鋼結構棧橋強度有限元分析

何建華

摘? ?要： 在水上建筑工程方面鋼質棧橋的使用越來越多，橋面載荷多為裝載量較大的重型卡車或工程車輛。棧橋的結構設計及強度分析事關橋梁的承載能力和使用的安全性，是結構工程師重點關注的內容。以某連接碼頭及江中船舶的鋼質棧橋為例，采用有限元軟件建立棧橋的整體模型，計及橋梁自重、車輛載荷的綜合作用，通過有限元方法對其結構強度進行校核分析，指出該類棧橋設計的要點，為此類棧橋的設計提供參考和指導。

關鍵詞：鋼結構棧橋? 有限元方法? 強度分析

中圖分類號：TD52;TU391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）03（c）-0145-02

鋼質棧橋與普通橋梁不同，其下方不設橋墩，多用于連接碼頭和位于江中的船舶或固定式建筑物。由于不設橋墩，其整橋的跨距不太長，一般為幾十米，橋面多用于行人或工程車輛行走。在鋼質棧橋的設計中，跨距、橋面載荷的大小及形式是設計的外部條件，橋梁的截面形狀、材料特性是內部設計條件。作為結構工程師，其任務就是根據上述各條件設計出既符合使用要求又安全、可靠的棧橋結構。本文以某連接碼頭及江中船舶的鋼質棧橋為例，采用有限元方法對其結構強度進行校核分析，為此類棧橋的設計提供參考和指導。

1? 棧橋結構強度有限元分析

本鋼質棧橋用于連接碼頭及江中船舶，橋的一端置碼頭地面處，另一端通過鋼鉸鏈與江中船舶連接，供載貨汽車上下船舶使用。橋長21m，橋寬5m，橋上行走的車輛整車裝貨總質量不大于50t，假定車輛一共有三根車軸，單軸負荷不大于16.7t。棧橋的布置示意圖見圖1，結構強度有限元模型示意圖見圖2。

在計算中邊界條件設定如下：棧橋與碼頭連接處約束其節點的垂向線位移，棧橋與船舶連接處約束其節點的三向線位移。計算載荷如下：本棧橋設計的行走車輛總重量為50t，在計算中考慮到水體引起的橋面晃動等因素，計算載荷取為1.2倍的車輛總重量，即為60t。同時，在計算中需要計入棧橋自重的影響，因此該自重以重量加速度的方式施加在模型中。各載荷施加見圖3，各構件應力云圖見圖4～圖6。

在棧橋結構強度校核中，偏于安全考慮，將車輛載荷施加在棧橋的中點位置處，此狀態是棧橋結構受載最為嚴重的狀態，也是棧橋結構設計考核的重點工況。同時，本棧橋的自重已達41t，該自重載荷與設計行走的車輛載荷已基本相當，因此棧橋自重是一個不可忽略的載荷。從上述計算結果可以看出，在變形方面骨架頂部弧形工字鋼梁變形比較嚴重，表現出波浪狀的變形。骨架的垂向支撐桿由規格較大的工字鋼構成，變形量很小，給整個橋梁提供了較好的支撐作用。橋面則表現出中部下凹的變形趨勢，這是載荷位于橋面中部造成的。此外，橋面鋼板下面設置了數道縱向加強筋，對橋面起到了較好的抗彎曲變形作用，且大部分的彎曲應力由該縱向加強筋吸收。從板、梁的應力分布可以看出，在該棧橋結構中骨架梁的設置起到了至關重要的作用，是棧橋結構的核心構件。

2? 結語

（1）采用有限元方法來計算分析鋼結構棧橋的強度是模擬度和可靠度較高的方法，能綜合考慮各種載荷的疊加效應，并能分析得到各個構件的應力大小及變形量，利于后續結構的優化設計分析。

（2）對于承載負荷較大的鋼結構棧橋，其橋面上方的骨架設計尤為重要，它是提高整個棧橋抗彎能力的主要構件。

（3）橋面鋼板下的縱向加強筋（梁）不僅起到劃分結構板格的作用，同時還是橋面應力的主要吸收構件，分擔了橋面的大部分應力。在棧橋設計中，合理設置橋面縱向加強筋對提高橋面承載力和抗變形能力起到事半功倍的效果。

參考文獻

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