最 大 剪 力 为 12.6MPa <[τ]=100MPa，最大正应力为 28.6MPa <[σ]=170MPa，如 图 8、图 9 所示，均满足荷载要求，按最不利情况计算，结 构设计具有的安全系数 5.9，结构偏保守。
。 鉴于此， 本文以武汉三官汉江公路大桥为例，
利用 MIDAS/Civil 对钢栈桥结构进行优化设计， 以期对钢栈 桥结构设计提供新的设计思路。
一、工程概述
武汉三官汉江公路大桥位于武汉市外环线与三环线之间, 主桥为（120m+190+120m）双塔单索面斜拉-钢构组合体 系，横断面为单箱双室结构，宽度为 33.5m。主墩桩基位于 深水，桩基施工需搭设钢栈桥作为临时施工便道，钢栈桥委 托设计院进行设计，初步设计如下：主跨 12m，按 4 孔成一 联。断面按双线设置，总宽度为 8m。12m 跨栈桥横断面和 立面布置如图 1 和图 2 所示。
总长度 （m） 480 9,320 2,520
总重量 （kg） 77,184 355,092 503,390.16
截面积（cm ） 202 48.5 254.469
表3 图 12 钢管桩最不利反力图
指 标 构件 分配梁 垫梁 钢管桩 型号 双拼工 36b 工 25a 630 钢管
优化后材料消耗量
截面积 （cm ） 167 48.5 156.326
=1,013.8kN
图8
分配梁最不利剪力图
则单桩设计承载力为 1,013.8KN。
第6期
毛晓龙等：MIDAS/Civil 在钢栈桥结构优化设计中的应用
247
四、工程经济分析 表2
指 标 构件 分配梁 垫梁 钢管桩 型号 双拼工 45a 工 25a 820 钢管
优化前材料消耗量
2
单位重量 （kg/m） 160.8 38.1 199.758
参考文献 [1] 张波，彭启明.钢栈桥施工技术分析[J].交通科技与经济， 2011， （06）. 图 14 分配梁最不利轴力图 [2] 田娥，杨正军.大型钢结构工程中临时钢栈桥设计及验算 [J].工业建筑，2012， （09）. [3] 王磊， 杨培诚.MIDAS/Civil 在钢管桩支架设计中的应用[J]. 交通科技，2010， （s1）. [4] 陈志华，滕菲等.天津 117 大厦地下工程施工用钢栈桥结 构设计分析 .第十一届全国现代结构工程学术研讨会[会 议].2011. [5] 肖君瑞，明垭子隧道围岩变形及合理支护结构的研究 [D].2010.
图6
竖杆最不利受力图
图 10
垫梁最不利剪力图
图7
斜杆最不利受力图
对三种工况下贝雷梁的受力进行计算分析， 履带吊机走行 至每跨跨中时，弦杆受力最大，最大值为 129.3kN，同时主 梁挠度也出现最大值， 为 12.11mm； 履带吊机在墩顶处侧吊 作业时贝雷片竖杆受力最大，最大值为 50.6kN；在墩顶处正 吊作业时贝雷片斜杆受力最大，最大值为 79.4kN。主梁最不 利挠度，弦杆、竖杆及斜杆的最不利受力图见图 4～图 7。
三、数值模拟及结构优化设计 图1 栈桥横断面布置图（mm） 1．计算结果分析
（1）主梁计算及分析
图2
双线栈桥立面布置图（mm）
二、Midas Civil 数值模型 1．数值分析模型
选取两跨进行结构受力分析，分配梁采用双拼 I 45a 工 字钢，纵向主梁采用 321 贝雷梁，纵向 12m 跨，共布置 4
并通过计算分析对钢栈桥进行结构优化设计， 研究表明， MIDAS/Civil 为判断钢栈桥结构设计合理性提供有力依据， 同时为钢栈桥结构优化设计提供了一种新思路。
关键词：MIDAS/Civil；钢栈桥；结构优化 中图分类号：U445.3 引言
钢栈桥因其其造型美观大方，施工简单方便，结构安全 可靠，计算模型简单等原因，在水上桥梁施工中，应用十分 广泛。但钢栈桥耗钢量大，连接复杂，出于方便设计的原因， 常常将受力条件、结构形式进行偏安全简化，从而造成较大 的材料浪费
第 14 卷 2014 年
第6期 6月
中 国 水 运 China Water Transport
Vol.14 June
No.6 2014
MIDAS/Civil 在钢栈桥结构优化设计中的应用
刘
摘
强，毛晓龙
（中建三局投资发展公司，湖北 武汉 430070） 要：文中以武汉三官汉江公路大桥为例，利用 Midas Civil 建立有限元模型，模拟分析钢栈桥结构受力体系，
五、结论
经过结构优化的钢栈桥目前已投入使用，整体结构稳定 可靠，符合现场施工需求，同时从现场安装的监控设备显示， 经过结构优化的钢栈桥无失稳及发生不均匀沉降的趋势，由 此得出如下结论： （1）结构设计合理的钢栈桥经济适用，可作为水上施工 的临时施工便道，符合现场施工需求。
图 13
分配梁最不利剪力图
（2）三种工况下，履带吊机走行至每跨跨中时，弦杆受 力最大，同时主梁挠度也出现最大值，履带吊机在墩顶处侧 吊作业时贝雷片竖杆受力最大，履带吊在墩顶处正吊作业时 贝雷片斜杆受力最大。 （3）通过 MIDAS/Civil 对钢栈桥结构进行数值模拟， 可准确评价钢栈桥结构设计合理性，为钢栈桥结构优化设计 提供了一种新思路。
表1
构件/指标
主梁构件理论容许承载表
竖杆 （KN） 210 斜杆 （KN） 171.5 挠度 （mm） 30
图 11
垫梁最不利轴力图
弦杆 （KN） 容许值 560
三 种 工 况 下 垫 梁 承 受 最 大 剪 力 为 32.7MPa<[ τ ]= 100MPa，最大正应力为 133.6 MPa <[σ]=170MPa，如图 10、图 11 所示，均满足荷载要求，按最不利情况计算，结 构设计具有的安全系数 1.3，符合安全及经济性的要求。 （3）钢管桩计算及分析 原钢管桩设计长度为 28m，江底以上 4m，入土深度 24m，平均地质条件如下：粉质粘土，厚度为 1.5m,桩周极 限摩阻为 20kPa；粉砂，厚度为 22.5m，稍密，桩周极限摩 阻为 35kPa。考虑冲刷作用，忽略粉质粘土层的影响，根据 公路桥涵地基与基础设计规范，计算单桩承载力为：
图 3 钢栈桥模型 2．计算方案
利用 Midas Civil 内置有限元划分系统，对整个模型进 行有限元划分，通过对钢栈桥运行期间的受力进行分析，利 用 Midas Civil 的移动荷载加载功能对数值模型进行车道荷 载加载。栈桥在正常使用时，考虑单跨栈桥通行履带吊机， 以及履带吊机在前端打桩时可能出现的最不利施工荷载组 合。结合实际有以下三种计算工况： 工况 I：结构自重+履带吊机自重走行 工况Ⅱ：结构自重+履带吊机自重+墩顶正向起吊 70t 工况Ⅲ：结构自重+履带吊机自重+墩顶侧向起吊 15t
[1~５]
文献标识码：A
文章编号：1006-7973（2014）06-0245-03
片一组，共 4 组；各组贝雷片之间通过支撑架（由∠75×50 ×6、及∠40×5 组成）进行连接成整体，贝雷梁上摆放型 号为 I 25a，间距 25cm 的垫梁，刚管桩采用直径 830mm， 壁厚 10mm 的圆管，设计桩长 28m，桥面采用 8mm 厚的 花纹钢板。利用 MIDAS/Civil 建立有限元模型，如图 3 所 示。
表 1 为主梁构件理论容许承载要求，通过对三种工况下 的主梁力学分析可知，主梁结构设计满足荷载要求，按最不 利情况计算，结构设计具有 2.1 的安全系数，符合安全及经 济性的要求。 （2）分配梁及垫梁计算及分析
1 [ P] U i fi li 2
1 0.82 1.0 22.5 35 2
2
单位重量 （kg/m） 131.2 38.1 122.716
总长度 （m） 480 9,320 2,520
ห้องสมุดไป่ตู้
总重量 （kg） 62,976 355,092 276,075
由数值计算可知，三种工况下钢管桩最大轴力 为 139.1KN，如图 12 所示，按最不利情况计算，结构设计具 有的安全系数 7.2，结构设计偏保守。
2．结构优化设计
通过对三种工况下数值模拟分析，认为分配梁及钢管桩 的结构设计偏保守，两者结构可作适当调整以满足安全及经 济性的要求， 调整方案如下： 原分配梁由 2I45a 改为 2I36b， 原 28m 的 820 钢管改为 23m 的 630 钢管。
统计表明，武汉三官汉江公路大桥钢栈桥全长 353m， 钢管桩 90 根，分配梁 30 根，垫梁 1165 根。优化前后钢材 总 消耗 量见 表 2 及 表 3， 计算 可知 ，优 化 后可 节约钢 材 241.52t，带来良好的经济效应。 综上所述，结构优化后的钢栈桥不但满足结构安全的需 要，同时更加经济合理。
图4
主梁最不利挠度图
收稿日期：2014-03-15 作者简介：刘
强，中建三局投资发展公司，业务经理，助理工程师。 毛晓龙，中建三局投资发展公司，业务主办，助理工程师。
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中 国 水 运
第 14 卷
图5
弦杆最不利受力图 图9 分配梁最不利轴力图
三 种 工 况 下 分 配 梁 承 受 最 大 剪 力 为 12.6MPa <[τ]=100MPa，最大正应力为 28.6MPa <[σ]=170MPa，如 图 8、图 9 所示，均满足荷载要求，按最不利情况计算，结 构设计具有的安全系数 5.9，结构偏保守。